Sugárkövetés vs raszterizált megjelenítés - magyarázat

Az Nvidia GPU-k Turing-családjának 2018-as bevezetését követően a játék világában exponenciálisan megnőtt a „Ray Tracing” néven ismert funkcióval kapcsolatos vita. Az Nvidia akkoriban vadonatúj „RTX” grafikus kártyasorozata támogatta a játékok „Real-Time Ray Tracing” nevű játékát. A legtöbb ember nem volt biztos abban, hogy mi ez az új szolgáltatás, és miért nyomja annyira az Nvidia, de egyszerre izgatta őket és érdekelte őket a technológia. A Ray Tracing olyan nagy pont volt az Nvidia szerint, hogy szükségesnek tartották, hogy helyesen tegyék bele a piacra dobott termékek nevébe. Az új GeForce „RTX” kártyasorozat felváltotta a régebbi „GTX” fajtát, amikor olyan első SKU-khoz került, mint az Nvidia által általában kiadott 60,70,80 és -80Ti termékcsomagok.

Az Nvidia GeForce RTX 3080 az egyik leggyorsabb grafikus kártya, amely támogatja a sugárkövetést - Kép: Nvidia

Az Nvidia RTX 2000 sorozatú grafikus kártyái számos hardveres változást hoztak, amelyek lehetővé tették a Ray Tracing támogatását a játékokban. Az új Turing-alapú grafikus kártyák speciális magokat csomagoltak magukba, amelyeket ennek a folyamatnak szenteltek és RT magok néven ismertek. Az RT magok célja az volt, hogy kifejezetten kezelje az összes grafikus számítást, amely a valós idejű sugárkövetés lehetővé tételéhez szükséges a játékokban. Az Nvidia emellett kiegészítette a kártyákat extra CUDA magokkal, hogy növelje a kártyák nyers erejét, miközben új magokat adott hozzá, a Tensor magok néven. Ezeket a magokat a mély tanulás és az AI alkalmazások elősegítésére szánták, például a felskálázási technika új formája, a Deep Learning Super Sampling néven. A Deep Learning szuper mintavételt vagy a DLSS-t már részletesen megvitattuk a ez a cikk , ahol többet megtudhat az AI-alapú felmérési technikáról.

A sugárkövetés nem új keletű

Míg első pillantásra úgy tűnhet, hogy a Ray Tracing egy új technológia, amelyet az Nvidia úttörőnek mondott, az igazság valójában távol áll tőle. Igen, az Nvidia volt az első vállalat, amely a valós idejű Ray Tracing támogatást valósította meg a játékokban, de ez nem jelenti azt, hogy a Ray Tracing még nem létezett az RTX sorozat előtt. Valószínűleg évek óta élvezed, anélkül, hogy tudnád, ha néztél olyan friss filmet, amely CGI effekteket tartalmaz.

A sugárkövetést már más területeken is használják, például a filmekben - Kép: Nvidia

A filmekben való megvalósítás ugyan kissé más és sokkal intenzívebb, mint a játék verziója. A nagy költségvetésű produkciók azt a luxust jelentik, hogy nagy mennyiségű pénzt és időt költhetnek el a jelenetek renderelésére. Beszámoltak arról, hogy a népszerű animációs filmek körülbelül 1000 szuperszámítógépet használtak fel az egész film sugárkövetési effektusokkal történő bemutatására egy hónap alatt. Az ilyen nagyméretű renderelési folyamatok természetesen nem megvalósíthatók vagy lehetségesek azoknak az átlagos játékosoknak, akik friss játékokkal szeretnének néhány játékot játszani, így a modern játékokban megjelenő Ray Tracing verzió alkalmazásában kissé eltér egymástól. Mégis, a Ray Tracing olyan funkció, amely a gyártás számos területén jelen van a játékon kívül, a filmek egyike a kiemelkedőbbeknek.

