Что такое рейтрейсинг и как работает трассировка лучей в играх

Ray-Traycing (рейтрейсинг) или так называемая трассировка лучей (DXR), хоть и была известна до релиза видеокарт NVIDIA RTX, но после их выпуска на массовый рынок стала особо на слуху в игровом сообществе. NVIDIA удалось первой внедрить трассировку лучей в режиме реального времени в компьютерных играх, но разработчики этих самых игр не сильно-то и торопятся внедрять технологию RTX в свои проекты. Чтобы понять, кому и для чего нужна трассировка, для начала мы постараемся разъяснить, как работает рейтрейсинг, а также попробуем проанализировать рынок игр с поддержкой RTX и понять, стоит ли собирать игровой ПК для проектов с поддержкой DXR.

Что такое Ray-Traycing (рейтрейсинг)?

Как и в школьной программе по физике, перед изучением новой темы, начнем с определения термина. Рейтрейсинг – это техника рендеринга, которая использует принципы реальных физических процессов. Для того, чтобы построить трехмерную модель какого-либо объекта и применить к ней трассировку лучей, система отслеживает траекторию виртуального луча к этому объекту. При этом, системе нужно учитывать поверхность объекта и свойства его материала. Ну, и наконец, свет отслеживается с помощью нескольких лучей, имитирующих отраженный свет. Так и происходит трассировка лучей, которая учитывает преломления, отражения лучей, а также корректное взаимодействие света с любыми поверхностями, в том числе и зеркальными. К слову, после отражения света от объекта, свет, возможно, изменил свой цвет — и это системе тоже нужно учесть.

В теории, рейтрейсинг – простой процесс, корни которого идут из физики, а сама трассировка – далеко не новинка. Но всё просто только в теории. На практике, трассировка лучей – невероятно трудоемка с технической стороны, ведь часть лучей может не отразиться вообще, часть – отразиться всего пару раз, а некоторые лучи в рамках одной сцены могут отражаться бесконечное количество раз. И чтобы всё отражалось корректно, системе нужно обсчитать абсолютно каждый луч. Полностью точный и корректный рейтрейсинг требует очень высоких вычислительных мощностей железа, но даже в этом случае, это весьма длительный процесс.

К слову, «киношники» уже давно используют эту технологию при производстве фильмов. Вы могли видеть рейтрейсинг в кинематографе, к примеру, в фильме «Трон» 1982 года выпуска. Обычно, трассировка лучей в фильмах добавляется на стадии монтажа, поэтому создателям фильмов не нужно рассчитывать поведение источников света в реальном времени. Им достаточно это сделать один раз при рендеринге ленты. Но даже в таком случае, просчет лучей на одном кадре может занимать множество часов. А вот в играх разработчики никогда не смогут заранее предугадать, куда пойдет игрок и с какой стороны будет смотреть на объект, чтобы просчитать отражения и преломления лучей один раз, как это делают в кино. Поэтому в играх речь идет исключительно о трассировке лучей в реальном времени, а это невероятно трудоемкий процесс. Именно из-за сложности рейтрейсинга, его «приход» в игровую индустрию сильно задержался.

«Свет в конце тоннеля» или как NVIDIA принесла рейтрейсинг в игровую индустрию

Когда никто не ждал появления рейтрейсинга в играх ещё столько же, сколько его и не было, NVIDIA ворвалась на массовый потребительский рынок с видеокартами GeForce RTX на основе архитектуры Turing, которые помимо стандартного увеличения производительности в играх в рамках поколения привнесли технологию RTX в ряд совместимых игр. Видеокарты оснащены RT-ядрами, отвечающими за расчет трассировки лучей в режиме реального времени, и в дополнение поддерживают новую технологию сглаживания DLSS на основе машинного обучения. Итак, что произошло? NVIDIA первой внедрила аппаратную поддержку рейтрейсинга в компьютерных играх (RTX), а просчет лучей происходит в режиме реального времени с помощью специальных тензорных RT-ядер. Все новые карты основываются на архитектуре NVIDIA с кодовым названием Turing, созданной на 12-нм техническом процессе. Именно она позволяет в реальном времени обрабатывать отражения световых лучей, помогая сделать графику в играх в разы более реалистичной и кинематографичной.

