Все больше и больше игр осваивают трассировку лучей. Новые игровые приставки PS5 и Xbox Series X / S, а также видеокарты серии Nvidia RTX и AMD Radeon RX 6000 могут продемонстрировать впечатляющие эффекты. Мы заглянем за кулисы и объясним, как работает трассировка лучей.
Что такое трассировка лучей?
Трассировка лучей в компьютерной 3D-графике обеспечивает реалистичное освещение объектов и игрового мира в реальном времени. Метод определяет, как объект, на который распространяется свет, должен быть освещен, какую тень он должен отбрасывать и какого цвета он должен быть, когда игрок смотрит на него. Когда игрок проходит уровень, эффект воздействия света на объекты изменяется в соответствии с его перспективой. Отражение, тень, оттенок выглядят по–другому — точно так же, как в реальной жизни.
Трассировка лучей требует высокой вычислительной мощности и поэтому в большинстве случаев используется выборочно – например, только для теней или исключительно для отражений. Эффект помогает сделать игровые миры более реалистичными. Поскольку освещение играет важную роль в формировании внешнего вида игровых миров, трассировка лучей может в корне изменить внешний вид игр.
Вот как работает трассировка лучей
Трассировка лучей используется для геометрических лучей (по-английски «лучи») для определения эффекта падающего света. Луч — это полупрямая, то есть прямая линия, ограниченная с одной стороны и уходящая в бесконечность с другой. Игрок не может видеть лучи трассировки лучей, это всего лишь математическая вычислительная операция. С точки зрения виртуальной камеры лучи направляются в игровой мир и попадают на объекты.
Трассировка лучей излучает лучи с виртуальной камеры.
Затем лучи от объектов направляются дальше к источнику света, такому как лампа. С помощью лучей можно почти наоборот проследить, как свет распространяется в виртуальном пространстве. Видеокарта рассчитывает, какого цвета должны быть пиксели объекта, освещаемые светом, и как должны выглядеть его освещение и отбрасываемые тени, на основе информации, получаемой от лучей. В результате получается реалистично освещенный объект, такой как ваза, ящик или винтовка.
По сравнению с большинством других методов расчета, таких как отражение пространства экрана, трассировка лучей также позволяет рассчитать эффект, который источник света, невидимый в данный момент игроком, оказывает на сцену. Точно так же лампы на полу отражаются, когда ты на них не смотришь, и в окне ты видишь отражение врагов, скрывающихся за углом. На следующих скриншотах вы увидите трассировку лучей по сравнению с отражениями в пространстве экрана из обзора «Crysis Remastered».
Растеризация и трассировка лучей
Рендеринг по своей сути означает создание готового изображения из необработанных данных. Для компьютерных игр создаются виртуальные пространственные модели, известные каркасные модели. Разработчики также предоставляют дополнительную информацию.
Затем видеокарта выполняет «рендеринг», создание 2D-изображений из таких необработанных 3D-данных. Во время игры на мониторе мы видим быстро сменяющие друг друга 2D-изображения, которые, как и в случае с планшетом для большого пальца, имитируют движение. «Частота кадров в секунду», «Количество кадров в секунду», описывает количество кадров, отображаемых в секунду.
Рендеринг определяет, какие объекты может видеть виртуальный зритель, как выглядят поверхности на основе их свойств материала и прямого попадания света («затенение»), а также то, как свет распространяется и оказывает косвенное влияние на сцену. Существует два принципиально разных метода рендеринга: растеризация и трассировка лучей.
Растеризация — это процесс расчета того, как каждый треугольник 3D-многоугольников должен быть представлен на 2D-дисплее.
Объекты и поверхности в игровых мирах состоят из крошечных многоугольников, то есть многоугольников, состоящих из треугольников. При растеризации видеокарта вычисляет, как каждый треугольник из каждого многоугольника должен отображаться на мониторе или телевизоре. Таким образом, создается 2D-представление 3D-объектов.
Тени и отражения – непрямой свет – при растрировании можно имитировать только с помощью трюков. Самый важный трюк — это карты теней. При этом сцена просматривается с точки зрения источника света и определяется, виден ли пиксель с его точки зрения. Если он не виден, пиксель будет окрашен в темный цвет – он будет затенен.
При трассировке лучей (здесь используется вариант трассировки по траектории) лучи отражаются от нескольких поверхностей и объектов.