A grafikailag intenzív jelenetekhez, például a Blenderhez a szakemberek által használt termelékenységi szoftverek szintén támogatják a sugárkövetési funkciókat. Ezek a számítógépes grafikus és renderelő szoftverek különböző szintű sugárkövető alkalmazással készítenek fotorealisztikus képeket állóképek és 3D animációk formájában.

Mi az a raszterizálás?

Tehát miért tartotta szükségesnek az Nvidia egy ilyen összetett folyamatot a hagyományos játékokban? Van-e különbség a játékokban a sugárkövetés folyamatában, hogy jobban optimalizálják a munkaterhelés szempontjából? A Ray Tracing mechanizmusának megértéséhez először is meg kell értenünk azt a mechanizmust, amellyel a játékokat hagyományosan renderelik. Ez segít megérteni, hogy miért tekinthető a sugárkövetés fejlesztésnek és nagy előrelépésnek a grafikus hűség terén.

A rendereléshez jelenleg használt technika „Raszterizálás” néven ismert. Ebben a technikában a játék kódja arra irányítja a GPU-t, hogy rajzoljon 3D-s jelenetet sokszögek felhasználásával. Ezek a 2D formák (többnyire háromszögek) alkotják a képernyőn megjelenő vizuális elemek nagy részét. Miután egy jelenetet megrajzoltak, lefordítják vagy „raszterizálják” egyes pixelekké, amelyeket aztán egy dedikált árnyékoló feldolgoz. Az árnyékoló pixelenként hozzáadja a színeket, a textúrákat és a fényhatásokat, hogy egy teljesen renderelt keretet hozzon létre. Ezt a technikát másodpercenként kb. 30-60 alkalommal meg kell ismételni, hogy 30FPS vagy 60FPS képalkotást hozzunk létre a játékokban.

A raszterizálás mechanizmusának részletei - Kép: Medium.com

A raszterizálás korlátai

Míg a raszterizálás már jó ideje az alapértelmezett megjelenítési mód a játékokban, a raszterizálás mögött rejlő folyamatnak vannak bizonyos korlátai. A raszterezés fő problémája, hogy ennek a technikának nehezen követhető pontosan, hogy a jelenet fényének hogyan kell utaznia és kölcsönhatásba lépnie a jelenet más elemeivel. A raszterizált megjelenítés nem eredményez ugyanazokat az eredményeket, mint a Ray Traced renderelés, ha egy adott jelenet fényhatásairól és általános megvilágításáról van szó. A raszterizált renderelés néha pontatlan látványt is eredményezhet a világítással kapcsolatban, ami valóban károsíthatja az adott játékba merülést. Ezért a sugárkövetést a renderelés kiváló formájának tekintik, amikor a grafikai hűségről van szó, különös tekintettel a világításra.

Mi is pontosan a sugárkövetés?

Most, hogy megvitattuk a raszterizált megjelenítés hagyományos formáját, beszéljük meg a valós idejű Ray Tracing új alkalmazását a modern játékokban. A sugárkövetés olyan megjelenítési technika, amely képet hoz létre a virtuális fény alapján, és hogy az a fényforrás hogyan hat egymással a virtuális jelenet összes objektumával. A sugárkövetés sokkal életszerűbb ábrázolást hozhat létre azokról a jelenetekről, amelyek kihasználják a fény és a jeleneten belüli tárgyak közötti kölcsönhatást, hogy a realizmus érzetét keltsék. Egyszerű szavakkal, a Ray Tracing olyan technika, amely a fényt úgy viselkedik a videojátékokban, mint a való életben.

