ردیابی پرتو چیست و چگونه بازی ها را تغییر می دهد؟

ردیابی پرتو یک تکنیک نورپردازی است که سطح بیشتری از واقع گرایی را به بازی ها می آورد. این روش نحوه انعکاس و شکست نور را در دنیای واقعی شبیه‌سازی می‌کند و محیطی باورپذیرتر از آنچه که معمولاً با استفاده از نور ثابت در بازی‌های سنتی‌تر دیده می‌شود، فراهم می‌کند. اما دقیقاً ردیابی پرتو چیست؟ و مهمتر از آن، چگونه کار می کند؟

یک کارت گرافیک خوب می تواند از ردیابی اشعه برای بهبود غوطه وری استفاده کند، اما همه پردازنده های گرافیکی نمی توانند از این تکنیک استفاده کنند. برای تصمیم گیری در مورد اینکه آیا ردیابی پرتو برای تجربه بازی شما ضروری است و آیا هزینه صدها دلار برای یک GPU ارتقا یافته را توجیه می کند، بخوانید.

فوتون های مجازی

برای درک دقیق نحوه عملکرد سیستم نورپردازی ردیابی پرتوهای انقلابی، باید به عقب برگردیم و درک کنیم که بازی‌های قبلی چگونه نور را به تصویر می‌کشند، و چه چیزی را باید برای یک تجربه واقعی واقعی تقلید کرد.

بازی‌های بدون ردیابی پرتو به نورپردازی استاتیک “پخته شده در” متکی هستند. توسعه دهندگان منابع نور را در محیطی قرار می دهند که در هر نمای مشخصی نور را به طور یکنواخت ساطع می کند. علاوه بر این، مدل‌های مجازی مانند NPCها و اشیاء حاوی هیچ اطلاعاتی در مورد هیچ مدل دیگری نیستند و به GPU نیاز دارند تا رفتار نور را در طول فرآیند رندر محاسبه کند. بافت های سطحی می توانند نور را برای تقلید یک درخشش منعکس کنند، اما فقط نوری که از یک منبع ساکن ساطع می شود. مقایسه بازتاب را در نظر بگیرید GTA V در زیر به عنوان نمونه

به طور کلی، تکامل GPU در طول سال‌ها به واقعی‌تر شدن این فرآیند در ظاهر کمک کرده است، اما بازی‌ها هنوز از نظر انعکاس‌های دنیای واقعی، انکسارها و نور عمومی واقعی نیستند. برای رسیدن به این هدف، GPU به توانایی ردیابی پرتوهای مجازی نور نیاز دارد.

در دنیای واقعی، نور مرئی بخش کوچکی از گروه پرتوهای الکترومغناطیسی است که توسط چشم انسان درک می شود. حاوی فوتون هایی است که هم به صورت ذره و هم به صورت موج رفتار می کنند. فوتون ها اندازه یا شکل واقعی ندارند – آنها فقط می توانند ایجاد یا نابود شوند.

با این حال، نور را می توان به عنوان جریانی از فوتون ها شناسایی کرد. هر چه فوتون های بیشتری داشته باشید، نور درک شده روشن تر است. انعکاس زمانی اتفاق می افتد که فوتون ها از سطحی پرش می کنند. شکست زمانی اتفاق می‌افتد که فوتون‌ها – که در یک خط مستقیم حرکت می‌کنند – از یک ماده شفاف عبور می‌کنند و خط تغییر جهت داده یا خم می‌شود. فوتون های نابود شده را می توان به عنوان “جذب” در نظر گرفت.

ردیابی پرتو در بازی ها سعی می کند نحوه عملکرد نور را در دنیای واقعی تقلید کند. با ردیابی میلیون ها فوتون مجازی، مسیر نور شبیه سازی شده را ردیابی می کند. هر چه نور روشن‌تر باشد، GPU باید فوتون‌های مجازی بیشتری را محاسبه کند و سطوح بیشتری را منعکس، شکست و پراکنده می‌کند.

