Что такое трассировка лучей? (И что это значит для компьютерных игр)

Заметили, что в последнее время ваши глаза расширяются, когда вы играете в игры? Если это так, то это может быть связано с тем, что многие игры теперь поддерживают трассировку лучей — технологию, которая стала возможной в режиме реального времени только с 2018 года благодаря специализированному графическому оборудованию.

Хотя трассировка лучей обычно обсуждается с точки зрения компьютерных игр, Microsoft Xbox Series X и Sony PlayStation 5 также имеют необходимое оборудование и растущую библиотеку игр, которые ее поддерживают. В этой статье объясняется, чем трассировка лучей отличается от традиционной растеризации и почему она важна для будущего игр, будь то консоль, игровой компьютер или игровой ноутбук.

Основы трассировки лучей

Трассировка лучей — это высокоэффективный метод освещения созданной компьютером сцены. Эта концепция не нова, хотя доступ к достаточно мощному компьютерному оборудованию для массового рынка нов.

Представьте, что вы стреляете лучом света в объект и прослеживаете, как он отражается от поверхности, как будто вы входите в темную комнату и направляете фонарик. Затем представьте, что вы снимаете много лучей, используя те, которые возвращаются (и не возвращаются), чтобы выяснить, как должна выглядеть сцена. Например, лучи, которые не вернулись, скорее всего, были заблокированы объектом, создавая тень. (Вы можете думать об этой концепции так же, как о том, как работает радар.)

Базовая схема работы трассировки лучей (Фото: AMD)

Другими словами, трассировка лучей аналогична реальному освещению: свет, попадающий в ваши глаза, сообщает вашему мозгу, что вы видите. В анимационных фильмах трассировка лучей использовалась на протяжении десятилетий; Пиксар Игрушечная историянапример, привлек к нему внимание в 1995 году, и с тех пор были достигнуты огромные успехи в рендеринге CGI.

Однако примерно с тех пор, как киноиндустрия использовала трассировку лучей, видеоигры полагались на другой метод рендеринга трехмерных миров: растеризацию. Прежде чем мы рассмотрим причины этого, давайте сравним два подхода.

Основы: трассировка лучей против растеризации

Растеризация — это объектно-ориентированный подход к рендерингу сцены. Каждый объект сначала закрашивается цветом, затем применяется логика для отображения только ближайших к глазу пикселей. Трассировка лучей, напротив, сначала окрашивает пиксели, а затем идентифицирует их с объектами. Это все объясняет, верно?

GeForce RT 4070 от Nvidia — это видеокарта для энтузиастов с аппаратной поддержкой трассировки лучей. (Источник: Майкл Джастин Аллен Секстон)

Ну, не совсем, так что подумайте об этом так. Растеризация требует специальных методов и настройки для создания реалистичных изображений. Например, конвейер рендеринга в игре можно настроить и оптимизировать для применения определенного эффекта, придавая пикселям объекта определенный узор. Естественно, этот тип логики варьируется от объекта к объекту и от сцены к сцене. Чтобы воспользоваться этим, требуются усилия со стороны разработчика, но растеризация может окупиться эффективностью, поскольку компьютер может отображать сложную сцену без тонны вычислительной мощности.

Трассировка лучей, как правило, применяется в более общем виде, чем растеризация, поскольку она основана на съемке световых лучей. В результате методы достижения визуальных результатов с помощью трассировки лучей основаны на том, как используются лучи. Например, для более мягких теней и отражений требуется больше лучей, а для эффектов движения и размытия может потребоваться изменение времени прохождения лучей или их точки происхождения.

Несмотря на это, растеризация и трассировка лучей в основном могут использоваться для достижения тех же результатов (или, по крайней мере, близких к ним). Итак, теперь давайте рассмотрим, почему вы используете одно вместо другого.

Мейнстримные игры получают трассировку лучей

Десятилетия назад растеризация заняла свое место в видеоиграх, потому что аппаратное обеспечение, необходимое для этого, было достаточно доступным для обычных покупателей, в отличие от того, что требовалось для трассировки лучей. Это по-прежнему в значительной степени верно — сегодняшние игровые видеокарты оптимизированы для растеризации и будут такими еще много лет.