A Ray Tracing azt ígéri, hogy teljesen átalakítja a játékok látványtervét - Kép: Nvidia

A sugárkövetés mögött álló mechanizmus

A játékokban a Ray Tracing mechanizmusa eredendően különbözik a Ray Tracing más formáitól, amelyek már megtalálhatók más iparágakban, például a filmekben. Az egyes fényforrásokból származó összes millió sugár nyomon követése helyett a fogyasztói minőségű sugárkövetés csökkenti a számítási terhelést azáltal, hogy a felhasználó perspektíváját reprezentáló kamera útvonalát egyetlen pixelen keresztül követi, majd bármelyik tárgy mögött pixel, majd végül vissza a kérdéses jelenet fényforrásához. A sugárkövetés ezen technikája többféle hatást is eredményezhet, mint például a fény abszorpciója, visszaverődése, fénytörése és diffúziója, amelyet az a tárgy határoz meg, amely a jelenet fényével kölcsönhatásba lépett. A sugárkövetési algoritmus a kapott sugarakat is figyelembe veheti, így a reflexiós effektusok vagy árnyékok pontosan megjelennek.

A Ray Tracing alkalmazásban a fény úgy viselkedik a játékban, mint a való életben - Kép: Nvidia

A sugárkövetés különböző formái

A sugárkövetés nem minden megvalósulása azonos. A Ray Tracing programot támogató különféle játékok valamennyire eltérő módon valósítják meg a funkciót. Ez a játék fejlesztőjének feladata, hogy növelje vagy csökkentse a Ray Tracing bonyolultságát a játékban, hogy a játék a teljesítmény és a vizuális minőség tökéletes egyensúlyát biztosítsa. 2020-tól a sugárkövetést támogató legtöbb játék általában csak a jelenet egyetlen aspektusához használja a sugárkövetést, szemben azzal, hogy az egész jelenetet maga a Ray nyomkövetés használja. Lehetséges, de a teljes színtérbeli sugárkövetés számítási költségei csillagászatiak a többi megközelítéshez képest, és így legalább most nem érik meg az erőfeszítéseket. Az írás idején a Ray Tracing játékokban jelenleg alkalmazott különböző megvalósításai a következők:

• Árnyékok: A legegyszerűbb és legkevésbé intenzív Ray Tracing megvalósítás vitathatatlanul összefügg az árnyékokkal. Itt a sugárkövetéssel tökéletesen megjelenítik az árnyékokat egy jelenetben, a fényforrásból származó fény eredete és a tárgy helyzete alapján. Ezt a technikát leginkább az „Árnyék a sírrablónál” használják, hogy részletesebb árnyéktérképet készítsen, amely reagál az árnyékokat előidéző ​​tárgyak körüli környezet változásaira. Legfőképpen a fényforrás mozgása és szöge ugyanolyan változásokat hajthat végre az eredő árnyékokban, mint amit a való életben megfigyelünk.
• Gondolatok: A reflexiók számítási szempontból sokkal intenzívebbek a Ray Tracing használatával, azonban a Ray Traced reflexiók fenomenálisnak tűnnek a modern játékokban, és valószínűleg a leginkább figyelemre méltó grafikai fejlesztések, amelyek a Ray Tracing segítségével érhetők el. A tükröződések a fényforrást használják a jelenetben, hogy pontosan visszaadják a fényvisszaverő tárgyak, például üveg és víz visszaverődését. Az egyik legnépszerűbb játék, amely a Ray Traced tükröződéseket használja, a „Control”.
• Környezeti elzáródás: Ez az árnyékokkal is összefügg, és többé-kevésbé ugyanahhoz az alapfolyamathoz kötődik. Az Ambient Occlusion a sugárkövetés segítségével megjósolja az árnyékok szögét és intenzitását az objektumok helyzete és elhelyezkedése alapján. Ha jól elkészült, az Ambient Occlusion elképesztő részleteket és valósághűséget adhat a játékhoz.
• Globális megvilágítás: A modern játékokban a Ray Tracing megvalósításának valószínűleg a számításigényesebb formája, a Global Illumination a Ray Tracing segítségével pontosan ábrázolja a világ világítását. Ez sokkal reálisabb megvilágítási érzetet nyújt bekapcsolt állapotban, ugyanakkor a feldolgozásra kerülő adatok rengeteg mennyisége miatt hatalmas teljesítményt is elér. A „Metro Exodus” a sugárkövetést használja a globális megvilágítás sokkal reálisabb formájának biztosítására.
• Teljes útkövetés: Végül néhány olyan játék megjelenését is látjuk, amelyek teljesen nyomon követhetők, ami lényegében azt jelenti, hogy minden Ray Traced. Most, hogy ezek a játékok némileg egyszerűbbek és kisebbek, mint a többi játék, amelyek nagyjából AAA címet kaptak a nagy cégektől, de ez nem azt jelenti, hogy ne néznének ki impozánsak. Valójában egyesek azzal érvelhetnek, hogy ezek a teljes pályakövetéssel rendelkező játékok jobban néznek ki, mint az összes többi Ray Tracing megvalósítás. A „Minecraft RTX” és a „Quake RTX” a címek közül kettő, amelyek teljes nyomon követhetők és elérhetőek az írás idején.