Как работает трассировка лучей (DXR) в играх? На самом деле, немного по-хитрому. Трассирование лучей не предполагает применение на всю сцену, которая в теории может быть невероятно огромна. Поэтому здесь используется гибридный метод классических технологий освещения и непосредственно трассировки. Но когда рейтрейсинг активен, то отрабатывает он честно, выдавая шикарные эффекты отражений, теней и освещения. Также нельзя забывать, что графические настройки игры (низкие – средние – высокие – ультра) регулируют число проходов трассировщика и выбирают, где использовать обычные методы, а где DXR. Ну, и наконец, применяется такой прием, как сегментирование изображения. Он определяет, где нужно участие RT-ядер в обработке кадра. От этого зависит практически все, начиная от плотности лучей, заканчивая дальностью прорисовки отражений.

К слову, количество вышеупомянутых RT-ядер в видеокарте определяет производительность в играх при включенной трассировке. Логично, что RTX 2060, самая младшая видеокарта в линейке GeForce RTX, оснащена меньшим количеством RT-ядер, чем, например, RTX 2080, поэтому её производительность при включенной трассировке на тех же настройках и разрешении монитора заметно ниже. «Сгладить» этот момент призвана новая технология сглаживания NVIDIA DLSS, при включении которой можно повысить заветный fps (количество кадров в секунду).

Технология суперсэмплинга DLSS на основе машинного обучения

DLSS – это технология суперсэмплинга (сглаживания), которая работает и обучается при помощи нейросетей. Если и сейчас непонятно, то ничего страшного. Здесь всё очень просто. DLSS – это, по сути, самое обычное сглаживание краев на игровых объектах, но если обычное сглаживание использует мощности GPU (графического чипа) видеокарты, то для работы DLSS, NVIDIA выделила отдельный тензорный блок в чипе, оптимизированный для работы нейросетями. И чем больше данных доступно ИИ, тем лучше его производительность и результат в сглаживании. Разумеется, включение DLSS значительно уменьшает нагрузку с GPU видеокарты, поэтому он наиболее эффективен в играх на разрешении 4К, где обычное сглаживание потребляет невероятно много ресурсов видеочипа. Плюс, глубокое обучение нейросетей DLSS позволяет со временем еще больше увеличить производительность в играх, как при включенной трассировке лучей, так и без неё.

GeForce RTX SUPER – еще более производительная трассировка лучей в играх!

Недавно NVIDIA представила и выпустила на рынок новые видеокарты RTX с приставкой «SUPER» в названии. Обновление получили три модели – RTX 2060, RTX 2070 и RTX 2080. Все refresh-версии отличаются от «стандартных» более мощным графическим процессором, а также увеличенным количеством RT-ядер для обработки трассировки лучей. Всё это помогло увеличить производительность в играх в среднем на 15%, а в некоторых играх прирост доходит вплоть до 24%.

По всей видимости, NVIDIA, выпуская на рынок обычные GeForce RTX оставили скрытый запас мощности, который как раз-таки и пригодился для того, чтобы спустя определенное время полностью раскрыть видеокарты линейки RTX. К слову, компании AMD, главным конкурентам NVIDIA на рынке игровых видеокарт, не чем ответить на видеокарты GeForce RTX. NVIDIA первой удалось внедрить рейтрейсинг в массы, в то время как AMD только-только изучает возможности данной технологии. Именно поэтому игровые решения «красных» без поддержки RTX стоят дешевле, чем карты «зеленых», которые наделены тензорными RT-ядрами.

Подробнее об RTX SUPER

Главные проблемы рейтрейсинга в играх

«Ок, рейтрейсинг – это круто! Но неужели всё так гладко?» — резонно скажете Вы. Да, действительно, трассировка лучей – важная составляющая графики в играх. Она выводит качество картинки на совершенно новый уровень, добавляет кинематографичности для создания насыщенных визуальных эффектов, о которых раньше никто и мечтать не мог. Но всё-таки у рейтрейсинга есть несколько глобальных проблем:

Очень большая «нагрузка» на производительность.

Не так много игр с поддержкой трассировки лучей RTX

Рейтрейсинг, как мы уже упоминали ранее, требует больших вычислительных мощностей. Даже оптимизированные специально под эту задачу видеокарты GeForce RTX не всегда справляются с трассировкой в играх, особенно на высоких разрешениях. Разумеется, NVIDIA совместно с разработчиками игр регулярно выпускает обновления драйверов, улучшающих работу рейтрейсинга, но порой даже самая мощная видеокарта в линейке, RTX 2080 Ti, не всегда справляется с нагрузкой при включенном RTX, в 4К-разрешении и на максимальных графических настройках.