Трассировка лучей впервые проникла в массовые игры в 2018 году с выпуском серии графических карт Nvidia GeForce RTX для настольных ПК, сначала в виде высококачественной Nvidia GeForce RTX 2080. Nvidia представила серию GeForce RTX 3000 второго поколения GeForce RTX 3080) в 2020 году, а главный конкурент AMD быстро последовала их примеру со своей серией Radeon RX 6000. В преддверии 2023 года Nvidia выпустила GeForce RTX 4000 третьего поколения, а AMD — усовершенствованную линейку Radeon RX 7000. (См. наши обзоры флагманских графических процессоров Nvidia GeForce RTX 4090 и AMD Radeon RX 7900 XTX.)

AMD Radeon RX 7900 XTX конкурирует с GeForce RTX 4080 от Nvidia. (Источник: Майкл Джастин Аллен Секстон)

Короче говоря, потребовалось так много времени, чтобы трассировка лучей вошла в потребительские игры, потому что вычислительные ресурсы, необходимые для ее осуществления, были недоступны по ценам, которые позволяли хоть что-то близкое к массовому внедрению. Действительно, первые графические процессоры, поддерживающие трассировку лучей, были дорогостоящими картами высокого класса. Записи среднего уровня, особенно Nvidia GeForce RTX 2060, появились только на более поздних этапах их жизненного цикла.

Еще более доступным видеокартам начального уровня с поддержкой трассировки лучей пришлось ждать появления на прилавках AMD Radeon RX 6500 XT и Nvidia GeForce RTX 3050 в начале 2022 года. -кризис отсутствия карт, неприятный побочный эффект майнинга криптовалюты, но теперь они гораздо более широко доступны здесь в 2023 году). значительно улучшенным процессором Intel Arc A770.

Короче говоря, несмотря на то, что они все еще оптимизированы (и игры все еще пишутся) для растеризации, почти каждая современная видеокарта поддерживает трассировку лучей, поэтому даже покупатели в бюджетном сегменте могут наслаждаться визуальными удовольствиями, которые может предложить эта технология.

Визуальные улучшения с трассировкой лучей

Важно понимать, что трассировка лучей лишь немного приблизила игровую графику. Это связано с тем, что рендеринг всей игры с трассировкой лучей в реальном времени по-прежнему выходит за рамки возможностей основного оборудования. Игры, поддерживающие трассировку лучей, используют ее только для определенных эффектов, в основном связанных с тенями и освещением, а все остальное по-прежнему растрируется.

Немного терминологии: текущие графические процессоры Nvidia используют проприетарную реализацию рендеринга графики, которую компания широко называет RTX. Эта реализация может использовать преимущества DirectX 12 в Windows 11, в частности его функцию DXR — интерфейс прикладного программирования DirectX Ray Tracing (API) — для рендеринга путей света в игровом движке. Nvidia поддерживает список избранных игр и приложений с поддержкой RTX(откроется в новом окне).

DXR — это API трассировки лучей, который может работать в сочетании с оборудованием Nvidia или независимо от него. Например, несколько лет назад разработчики игры Crysis продемонстрировали демонстрацию своего движка Crytek, который запускал отражения с трассировкой лучей на карте серии AMD Radeon RX 5000 — графическом процессоре без встроенных ядер трассировки лучей — хотя производительность была предсказуемо низкой. медленный. Ядра RT — это кремниевые ядра, предназначенные для математических вычислений световых лучей; они помогают любой видеокарте быстрее выполнять код DXR, хотя для работы DXR не нужны ядра RT. Если вы запустите демонстрацию Crytek на текущей карте AMD, которая поддерживает аппаратную трассировку лучей, сцена DXR будет работать значительно быстрее.

Давайте посмотрим, как трассировка лучей может улучшить внешний вид игры. Я сделал следующие пары скриншотов в Shadow of the Tomb Raider от Square Enix для ПК, который поддерживает тени с трассировкой лучей с видеокартами GeForce RTX. Посмотрите внимательно на тени на земле.

Растрированные тени (Источник: Square Enix)

Та же сцена с тенями с трассировкой лучей (в настройках игры «Ультра») (Источник: Square Enix)

Вот еще пара сцен из Shadow of the Tomb Raider:

Больше растеризованных теней (Источник: Square Enix)

Больше теней с трассировкой лучей (опять же в настройках Ultra) (Источник: Square Enix)

И давайте посмотрим на окончательный набор:

Третий взгляд на растеризованные тени (Источник: Square Enix)

Третий взгляд на тени с трассировкой лучей (Источник: Square Enix)

Тени с трассировкой лучей более мягкие и реалистичные, чем более резкие растеризованные версии. Их темнота варьируется в зависимости от того, сколько света блокирует объект, и даже в пределах отдельных теней, в то время как растеризация, кажется, придает каждому объекту четкую грань. Оригинальные тени выглядят неплохо, но поиграв в игру с трассировкой лучей, сложно вернуться назад.