A Ray Tracing Reflections lehet a Ray Tracing legszembetűnőbb alkalmazása a játékokban - Kép: Nvidia

Mi kell a sugárkövetéshez?

Amint azt korábban említettük, a Ray Tracing nagyon számításigényes feladat, ezért néhány csúcskategóriás hardver megköveteli a jó teljesítményt. Az írás idején az AMD és az Nvidia számos grafikus kártyája létezik, amelyek támogatják a hardveres gyorsítású sugárkövetést. Még a Sony és a Microsoft konzoljai is támogatják ezt a funkciót. Ez kissé kibővíti a támogatott hardverek listáját:

• Nvidia GeForce RTX 2000 sorozat
• Nvidia GeForce RTX 3000 sorozat
• AMD Radeon RX 6000 sorozat
• Microsoft Xbox Series X
• Sony PlayStation 5

Ne feledje, hogy ha az AMD a Ray Tracing-et kissé eltérõen kezeli, mint az Nvidia, akkor valamivel nagyobb teljesítménybüntetés jár, ha az AMD-kártyákat használja a Ray Tracing-hez. Továbbá, ha a továbbfejlesztett teljesítményt szeretné tapasztalni a Deep Learning Super Sampling használatával, ez a funkció is csak az Nvidia RTX kártyáin érhető el. Az AMD állítólag egy DLSS-szerű funkción dolgozik az RX 6000-es kártyáikhoz, de jelenleg még fejlesztés alatt áll az írás idején.

Az Nvidia kitalálta a „Giga Rays” kifejezést is, hogy képet adjon a felhasználóknak az RTX grafikus kártyák relatív sugárkövetési képességeiről. Az Nvidia szerint másodpercenként 5 giga-sugár az a minimális mennyiségű virtuális fény, amely ideálisan szükséges egy tipikus szoba teljes megvilágításához egy videojáték-környezetben. A GeForce RTX 2070 5 giga / sec, míg az RTX 2080 másodpercenként 8 giga sugarat kínál. Az RTX 2080Ti óriási 10 giga sugarat kínál másodpercenként. Ez egy kissé önkényes egység, ezért csak általában a relatív teljesítményelvárások bemutatására használható.

Teljesítményvesztés és DLSS

Amint az mára nyilvánvaló, a Ray Tracing legnagyobb hátránya a teljesítmény ütése a folyamat során elvégzendő nagyszámú dedikált számítás miatt. Bizonyos játékokban a teljesítménysütés olyan nagy, hogy képes a képkocka elérésére, amely már nem tekinthető lejátszhatónak. A teljesítménysiker még nagyobb azokban a játékokban, amelyek a Ray Tracing bonyolultabb megvalósítását használják, mint például Reflections, Global Illumination vagy Full Path Tracing.

Természetesen az Nvidia gondolt erre a teljesítménybüntetési helyzetre, és kifejlesztett egy új kompenzációs technikát is, amely a Deep Learning Super Sampling néven ismert. Ezt a DLSS nevű technikát még 2018-ban adták ki az Nvidia RTX 2000 sorozata mellett. A DLSS-t már részletesen feltártuk a ez a cikk , de ennek a technológiának a lényege, hogy alacsonyabb felbontásban rendereli a képet, majd okosan és módszeresen felnagyítja a képet, hogy megfeleljen a kimeneti felbontásnak, és így rendkívül kiváló teljesítményt nyújt a natív rendereléshez képest. A DLSS kiváló kompenzációs mechanizmus a sugárkövetés teljesítményveszteségéhez, de sugárkövetés nélkül is használható, hogy még nagyobb képkockasebességet és sokkal jobb élményt nyújtson.