«Но там, где стол был яств, там гроб стоит» — если первая проблема решается усердной работой над оптимизацией игр, то вторая проблема куда более глобальная – на сегодняшний день существует не так много игр с полной
реализацией рейтрейсинга. Мы специально подчеркнули слово «полной» т.к. на сегодня есть всего пара игр, где трассировка лучей представлена по максимуму. Остальным повезло чуть меньше. К примеру, в Battlefield V реализованы только отражения и эффекты преломления, в Shadow of the Tomb Raider есть только реалистичные тени, обрабатывающиеся по технологии RTX, а в Metro: Exodus – глобальное освещение и затенение.

Та самые игры, где рейтрейсинг представлен полностью и во всей красе – Control и Quake II RTX, которую разработчики выпустили совместно с NVIDIA. И если с Control всё более-менее ясно, ведь это относительно недавняя новинка, то с Quake II RTX ситуация интереснее. В значительно улучшенном переиздании легендарной классики, были обновлены не только текстуры и перерисованы все модели (не без помощи пользовательских модификаций), со стороны трассировки здесь есть и реалистичные отражения, и преломления, и тени с глобальным освещением. Т.е. полный набор, какой и должен быть по умолчанию во всех играх с поддержкой рейтрейсинга. К сожалению, сейчас количество игр, оснащенных трассировкой лучей можно пересчитать по пальцам одной руки, разумеется, если не учитывать технодемки, созданные исключительно для демонстрации технологии публике.

Будущее трассировки лучей и какие игры будут поддерживать рейтрейсинг?

Что ждет рейтрейсинг в будущем и какие у него перспективы? На самом деле, кто бы что ни говорил про трассировку, и в частности, про видеокарты GeForce RTX, будущее у этой технологии определенно есть. Для примера, достаточно вспомнить аналогичную ситуацию, когда был релиз DirectX 10. Многие утверждали, что и на DX9 неплохо «живется», а все эти новинки от лукавого, но двигатель прогресса не остановить. Сейчас это происходит и с DXR. Как говорится, «Назад пути нет», а количество игр с поддержкой рейтрейсинга будет только увеличиваться.

Анонсы главной игровой выставки года E3 2019 показали, что сейчас и в последующих годах количество игр будет неустанно увеличиваться. Среди самых ожидаемых проектов с поддержкой DXR числятся: Cyberpunk 2077, Call of Duty: Modern Warfare, Watch Dogs: Legion, Bloodlines 2 и Wolfenstein: Young Blood (игра уже вышла, но поддержку трассировки в неё добавят чуть позже). Среди проектов меньшего масштаба: Final Fantasy XV, PUBG, Remnant: From the Ashers, Serious Sam 4, We Happy Few, Atomic Hearth, Ark: Survival Evolved, Dauntless, MechWarrior V и др.

Quake II RTX также показал, что трассировка при возрождении классики имеет место быть, но мы бы не сильно надеялись на то, что разработчики массово побегут перевыпускать классические проекты, прикручивая к ним DXR. Всё-таки помимо рейтрейсинга, такие игры требуют куда большего обновления. Мы сейчас про графическую составляющую, где нужно полностью перерабатывать текстуры и модели. Эта работа по большей части «ручная» и требует достаточно много сил и времени. А вот, что действительно делается уже сейчас, так это пользовательские модификации для популярных игр, куда скажем так, «прикручивается» симуляция трассировки лучей. Моддеры и энтузиасты проделывают огромную работу. Взять, например, The Witcher 3: Wild Hunt и GTA 5, которые с помощью DXR и множества модов преобразились настолько, что от игр остался только костяк — геймплей, да сюжет.

Среди проектов, которые попали под улучшения и обновления моддеров: Star Wars: Battlefront 2, Dying Light, Portal 1+2, Bioshok 2 Remastered, Star Wars: The Force Unleashed 2, TES 5: Skyrim, Watch Dogs, Fallout 4, A Plague Tale, Crysis и др.

Возвращаясь к вопросу про будущее рейтрейсинга, технология уже показала, на что она способна в «правильных» руках, поэтому нам остается ждать большего количества игр с трассировкой лучей, чтобы сборка ПК на видеокартах GeForce RTX оправдывала себя целиком и полностью, а не стандартным 20-25 % — ым приростом производительности, которое наблюдается при релизе нового поколения видеокарт.

Собрать игровой компьютер на базе GeForce RTX или GeForce RTX SUPER, Вы можете в нашем конфигураторе игрового ПК:

ПЕРЕЙТИ В КОНФИГУРАТОР

Источник: arsplus.ru