Kaj je sledenje žarkov?

Odkar je Nvidia leta 2018 objavila svoje grafične kartice serije 20 RTX, je bila njena ubijalska funkcija "sledenje žarkom" priljubljen izraz v krogih video iger. Vendar je lahko težko razumeti, kaj je sledenje žarkov, kako deluje in zakaj je videti bolje kot prejšnje tehnike.

Kaj je sledenje žarkov in kako deluje?

V resničnem svetu, ko nekaj vidite, je to, kar vidite, foton iz vira svetlobe. Na poti do vas se je ta foton morda odbil od ene ali več površin. Vsak odsev spremeni značilnosti svetlobe, ki doseže vaše oči.

Sonce oddaja široko paleto barv svetlobe, vsaka površina absorbira nekaj svetlobe in odbija drugo. Kar vidimo kot zeleno površino, kot je list, se zdi tako, ker odbija večinoma zeleno svetlobo. Če svetloba, ki se odbija od lista, zadene drugo površino, na primer belo steno, bo ta površina videti nekoliko drugače, kot bi bila, če bi nanjo sijala čista bela svetloba. Vsak odsev vpliva na vsako prihodnjo površino, s katero svetloba deluje, spreminja njeno intenzivnost in vidno barvo.

Sledenje žarkom je grafična tehnika, ki sledi istim načelom. Svetlobni žarki se projicirajo, izračunajo se lastnosti odbite in lomljene svetlobe, kot je barva, in žarek nadaljuje potovanje.

V resničnem svetu vsak vir svetlobe, kot je žarnica ali sonce, oddaja fotone v vse smeri, od katerih velika večina nikoli ne doseže vaših oči. Simulacija tega bi bila noro intenziven proces, ki povzroči večinoma zapravljen rezultat. Da bi zmanjšali delovno obremenitev, sledenje žarkov deluje v obratni smeri in projicira žarke iz kamere. Vsakemu žarku je dovoljeno, da prepotuje določeno razdaljo brez odboja ali odseva določeno število krat, preden se izvedejo izračuni in nastavi vrednost slikovnih pik.

Na primer, žarek se odda iz gledalčeve perspektive, ko zadene belo steno, algoritem rekurzivno generira odbit žarek, ki nato potuje skozi ploščo iz modrega stekla, končno pa odbit žarek zadene vir bele svetlobe in se absorbira. Modro steklo absorbira vso svetlobo razen modre, ki oddaja modro svetlobo na steno, zaradi česar je piksel modro obarvan.

Zakaj je Ray Tracing videti toliko bolje?

Standardna metoda upodabljanja prizorov v realnem času vključuje uporabo vnaprej izračunanih zemljevidov svetlobe in osvetlitve celotne scene. Nekatere igre uporabljajo omejeno volumetrično osvetlitev, ki vključuje premikajoče se vire svetlobe in omogoča dinamične sence, vendar se ta tehnika uporablja zmerno, čeprav je precej procesorsko intenzivna.

Sledenje žarkom lahko doseže fotorealističen rezultat, če se v fazi načrtovanja igre opravi nekaj dodatnega dela. Če vse površine vključujejo podrobnosti, kot so odbojnost, prosojnost in kako se bo svetloba lomila skozi njih, je lahko celoten rezultat videti bolj naraven. Čeprav ta pristop očitno vključuje več dela v fazi oblikovanja igre, omogoča, da je rezultat videti fotorealističen s svetlobo, ki reagira tako, kot bi morala, ko se odbije od betona, kovine, lesa, stekla itd.

Sledenje žarkom omogoča natančne odseve in sence kot del postopka upodabljanja. pri tradicionalnih metodah upodabljanja sta oba učinka povsem neobvezna in lahko povzročita znatne zadetke učinkovitosti.

Samo sledenje žarkov ima velik uspeh. Dokler niso bile objavljene grafične kartice Nvidia RTX s strojnim pospeševanjem za sledenje žarkom, je veljalo, da je potrebna procesorska moč za izvajanje sledenja žarkom v realnem času v programski opremi več kot desetletje. Tudi s pospeševanjem strojne opreme sledenje žarkom še vedno povzroči znatno zmanjšanje zmogljivosti, saj je še vedno najpočasnejši del upodabljanja okvirja.