Jelentős teljesítménynövekedés az irányításban, amikor a DLSS be van kapcsolva - Kép: Nvidia

A DLSS legnagyobb előnye, hogy a Deep Learning és az AI segítségével nagyságrendileg növeli a képet, így a natív és a felskálázott kép között alig-alig van vizuális tisztaságbeli különbség. Az Nvidia az RTX kártyasorozat Tensor magjait használja a DLSS folyamat felgyorsítására, hogy ez a felskálázási számítás a megjelenített játék ütemében történjen. Ez egy igazán izgalmas technológia, amelyet szeretnénk, ha tovább fejlődnénk és jobbá válnánk, mint most.

A sugárkövetés jövője

A Ray Tracing a játékokban még csak most kezdődik, és biztosan kijelenthetjük, hogy itt marad. Az AMD nemrégiben adta ki őket az első olyan kártyakészlet, amely támogatja a teljes valós idejű sugárkövetést az RX 6000 sorozattal , valamint a PlayStation 5 és az Xbox Series X is támogatja a Ray Tracing szolgáltatást. A jelenlegi akadályok, amelyeket meg kell küzdeni, magukban foglalják a teljesítményveszteséget és az ezt támogató játékok alacsony számát. A Ray Tracinget az írás idején támogató jelenlegi játékok a következők:

• A gonoszság közepette
• Csatatér V.
• Fényes memória
• Call of Duty: Modern Warfare (2019)
• Call of Duty: Black Ops hidegháború
• Ellenőrzés
• Crysis Remastered
• Szabadítsd meg nekünk a Holdat
• Fortnite
• Ghostrunner
• Igazságszolgáltatás
• V. Mechwarrior: Zsoldosok
• Metro Exodus
• Minecraft
• Holdfény penge
• Tök Jack
• Quake II RTX
• A Tomb Raider árnyéka
• Maradj a Fényben
• Nézze meg a Kutyák légióját
• Wolfenstein: Fiatalvérű

Eközben az Nvidia megerősítette, hogy a következő címek is támogatják a Ray Tracing-et, amint megjelennek:

• Atomic Heart
• Cyberpunk 2077 (indítás)
• Haldokló fény 2
• Örökkévaló végzet
• Beiratkozott (novemberben bezárt béta)
• JX3
• Mortal Shell (november)
• Megfigyelő: System Redux
• Kész vagy nem (korai hozzáférés indítása)
• Ring Of Elysium (dob)
• Szinkronizált: Off-Planet
• A boszorkány III
• Vámpír: Az álarc - Vérvonalak 2
• World of Warcraft: Shadowlands (november)
• Xuan-Yuan kard VII (indítás)

Az RTX-t és a DLSS-t egyaránt támogató közelgő játékok - Kép: Nvidia

Bár ezek nem tűnnek sok játéknak, kezdetet jelentenek egy olyan irány felé, ahol a renderelés túlnyomó része a Ray Tracing lehet. Ami a teljesítményt illeti, nagyon nehéz megjósolni, hogy a Ray Tracing által elért teljesítménycsökkenés kissé csökken-e vagy sem. Ésszerű elvárni, hogy a DLSS jobb legyen és megfelelő kártérítést kínáljon a teljesítménykövetésért, amely bekövetkezik a Ray Tracing bekapcsolásával. A cikk írásakor a DLSS-t támogató játékok listája semmilyen módon nem bőv, de jó kezdetnek tartani szem előtt tartva, hogy az Nvidia több közelgő játék esetében is bejelentette a DLSS támogatását. Itt található az összes olyan játék, amely jelenleg támogatja a Deep Learning Super Sampling alkalmazást:

• Himnusz
• Csatatér V.
• Fényes memória
• Call of Duty: Black Ops hidegháború
• Ellenőrzés
• Halál Stranding
• Szabadítsd meg nekünk a Holdat
• F1 2020
• Final Fantasy XV
• Fortnite
• Ghostrunner
• Igazságszolgáltatás
• Marvel bosszúállói
• V. Mechwarrior: Zsoldosok
• Metro Exodus
• Minecraft
• Szörnyvadász: Világ
• A Tomb Raider árnyéka
• Nézze meg a Kutyák légióját
• Wolfenstein Youngblood

Mint észrevehette, a DLSS-t támogató játékok többsége olyan cím, amely valamilyen Ray Tracing támogatással is rendelkezik. Ez további megerősítést nyújt arra az elméletre vonatkozóan, hogy a DLSS-t főként kompenzációs technológiaként fejlesztették ki és adták ki a Ray Tracing-ben bekövetkezett hatalmas teljesítményvesztés enyhítésére. A DLSS azonban komolyan lenyűgöző technológia, mivel az Nvidia elmagyarázta, hogy szuperszámítógép segítségével komplex számításokat végez, amelyek betanítják azt az algoritmust, amelyet az Nvidia GPU-kban lévő Tensor magok követnek. Csakúgy, mint a Ray Tracing, a DLSS várhatóan több játékra is érkezik:

• A gonoszság közepette
• Atomic Heart
• Határ
• Cyberpunk 2077 (indítás)
• Az örökkévalóság éle (november)
• JX3
• Mortal Shell (november)
• Mount & Blade II Bannerlord (november)
• Kész vagy nem (korai hozzáférés indítása)
• Szemetelők
• Vámpír: Az álarc - Vérvonalak 2
• Xuan-Yuan kard VII (indítás)

A DLSS a Ray Tracing-szel kombinálva a játékipar jövője tűnik 2020-tól.

A DLSS 2.0-t támogató játékok listája folyamatosan növekszik - Kép: Nvidia

Következtetés

A raszterizálás az a technika, amelyet már régóta használnak a 2D sokszögek 3D-s képpé alakítására a képernyőn a játékokban. 2018-ban az Nvidia bemutatta az RTX 2000-es grafikus kártyák sorozatát, amely teljes mértékben támogatja a valós idejű sugárkövetést a játékokban. Ez a technika komplex számításokkal követi nyomon a fénysugarakat egy jelenetben, hogy pontos ábrázolást készítsen arról, hogy a fény hogyan fog kölcsönhatásba lépni. a jelenet tárgyai. Ez váratlan viharral vitte el a játék világát, és az egész iparág a Ray Tracing-et helyezte elsődleges célként a továbbiakban.

A cikk írásakor az Nvidia kiadott egy újabb generációs grafikus kártyát, amely tovább javítja a Ray Tracing teljesítményét, miközben az AMD és a konzolok is teljes támogatását jelentették be a szolgáltatásnak. Az Nvidia továbbfejlesztette a Deep Learning szuper mintavételi technikáját, amely az AI és a Deep Learning segítségével intelligensen feljavítja az alacsonyabb felbontásban nyújtott képet, hogy kompenzálja a sugárkövetés miatti teljesítményveszteséget.

Úgy tűnik, hogy a Ray Tracing itt marad, és bár a funkciót támogató címek kezdeti száma nem túl nagy, egyre több olyan címet jelentenek be, amelyek teljes mértékben támogatják a valós idejű Ray Tracing-et. A fejlesztők feladata, hogy közelgő játékaikban finomhangolják a Ray Tracing funkciókat, és növeljék az ezt a funkciót támogató címek számát is. Az Nvidia és az AMD felelőssége, hogy hardvereiket optimalizálják erre a szolgáltatásra, hogy a játékosoknak ne kelljen pusztító teljesítményvesztést tapasztalniuk, amikor be akarják kapcsolni a Ray Tracing funkciót.