Jeśli ostatnio spotkałeś się z najdrobniejszymi wiadomościami dotyczącymi gier i grafiki, usłyszałeś najnowsze i najmodniejsze hasło: ray tracing. Możliwe, że słyszałeś również podobnie brzmiące słowo zwane śledzeniem ścieżki. I możesz całkowicie wybaczyć, że nie w pełni rozumiesz, czym jest jeden z tych procesów.
Prostym wyjaśnieniem jest to, że zarówno śledzenie ścieżki, jak i promieniowanie są technikami graficznymi, które dają bardziej realistycznie wyglądające obrazy kosztem znacznie więcej moc obliczeniowa. Na YouTube jest film Minecraft, który w jasny sposób pokazuje poszczególne aspekty raytracingu, ale także ilustruje stres, jaki wywiera on na system.
Jeśli to jedyne potrzebne wyjaśnienie, świetnie! Ale jeśli chcesz kopać głęboko i dowiedzieć się, jak działa każda technika, a dlaczego firmy produkujące sprzęt do GPU pobierają niewielką fortunę za karty ray tracingu, czytaj dalej.
Rasteryzacja i grafika komputerowa
Jakikolwiek obraz wyświetlany na ekranie komputera nie zaczął się jako ten obraz. Zaczyna się jako obraz rastrowy lub wektorowy. Obraz rastrowy składa się z kolekcji cieniowanych pikseli.
Obraz wektorowy jest oparty na formułach matematycznych, co oznacza, że rozmiar obrazu można powiększyć prawie bez końca. Wadą obrazów wektorowych jest to, że trudno jest uzyskać bardziej precyzyjne szczegóły. Obrazy wektorowe najlepiej stosować, gdy potrzeba tylko kilku kolorów.
Główną siłą rasteryzacji jest jej prędkość, szczególnie w porównaniu z technikami takimi jak ray tracing. Twój procesor graficzny lub jednostka graficzna powie grze, aby utworzyła obraz 3D z małych kształtów, najczęściej trójkątów. Te trójkąty są zamieniane na pojedyncze piksele, a następnie przechodzą przez moduł cieniujący, aby utworzyć obraz widoczny na ekranie.
Rasteryzacja od dawna jest opcją dla grafiki gier wideo ze względu na to, jak szybko może być przetwarzana, ale ponieważ obecna technologia zaczyna przekraczać swoje granice, potrzebne są bardziej zaawansowane techniki, aby przejść do następnej poziom. Właśnie tam pojawia się raytracing.
Śledzenie promieniami wygląda znacznie bardziej realistycznie niż estryfikacja, jak pokazano na poniższym obrazie. Spójrz na odbicia na garnku thetea i łyżce.
Co to jest Ray Tracing?
Na poziomie powierzchni śledzenie promieni jest terminem anumbrella, który oznacza wszystko, od pojedynczego przecięcia światła i obiektu do całkowitego fotorealizmu. Jednak w najczęstszym kontekście stosowanym dzisiaj śledzenie promieni odnosi się do techniki renderowania, która podąża za wiązką światła (w pikselach) od ustalonego punktu i symuluje reakcję, gdy zetknie się z obiektami.
Poświęć chwilę i spójrz na ścianę pokoju, w którym się znajdujesz. Czy na ścianie jest źródło światła, czy też światło odbija się od ściany z innego źródła? Grafika śledzona promieniami zaczynałaby się od twojego oka i podążała za linią wzroku do ściany, a następnie podążała ścieżką światła zściana z powrotem do źródła światła.
Powyższy schemat ilustruje, jak to działa. Powodem symulowanych „oczu” (kamera na tym schemacie) jest zmniejszenie obciążenia procesora graficznego.
Dlaczego? Cóż, ray tracing nie jest niczym nowym. W rzeczywistości istnieje już od dłuższego czasu. Pixar wykorzystuje techniki ray tracingu do tworzenia wielu swoich filmów, ale wysokiej jakości grafika klatka po klatce w rozdzielczościach, które osiąga Pixar, zajmuje dużo czasu.
Dużoczasu. Niektóre klatki na Monsters Universitytrwały po 29 godzin. Toy Story 3zabierało średnio 7 godzin na klatkę, przy czym niektóre klatki trwały 39 godzin, zgodnie z historią z Wired z 2010 roku.
