Τι είναι το Ray Tracing;

Από την ανακοίνωση της Nvidia το 2018 για τις κάρτες γραφικών RTX της σειράς 20, το χαρακτηριστικό γνώρισμά της, το "ray tracing" είναι ένας δημοφιλής όρος στους κύκλους των βιντεοπαιχνιδιών. Αλλά μπορεί να είναι δύσκολο να καταλάβουμε τι είναι η ανίχνευση ακτίνων, πώς λειτουργεί και γιατί φαίνεται καλύτερα από προηγούμενες τεχνικές.

Τι είναι η ανίχνευση ακτίνων και πώς λειτουργεί;

Στον πραγματικό κόσμο, όταν βλέπετε κάτι, αυτό που βλέπετε είναι ένα φωτόνιο από μια πηγή φωτός. Στο δρόμο προς εσάς, αυτό το φωτόνιο μπορεί να έχει ανακλαστεί από μία ή περισσότερες επιφάνειες. Κάθε αντανάκλαση αλλάζει τα χαρακτηριστικά του φωτός που φτάνει στα μάτια σας.

Ο ήλιος εκπέμπει ένα ευρύ φάσμα χρωμάτων φωτός, κάθε επιφάνεια απορροφά λίγο φως και αντανακλά άλλα. Αυτό που βλέπουμε ως πράσινη επιφάνεια, όπως ένα φύλλο, φαίνεται έτσι γιατί αντανακλά κυρίως το πράσινο φως. Εάν το φως που αντανακλάται από το φύλλο χτυπήσει μια άλλη επιφάνεια, όπως έναν λευκό τοίχο, τότε αυτή η επιφάνεια θα φαίνεται ελαφρώς διαφορετική από ό,τι θα ήταν αν ήταν ένα καθαρό λευκό φως που έλαμπε πάνω της. Κάθε αντανάκλαση επηρεάζει κάθε μελλοντική επιφάνεια με την οποία αλληλεπιδρά το φως, αλλάζοντας την έντασή της και το ορατό χρώμα.

Το Ray Tracing είναι μια γραφική τεχνική που ακολουθεί τις ίδιες αρχές. Ακτίνες φωτός προβάλλονται, υπολογίζονται οι ιδιότητες του ανακλώμενου και διαθλούμενου φωτός, όπως το χρώμα, και η ακτίνα συνεχίζει να ταξιδεύει.

Στον πραγματικό κόσμο, κάθε πηγή φωτός, όπως ένας λαμπτήρας ή ο Ήλιος, εκπέμπει φωτόνια προς όλες τις κατευθύνσεις, η συντριπτική πλειοψηφία των οποίων δεν φτάνει ποτέ στα μάτια σας. Η προσομοίωση αυτού θα ήταν μια τρελά εντατική διαδικασία που παράγει ένα ως επί το πλείστον χαμένο αποτέλεσμα. Για να μειωθεί ο φόρτος εργασίας, η ανίχνευση ακτίνων λειτουργεί αντίστροφα, προβάλλοντας ακτίνες από την κάμερα. Κάθε ακτίνα επιτρέπεται να διανύσει μια ορισμένη απόσταση χωρίς ανάκλαση ή να ανακλά ορισμένες φορές προτού πραγματοποιηθούν οι υπολογισμοί και οριστεί η τιμή του εικονοστοιχείου.

Για παράδειγμα, μια ακτίνα εκπέμπεται από την οπτική γωνία του θεατή, όταν προσκρούει σε έναν λευκό τοίχο, ένας αλγόριθμος δημιουργεί αναδρομικά μια ανακλώμενη ακτίνα η οποία στη συνέχεια ταξιδεύει μέσα από ένα τζάμι από μπλε γυαλί, τελικά, η ανακλώμενη ακτίνα προσπίπτει σε μια πηγή λευκού φωτός και απορροφάται. Το μπλε γυαλί απορροφά όλο το φως εκτός από το μπλε, το οποίο ρίχνει ένα μπλε φως στον τοίχο, με αποτέλεσμα το pixel να είναι μπλε.

Γιατί το Ray Tracing φαίνεται πολύ καλύτερο;

Η τυπική μέθοδος απόδοσης σκηνών σε πραγματικό χρόνο περιλαμβάνει τη χρήση προυπολογισμένων χαρτών φωτός και ολόκληρου του φωτισμού σκηνής. Ορισμένα παιχνίδια χρησιμοποιούν περιορισμένο ογκομετρικό φωτισμό για να περιλαμβάνουν κινούμενες πηγές φωτός και να επιτρέπουν δυναμικές σκιές, αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται με φειδώ, αν και είναι αρκετά απαιτητική σε επεξεργαστή.

Η ανίχνευση ακτίνων μπορεί να επιτύχει ένα φωτορεαλιστικό αποτέλεσμα εάν γίνει κάποια επιπλέον εργασία στο στάδιο του σχεδιασμού του παιχνιδιού. Εάν όλες οι επιφάνειες περιλαμβάνουν λεπτομέρειες όπως η ανακλαστικότητα, η διαφάνεια και ο τρόπος με τον οποίο το φως θα διαθλαστεί μέσω αυτών, το συνολικό αποτέλεσμα μπορεί να φαίνεται πιο φυσικό. Ενώ αυτή η προσέγγιση προφανώς απαιτεί περισσότερη δουλειά στο στάδιο του σχεδιασμού του παιχνιδιού, επιτρέπει στο αποτέλεσμα να φαίνεται φωτορεαλιστικό με το φως να αντιδρά όπως θα έπρεπε όταν αντανακλάται από σκυρόδεμα, μέταλλο, ξύλο και γυαλί κ.λπ.

Η ανίχνευση ακτίνων επιτρέπει τη δημιουργία ακριβών αντανακλάσεων και σκιών ως μέρος της διαδικασίας απόδοσης. στις παραδοσιακές μεθόδους απόδοσης, και τα δύο αυτά εφέ είναι εντελώς προαιρετικά και μπορούν να προκαλέσουν σημαντικά χτυπήματα απόδοσης.

Το ίδιο το Ray Tracing έρχεται με ένα τεράστιο χτύπημα απόδοσης. Μέχρι να ανακοινωθούν οι κάρτες γραφικών RTX της Nvidia με επιτάχυνση υλικού για ανίχνευση ακτίνων, πιστευόταν ότι η απαραίτητη επεξεργαστική ισχύς για την εκτέλεση ανίχνευσης ακτίνων σε πραγματικό χρόνο σε λογισμικό απείχε περισσότερο από μια δεκαετία. Ακόμη και με την επιτάχυνση υλικού, η ανίχνευση ακτίνων εξακολουθεί να προκαλεί σημαντική μείωση στην απόδοση καθώς εξακολουθεί να είναι το πιο αργό μέρος της απόδοσης ενός πλαισίου.