Рекомендовано нашими редакторами

Поддержка трассировки лучей по-прежнему может быть противоречивой, если игра реализует эту функцию отдельно или по-разному для видеокарт Nvidia и AMD, но более современный подход заключается в использовании преимуществ DXR, который работает на современных графических процессорах AMD, Nvidia и Intel.

Трассировка лучей: влияние на производительность

Когда дело доходит до графики для ПК, все имеет свою цену, и визуальные улучшения трассировки лучей не являются исключением. Технология обычно приносит удар по производительности, который варьируется от игры к игре. Новые технологии ускорения — Deep Learning Super Sampling (DLSS) от Nvidia и AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) — помогают снизить потери производительности при трассировке лучей.

Чтобы проиллюстрировать это, я запустил встроенный тест симулятора автогонок F1 22, используя игровой компьютер начального уровня с процессором Intel Core i5-12400F и графической картой Nvidia GeForce RTX 3050. Цифры ниже показывают среднее количество кадров в секунду (fps). Геймеры обычно ищут минимум 60 кадров в секунду для плавной игры.

Я запускал все сценарии с предустановкой детализации F1 22 Ultra High. «Трассировка лучей включена» подразумевает все — тени, отражения, окружающее затенение и прозрачные отражения — с качеством трассировки лучей, установленным на «Высокое». Когда DLSS был включен, я оставил качество по умолчанию.

В наихудшем сценарии с включенной трассировкой лучей и отключенным DLSS настольный компьютер работал со скоростью всего 43 кадра в секунду. Вряд ли это играбельно для динамичного симулятора. Включение DLSS привело к резкому приросту производительности на 58% (до 68 кадров в секунду), поэтому DLSS действительно спасает положение.

Тем не менее, тот же ПК достиг 125 кадров в секунду с включенным DLSS, но с отключенной трассировкой лучей, что намного лучше для такой киберспортивной игры. Таким образом, по крайней мере, на оборудовании начального уровня трассировка лучей все еще может быть довольно требовательной, до такой степени, что вам может потребоваться настроить параметры или полностью отключить ее для некоторых игр. Как уже отмечалось, вещи сильно различаются от игры к игре; F1 22 — это только один пример.

Оптимизация игры также заслуживает упоминания. Разработчики продолжают оптимизировать свои реализации трассировки лучей так же, как они делали растеризацию (которая продвинулась невероятно далеко за пять или шесть лет), поэтому завтра можно будет испытать лучшие и более быстрые эффекты трассировки лучей на сегодняшнем оборудовании.

Ключевые игры с трассировкой лучей, которые мы рассмотрели

DLSS и FSR определенно помогут, а соответствующие технологии Nvidia и AMD со временем будут усовершенствованы и расширены. DLSS сейчас находится в третьем поколении, в то время как FSR работает аналогично, но работает на любой видеокарте.

Будущее с трассировкой лучей

Благодаря широкой доступности графических карт с трассировкой лучей, включая продукты начального уровня, современные игры теперь обычно поддерживают базовую технологию, а также настройки производительности Nvidia DLSS и AMD FSR. Поддержка аппаратной трассировки лучей в PlayStation 5 и Xbox Series X просто подчеркивает тот факт, что трассировка лучей никуда не денется.

Atomic Heart была в центре споров о трассировке лучей с момента ее запуска без давно разрекламированной функции. (Источник: Focus Entertainment; 4Divinity)

В то время как встроенная графика, популярная в доступных ноутбуках и недорогих настольных компьютерах, в настоящее время не поддерживает трассировку лучей, широкий спектр дискретных графических процессоров поддерживает как ноутбуки, так и настольные компьютеры. Влияние трассировки лучей на производительность все еще может быть серьезным на оборудовании начального уровня, хотя оно варьируется от игры к игре. Однако, без сомнения, геймеры, жаждущие лучших визуальных эффектов, сочтут трассировку лучей заманчивой причиной для обновления со старой платформы.