Ponieważ film ilustruje odbicie światła z każdej powierzchni, aby stworzyć styl graficzny, który wszyscy znają i uwielbiają, obciążenie pracą jest prawie niewyobrażalne. Ograniczając techniki śledzenia promieni tylko do tego, co widzi oko, gry mogą korzystać z tej techniki bez powodowania (dosłownego) załamania procesora graficznego.
Spójrz na zdjęcie poniżej.
To nie jest zdjęcie, pomimo tego, jak naprawdę wygląda. To obraz w kształcie promienia. Spróbuj wyobrazić sobie, ile mocy potrzeba do stworzenia obrazu, który wygląda tak. Jeden promień można bez problemu prześledzić i przetworzyć, ale co powiesz, kiedy ten promień odbije się od obiektu?
Pojedynczy promień może zmienić się w 10 promieni, a te 10 może zmienić się w 100 i tak dalej. Wzrost jest wykładniczy. Po pewnym momencie odbicia i refleksje poza trzeciorzędowym i czwartorzędowym wyświetlaniem maleją. Innymi słowy, wymagają dużo więcej mocy do obliczania i wyświetlania niż są warte. W celu renderowania obrazu należy gdzieś narysować granicę.
Teraz wyobraź sobie, że robisz że 30 do 60 razy na sekundę. Jest to ilość mocy potrzebna do korzystania z technik śledzenia promieni w grach. Z pewnością robi wrażenie, prawda?
Osiągalność kart graficznych zdolnych do śledzenia promieni wzrośnie z upływem czasu, a ostatecznie ta technika stanie się równie łatwo dostępna jak grafika 3D. Na razie jednak ray tracing nadal uważany jest za najnowocześniejszą grafikę komputerową. Więc w jaki sposób wchodzi śledzenie ścieżki?
Co to jest śledzenie ścieżki?
Śledzenie ścieżki jest rodzajem śledzenia promieni. Spada pod tym parasolem, ale tam gdzie pierwotnie teoretyzowano ray tracing w 1968 roku, śledzenie ścieżki pojawiło się na scenie dopiero w 1986 roku (a wyniki nie były tak dramatyczne jak teraz.)
Pamiętaj o wykładniczym wzroście wspomnianych promieni wcześniej? Śledzenie ścieżki stanowi rozwiązanie tego problemu. Podczas korzystania z śledzenia ścieżki do renderowania promienie wytwarzają tylko jeden promień na odbicie. Promienie nie podążają za ustaloną linią za każdym odbiciem, ale strzelają w przypadkowym kierunku.
Następnie algorytm śledzenia ścieżki pobiera losowe próbki wszystkich promieni, aby utworzyć ostateczny obraz. Powoduje to próbkowanie różnych rodzajów oświetlenia, a zwłaszcza oświetlenia globalnego.
Interesującą rzeczą w śledzeniu ścieżki jest to, że efekt można emulować za pomocą shaderów. Ostatnio pojawiła się łatka do cieniowania dla emulatora Nintendo Switch, która pozwoliła graczom na emulację ścieżki śledzącej globalne oświetlenie w tytułach takich jak The Legend of Zelda: Breath of the Wildi Super Mario Odyssey.Podczas gdy efekty wyglądają ładnie, nie są tak kompletne jak prawdziwe śledzenie ścieżki.
Śledzenie ścieżki jest tylko jednym forma raytracing. Chociaż uznano go za najlepszy sposób renderowania obrazów, śledzenie ścieżki ma swoje wady.
Ale ostatecznie zarówno śledzenie ścieżki, jak i ray ray dają absolutnie piękne obrazy. Teraz, gdy sprzęt w komputerach konsumenckich osiągnął punkt, w którym śledzenie promieniami jest możliwe w grach wideo w czasie rzeczywistym, branża jest gotowa dokonać przełomu, który jest niemal tak imponujący jak przejście z grafiki 2D na 3D.
Jednak minie jeszcze trochę czasu - przynajmniej kilka lat - zanim niezbędny sprzęt zostanie uznany za „przystępny cenowo”. Na dzień dzisiejszy nawet niezbędne karty graficzne kosztują znacznie ponad 1000 USD.