روند چیز جدیدی نیست. CGI برای دهه‌ها از ردیابی پرتو استفاده می‌کرد، اگرچه این فرآیند در روزهای اولیه برای تولید یک فیلم کامل نیاز به مزارع رایانه داشت، با توجه به اینکه نمایش یک فریم ممکن است ساعت‌ها یا حتی روزها طول بکشد. رایانه‌های خانگی اکنون می‌توانند با استفاده از شتاب سخت‌افزاری و ترفندهای روشنایی هوشمندانه، از گرافیک‌های ردیابی پرتوهای بلادرنگ تقلید کنند تا تعداد پرتوها را به تعداد قابل کنترل محدود کنند.

در اینجا جذابیت واقعی وجود دارد: مانند هر فیلم یا برنامه تلویزیونی، صحنه های انیمیشن CGI معمولاً از زوایای مختلف “عکسبرداری” می شوند. برای هر عکس، می‌توانید یک دوربین را حرکت دهید تا از عمل عکس بگیرید، بزرگ‌نمایی کنید، کوچک‌نمایی کنید، یا کل منطقه را حرکت دهید. و مانند انیمیشن، باید همه چیز را فریم به فریم دستکاری کنید تا حرکت را شبیه سازی کنید. همه فریم ها را کنار هم قرار دهید و یک داستان روان خواهید داشت.

در بازی‌ها، شما یک دوربین تکی را کنترل می‌کنید که همیشه در حال حرکت است و همیشه دیدگاه‌ها را تغییر می‌دهد، مخصوصاً در بازی‌های سریع. هم در بازی‌های CGI و هم در بازی‌های ردیابی پرتو، GPU نه تنها باید نحوه انعکاس و شکست نور را در هر صحنه مشخصی محاسبه کند، بلکه باید نحوه ثبت آن توسط لنز را نیز محاسبه کند – دیدگاه شما. برای بازی ها، این مقدار زیادی از قدرت محاسباتی برای یک رایانه شخصی یا کنسول است.

متأسفانه، ما هنوز رایانه های شخصی در سطح مصرف کننده نداریم که بتواند گرافیک های ردیابی پرتو را با نرخ فریم بالا ارائه دهد. در عوض، ما اکنون سخت افزاری داریم که می تواند به طور موثر تقلب کند.

بیایید واقعی باشیم

شباهت اساسی Ray Tracing به زندگی واقعی آن را به یک تکنیک رندر سه بعدی بسیار واقع گرایانه تبدیل می کند، حتی ساخت بازی های بلوکی مانند ماین کرافت آنها در شرایط مناسب تقریباً واقعی به نظر می رسند. فقط یک مشکل وجود دارد: شبیه سازی آن بسیار دشوار است. بازآفرینی روشی که نور در دنیای واقعی کار می‌کند، پیچیده و منابع فشرده است و به قدرت محاسباتی عظیمی نیاز دارد.

به همین دلیل است که گزینه‌های ردیابی پرتوهای موجود در بازی‌ها، مانند ردیابی پرتوی ارائه‌شده توسط RTX انویدیا، واقعی نیستند. آنها ردیابی پرتو واقعی نیستند که در آن هر نقطه نور شبیه سازی شده است. در عوض، GPU با استفاده از چند تقریب هوشمند برای ارائه چیزی نزدیک به همان جلوه بصری، اما بدون اعمال مالیات بر سخت افزار، «تقلب» می کند.

اکثر بازی‌های ردیابی پرتو اکنون از ترکیبی از تکنیک‌های نورپردازی سنتی، که معمولاً شطرنجی‌سازی نامیده می‌شود، و ردیابی پرتو بر روی سطوح خاص مانند گودال‌های بازتابنده و سازه‌های فلزی استفاده می‌کنند. بتلفیلد V یک مثال عالی از این است. انعکاس نیروها در آب، انعکاس زمین هواپیماها و انعکاس انفجارها روی رنگ ماشین را می بینید. نمایش بازتاب ها در موتورهای سه بعدی مدرن امکان پذیر است، اما نه در سطح جزئیات نشان داده شده در بازی هایی مانند بتلفیلد V هنگامی که ردیابی پرتو فعال است.