С другой стороны, при трассировке лучей лучи попадают в комнату с виртуальной камеры и отражаются от различных объектов и поверхностей, пока не достигнут источника света. При этом они собирают информацию о воздействии света. В действительности свет точно так же отражается от различных поверхностей и объектов. Какой эффект это оказывает на восприятие, также зависит от положения зрителя в комнате. Это делает трассировку лучей гораздо более точным методом имитации теней и отражений.
Трассировка лучей в фильмах: миф и правда
Трассировка лучей уже использовалась в компьютерных анимационных отрывках из некоторых фильмов, но, вопреки мифу, этот эффект является скорее исключением, чем правилом. Фильмы обычно имеют 3D-компьютерную графику с использованием алгоритма синтеза изображений Рейеса, который даже специально разработан, чтобы избежать дорогостоящей вычислительной трассировки лучей.
Фильмы используют те же приемы, что и компьютерные игры, чтобы рассчитать свет, тени и отражения без трассировки лучей, если это возможно. Хотя это правда, что для расчета 3D-графики фильмов требуется больше времени, чем для игр, поскольку некоторые игры требуют вычисления графики в режиме реального времени. Но если создатели спецэффектов для фильмов могут добиться такого же хорошего результата без трассировки лучей, то они с радостью откажутся от этого эффекта. Время вычислений — это деньги.
Основным программным обеспечением для компьютерной графики для кинофильмов является Pixar’s RenderMan, оно было оснащено возможностями трассировки лучей только для фильма «Автомобили» в 2006 году. Об этом сами создатели пишут в исследовательской работе. «Раньше мы обычно не использовали трассировку лучей», — подтвердил Крис Хорн, который был техническим директором Pixar, в интервью This Animated Life в 2013 году.
«Историю игрушек» 1995 года часто называют фильмом, в котором впервые использовалась трассировка лучей. Однако, по словам Криса Хорна, это «не было обычной трассировкой лучей», и в остальном Pixar в лучшем случае время от времени использовала эту технологию для создания контактных теней. Трассировка лучей широко использовалась только в «Университете монстров» 2013 года.
Однако в неожиданном месте трассировка лучей используется по умолчанию: в каталогах IKEA. Об этом пишет на Quora Жакко Биккер, доцент кафедры компьютерной графики в Утрехтском университете. ИКЕА более подробно рассматривает производство 3D-моделей на Architizer. Комнат в каталогах, которые обставлены мебелью ИКЕА, на самом деле не существует, они представляют собой 3D-графику.
Трассировка лучей отвечает за то, чтобы освещение в помещении в каталогах ИКЕА выглядело как можно более естественным. В связи с недавно объявленным прекращением выпуска каталогов, из которых tagesschau.de как сообщается, принцип не меняется. Красивые изображения квартир с компьютерной графикой по-прежнему могут стимулировать покупку на веб-сайте IKEA.
Эффекты трассировки лучей
Трассировка лучей всегда связана с освещением, отражениями и тенями. Например, в научно-фантастической ролевой игре «Киберпанк 2077» и экшене «Контроль» используется сразу несколько эффектов трассировки лучей.
«Киберпанк 2077» использует, например, рассеянное освещение с трассировкой лучей: он имитирует окружающий свет от различных источников света, таких как луна и неоновые рекламные щиты, которые освещают улицы. С помощью трассировки лучей отражаются даже источники света, которые игрок в данный момент не видит, например, удаленная неоновая вывеска на полу.
Покрытие окружающей среды с трассировкой лучей означает, что объекты и поверхности в помещении могут быть затемнены различными способами – в зависимости от того, насколько сильно они подвергаются воздействию окружающего света. В результате они более органично вписываются в окружающую среду и не действуют как посторонние предметы.
Наконец, в «Киберпанке 2077» по-прежнему используются тени с трассировкой лучей, которые учитывают такие факторы, как уровень освещенности, рассеяние и текстура материала.
В экшн-игре «Control» от создателей «Алана Уэйка» от Remedy используются эти эффекты трассировки лучей:
- Отражение с трассировкой лучей: отражение на непрозрачных поверхностях, таких как пол.
- Прозрачные отражения с трассировкой лучей: окружающая среда отражается в окнах, которые в то же время являются прозрачными.