ردیابی اشعه همچنین می تواند برای سایه ها استفاده شود تا آنها را پویاتر و واقعی تر کند. خواهید دید که این تاثیر زیادی در این امر داشته است Shadow of the Tomb Raider.

نور ردیابی پرتو می‌تواند سایه‌های واقعی‌تری را در صحنه‌های تاریک و روشن، با لبه‌های نرم‌تر و وضوح بیشتر ایجاد کند. دستیابی به این ظاهر بدون ردیابی پرتو بسیار دشوار است. توسعه دهندگان فقط می توانند آن را با استفاده دقیق و کنترل شده از منابع نور ایستا از پیش تعیین شده جعل کنند. قرار دادن تمام آن “چراغ های صحنه” زمان می برد زیاد زمان و تلاش – و حتی در این صورت نتیجه کاملاً درست نیست.

برخی از بازی‌ها همه کاره می‌شوند و از ردیابی پرتو برای نورپردازی جهانی استفاده می‌کنند، به طور موثری کل صحنه را ردیابی پرتو می‌کنند. اما این گرانترین گزینه از نظر محاسباتی است و برای کارکرد موثر به قدرتمندترین کارت گرافیک مدرن نیاز دارد. خروجی مترو از این تکنیک استفاده می کند، اگرچه اجرا کامل نیست.

به همین دلیل، نیمه اندازه‌گیری‌ها، مانند سایه‌های ردیابی پرتو یا سطوح بازتابنده، محبوب هستند. بازی‌های دیگر از فناوری‌های Nvidia مانند حذف نویز و Deep Learning Super Sampling برای بهبود عملکرد و پوشاندن برخی از شکاف‌های بصری استفاده می‌کنند که هنگام رندر کردن پرتوهای کمتر از آنچه برای ایجاد یک صحنه واقعاً ردیابی شده از پرتوها لازم است، رخ می‌دهد. آنها هنوز هم برای اسکرین شات ها و فیلم های از پیش رندر شده رزرو شده اند، جایی که سرورهای قدرتمند می توانند روزها را صرف رندر کردن تک فریم کنند.

سخت افزار پشت تیرها

برای مدیریت حتی این پیاده‌سازی‌های نسبتاً متوسط ​​ردیابی پرتو، کارت‌های گرافیک سری RTX 20 انویدیا سخت‌افزاری را معرفی کردند که به‌طور خاص برای ردیابی پرتو طراحی شده‌اند.

همه کارت‌های RTX اکنون از ردیابی پرتو پشتیبانی می‌کنند و آخرین پردازنده‌های گرافیکی سری RTX 40 راه دیگری برای تقلب در عملکرد دارند. SER یا Shader Execution Reordering روی RTX 4090 و RTX 4080 موجود است و انویدیا می‌گوید که می‌تواند عملکرد را تا ۲۵ درصد در بازی‌های ردیابی پرتو افزایش دهد. هنگامی که دستورالعمل‌های ردیابی پرتو توسط GPU پردازش می‌شوند، با مرتب کردن مجدد کار می‌کند و کار را برای توان محاسباتی موجود بهینه می‌کند.

اگرچه روزهای اولیه ردیابی پرتوها دشوار بود، کارت های اخیر انویدیا بسیار بهتر بوده اند. با SER در نسل بعدی، همراه با DLSS 3، ممکن است شاهد ردیابی اشعه ای باشیم که از نرخ فریم شما پشتیبانی نمی کند.

با این حال، روش ردیابی پرتوی Nvidia تنها گزینه موجود نیست. همچنین افکت‌های پس پردازش Reshade «ردیابی مسیر» وجود دارد که جلوه‌های بصری قابل مقایسه را بدون چیزی شبیه به افزایش عملکرد ارائه می‌دهند.

AMD اکنون گزینه های ray tracing را نیز دارد که در ادامه به بررسی آنها خواهیم پرداخت.

شما همچنان بدون در نظر گرفتن عملکرد، یک کارت گرافیک قدرتمند برای ردیابی پرتو می خواهید، اما با توجه به این تکنیک در میان توسعه دهندگان بازی، ممکن است طیف وسیع تری از سخت افزارهای پشتیبانی را با قیمت های بسیار مقرون به صرفه تر مشاهده کنیم.

AMD چطور؟

AMD در چند سال گذشته برای ارائه ردیابی پرتوی با شتاب سخت‌افزاری تلاش کرده است، اما با عرضه RX 6800، 6800 XT و 6900 XT تغییر کرد. این کارت‌های جدید دارای پشتیبانی از DirectX 12 ray tracing هستند و عملکرد عالی ارائه می‌دهند، حتی اگر AMD در بخش ردیابی پرتو کاملاً در سطح Nvidia نباشد (برای اطلاعات بیشتر، مقایسه‌های RX 6800 XT در مقابل RTX 3080 و RX 6900 XT در مقابل RTX 3090 را بخوانید. ) .

با توجه به اینکه معماری Big Navi که کارت های RX 6000 AMD را تامین می کند، به سختی تعجب آور است. این همان معماری است که جلوه های بصری را در پلی استیشن 5 و ایکس باکس سری ایکس تقویت می کند و در مجموع سطح عملکرد پایین تری را نسبت به کارت های پرچمدار انویدیا ارائه می دهد. با این حال، از آنجایی که ردیابی پرتو یکی از ویژگی های قابل توجه کنسول های نسل بعدی است، ما انتظار پشتیبانی و بهینه سازی بهتر را در آینده داریم. در آینده نزدیک، شاهد عرضه AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) برای رایانه های شخصی بازی و همچنین آخرین نسخه های مایکروسافت ایکس باکس خواهیم بود.

چگونه می توانید ردیابی اشعه را در خانه مشاهده کنید؟

برای مشاهده ردیابی اشعه در خانه به یک کارت گرافیک جدید و گران قیمت نیاز دارید. ردیابی پرتوهای شتاب‌دار سخت‌افزاری فقط در پردازنده‌های گرافیکی Nvidia RTX یا پردازنده‌های گرافیکی سری AMD RX 6000 در دسترس است. کارت‌های سری 10 و سری 16 GTX از ردیابی پرتو پشتیبانی می‌کنند اما فاقد هسته‌های RT برای بازی راحت هستند.

اگر انتظار دارید با وضوح بالاتر از 1080p و نرخ فریم 60 فریم بر ثانیه یا بیشتر بازی کنید، بهترین گزینه این است که بهترین کارت گرافیک را خریداری کنید. در رزولوشن 4K، RTX 3080 و RX 6800 XT بهترین کارت‌ها هستند، اما اگر می‌خواهید در عناوین خاصی رزولوشن 1440p داشته باشید، می‌توانید با RTX 3070 یا RX 6800 از پس آن بربیایید.

انتخاب محدودی وجود دارد بازی هایی با ردیابی پرتو فعال است، اما تعداد آنها در حال افزایش است. نمونه‌های برتر ردیابی پرتو شامل دموهای اولیه RTX مانند بتلفیلد V، Shadow of the Tomb Raiderو خروجی مترو. بازی های جدیدتر مثل کنترل و MechWarrior 5: Mercenaries آنها نیز جذاب به نظر می رسند. در نور بمان یک بازی ترسناک مستقل است که با استفاده از سایه ها و انعکاس های ردیابی پرتو ساخته شده است. Remastered زلزله دوم با ردیابی اشعه RTX نمونه خارق العاده دیگری است

بازی های ردیابی پرتو کمتری در بازار وجود دارد، اما صنعت در حال رشد است. در حالی که پلی استیشن 5 و ایکس باکس سری ایکس شروع به تبلیغ ردیابی پرتو می کنند، رقبا به زودی از این روش پیروی خواهند کرد. بازی چند پلتفرمی Watch Dogs 2 با جدیدش فرق داره Watch Dogs: Legionهمانطور که بازی جدید ray tracing را برای اجرا بر روی کنسول ها و رایانه های شخصی آغاز می کند.

سعی کنید استفاده کنید ردیابی پرتوهای بندر رویال بنچمارک UL برای تعیین اینکه آیا رایانه شما با ردیابی پرتو کار می کند یا خیر.

توصیه های سردبیران