- Освещение с непрямой трассировкой лучей: реалистичное освещение окружающей среды в подходящих цветах.
- Контактные тени с трассировкой лучей: тени от маленьких и тонких объектов, таких как ручки и заборы.
- Мусор с трассировкой лучей: мусор отбрасывает тени и отражается на поверхностях.
Это то, что вам нужно для трассировки лучей
Чтобы использовать трассировку лучей, вам понадобятся две вещи: подходящее оборудование и совместимые игры. Теоретически вы уже можете попробовать трассировку лучей на видеокартах Nvidia GTX, но для повышения производительности мы рекомендуем видеокарты RTX 20-го и 30-го поколений более нового поколения.
Видеокарты AMD поколения RX-6000 обеспечивают производительность трассировки лучей примерно на том же уровне, что и видеокарты серии RTX-20. Самой мощной картой является Radeon RX 6900 XT, за ней следуют RX 6800 XT и RX 6800. К сожалению, у AMD пока нет аналога расширенного DLSS от Nvidia, который мог бы значительно снизить потери производительности из-за трассировки лучей. Предполагается, что этот проект находится в стадии разработки.
Игровые приставки Xbox Series X и PS5 также могут отображать трассировку лучей, хотя и с большими компромиссами, чем новые видеокарты Nvidia. Но они, несомненно, помогут в дальнейшем распространении этой функции.
В противном случае вам больше ничего не понадобится для трассировки лучей, то есть никаких специальных мониторов или кабелей.
Экскурс: трассировка лучей в древности
В древние времена многие мыслители считали, что человеческое зрение будет работать в том же направлении, что и трассировка лучей: от глаза к окружающей среде. Эмпедокл (495-435 до н.э.), Платон (428-348 до н.э.), Евклид (3 век до н.э.), Птолемей (100-160 н.э.) и врач Гален (128-216 н.э.) Считали, что глаз испускает зрительный луч…. [ необходима цитата ] В то время как другие ученые считали, что глаз испускает зрительный луч, в то время как другие считали, что глаз испускает зрительный луч. Таким образом, наш самый важный орган чувств был бы своего рода сканером, который сканирует окружающую среду. На самом деле, конечно, со зрением все обстоит как раз наоборот: свет, отраженный от предметов, попадает в наш глаз.
Согласно древнему представлению, глаз испускает горячие зрительные лучи. Они сталкиваются с холодными объектами и отталкиваются от них. Но не волнуйтесь: визуальные лучи не представлялись такими опасными, как лазерное зрение Супермена. По словам греческого философа Эмпедокла, зрительные лучи — это магический огонь богини любви Афродиты, который не причиняет вреда. Свет тянется вокруг, как щупальца, и то, к чему он прикасается, можно увидеть.
Вот как канал YouTube Tech Quickie иллюстрирует трассировку лучей – это не случайно напоминает визуальные лучи.
Сегодня древняя концепция все еще влияет на наше восприятие того, как работает зрение, хотя и скорее психологически, чем физически. Таким образом, мы говорим, что кто-то «смотрит на что-то», как будто взгляд исходит от этого человека. Друзья «обменялись бы взглядом». Мы «смотрим в окно», несмотря на то, что свет попадает в наши глаза с другой стороны, и ни в коем случае наш зрительный луч не проникает в окно. Или, что еще более очевидно, когда на нас смотрят «пронзительным взглядом» – и не в последнюю очередь, когда кто-то смотрит на нас «горячим взглядом». Возможно, богиня любви Афродита имеет к этому какое-то отношение.
«Assassin’s Creed Odyssey» с трассировкой лучей, дополненной модификацией
Платону пришло в голову, что это не может быть так просто. Он считал, что лучи света исходят и от воспринимаемых объектов – в противном случае мы могли бы использовать наши зрительные лучи, чтобы видеть даже в темноте. Но только арабский исследователь Альхазен (965-1040 годы нашей эры) опроверг теорию зрительных лучей с помощью оптических экспериментов и доказал, что зрение связано со светом, который попадает в глаз. Современное понимание человеческого зрения было разработано Иоганном Кеплером в 17 веке. Он сочетал анатомические познания с оптическими законами.
С помощью трассировки лучей зрительный луч возвращается сегодня – идея в этом отношении была не совсем напрасной.
