Jeśli ostatnio rzuciłeś okiem na nowości związane z grami i grafiką, to słyszeliście najnowsze i najwspanialsze hasło: ray tracing. Być może słyszałeś również podobnie brzmiące słowo zwane śledzeniem ścieżki. I możesz być całkowicie wybaczony, że nie rozumiesz w pełni, czym jest którykolwiek z procesów.

Prostym wyjaśnieniem jest to, że zarówno śledzenie ścieżki, jak i śledzenie promieni to techniki graficzne, które dają bardziej realistyczne obrazy kosztem znacznie większej mocy obliczeniowej. Na YouTube znajduje się film o grze Minecraft , który w przejrzysty sposób pokazuje poszczególne aspekty ray tracingu, ale także ilustruje obciążenie, jakie wywiera na system.

Jeśli to jedyne wyjaśnienie, którego potrzebujesz, świetnie! Ale jeśli chcesz zagłębić się w temat i dowiedzieć się, jak działa każda technika i dlaczego producenci sprzętu GPU pobierają niewielką fortunę na karty obsługujące ray tracing, czytaj dalej.

Rasteryzacja i grafika komputerowa

Żaden obraz, który widzisz na ekranie komputera, nie zaczynał się od tego obrazu. Zaczyna się jako obraz rastrowy lub wektorowy. Obraz rastrowy składa się ze zbioru zacienionych pikseli.

Obraz wektorowy opiera się na wzorach matematycznych, co oznacza, że ​​obraz można powiększać niemal w nieskończoność. Wadą obrazów wektorowych jest to, że trudno jest uzyskać dokładniejsze szczegóły. Obrazy wektorowe^(Vector) najlepiej stosować, gdy potrzebnych jest tylko kilka kolorów.

Główną zaletą rasteryzacji jest jej szybkość, zwłaszcza w porównaniu z technikami takimi jak ray tracing. Twój procesor graficzny^(GPU) lub jednostka przetwarzania grafiki poinstruują grę, aby utworzyła obraz 3D z małych kształtów, najczęściej trójkątów. Te trójkąty są zamieniane w pojedyncze piksele, a następnie poddawane cieniowaniu, aby stworzyć obraz, który widzisz na ekranie.

Rasteryzacja była przez długi czas opcją dla grafiki gier wideo ze względu na szybkość jej przetwarzania, ale ponieważ obecna technologia zaczyna pokonywać swoje ograniczenia, potrzebne są bardziej zaawansowane techniki, aby przejść na wyższy poziom. Tu właśnie pojawia się ray tracing.

Ray tracing wygląda znacznie bardziej realistycznie niż rasteryzacja, co ilustruje poniższy obrazek. Spójrz na odbicia na dzbanku do herbaty i łyżce.

Co to jest śledzenie promieni?

Na poziomie powierzchni ray tracing to termin ogólny, który oznacza wszystko, od pojedynczego przecięcia światła i obiektu po całkowity fotorealizm. Jednak w najczęściej używanym obecnie kontekście ray tracing odnosi się do techniki renderowania, która podąża za wiązką światła (w pikselach) od ustawionego punktu i symuluje sposób, w jaki reaguje, gdy napotyka obiekty.

Poświęć chwilę i spójrz na ścianę pokoju, w którym się znajdujesz. Czy na ścianie jest źródło światła, czy też światło odbija się od ściany z innego źródła? Grafika ze śledzeniem promienia^(Ray) wodzącego zaczynała się od twojego oka i podążała twoją linią wzroku do ściany, a następnie podążała ścieżką światła od ściany z powrotem do źródła światła.

Powyższy diagram ilustruje, jak to działa. Powodem symulowania „oczu” (kamera na tym schemacie) jest zmniejszenie obciążenia GPU .

Czemu? Cóż, ray tracing nie jest nowy. Właściwie istnieje już od dłuższego czasu. Pixar wykorzystuje techniki ray tracingu do tworzenia wielu swoich filmów, ale wysokiej jakości grafika klatka po klatce w osiąganych przez Pixar rozdzielczościach wymaga czasu.

Dużo^{(A lot)} czasu. Niektóre klatki na Uniwersytecie Potwornym^{(Monsters University)} zajęły po 29 godzin każda. Toy Story 3 zajęło średnio 7 godzin na klatkę, a niektóre klatki zajęły 39 godzin, zgodnie z historią Wired z 2010 roku.^{(Wired. )}

Ponieważ film ilustruje odbicie światła z każdej powierzchni, tworząc styl graficzny, który wszyscy znają i kochają, obciążenie pracą jest prawie niewyobrażalne. Ograniczając techniki ray tracingu tylko do tego, co widzi oko, gry mogą wykorzystywać tę technikę bez powodowania (dosłownego) załamania się procesora graficznego.

Spójrz na poniższy obrazek.

To nie jest fotografia, mimo że wygląda realistycznie. To obraz ze śledzeniem promieni. Spróbuj sobie wyobrazić, ile energii potrzeba do stworzenia takiego obrazu. Jeden promień można prześledzić i przetworzyć bez większych problemów, ale co z tym, gdy ten promień odbija się od obiektu?

Pojedynczy promień może zamienić się w 10 promieni, a te 10 mogą zamienić się w 100 i tak dalej. Wzrost jest wykładniczy. Po pewnym momencie odbicia i odbicia poza trzeciorzędem i czwartorzędem pokazują malejące zwroty. Innymi słowy, wymagają znacznie więcej mocy do obliczenia i wyświetlenia, niż są warte. Aby renderować obraz, gdzieś trzeba wytyczyć granicę.  

Teraz wyobraź sobie, że robisz to 30 do 60 razy na sekundę. Jest to ilość energii wymagana do korzystania z technik ray tracingu w grach. Z pewnością robi wrażenie, prawda?

Dostępność kart graficznych obsługujących ray tracing będzie rosła wraz z upływem czasu i ostatecznie ta technika stanie się tak łatwo dostępna, jak grafika 3D. Na razie jednak ray tracing jest nadal uważany za najnowocześniejszą grafikę komputerową. Jak więc w grę wchodzi śledzenie ścieżki?

Co to jest śledzenie ścieżki?

Śledzenie ścieżki^(Path) to rodzaj śledzenia promieni. Pod tym parasolem mieści się, ale tam, gdzie ray tracing był początkowo teoretycznie rozważany w 1968 roku, śledzenie ścieżki pojawiło się na scenie dopiero w 1986 roku (a wyniki nie były tak dramatyczne jak teraz).

Pamiętasz wspomniany wcześniej wykładniczy wzrost promieni? Śledzenie ścieżki^(Path) zapewnia rozwiązanie tego problemu. Podczas korzystania ze śledzenia ścieżki do renderowania promienie generują tylko jeden promień na odbicie. Promienie nie podążają za ustaloną linią przy każdym odbiciu, ale raczej wystrzeliwują w losowym kierunku.

Algorytm śledzenia ścieżki pobiera następnie losowe próbkowanie wszystkich promieni, aby utworzyć ostateczny obraz. Skutkuje to próbkowaniem różnych typów oświetlenia, a zwłaszcza oświetlenia globalnego.

Ciekawą rzeczą w śledzeniu ścieżki jest to, że efekt można emulować za pomocą shaderów. Niedawno pojawiła się łatka do cieniowania dla emulatora Nintendo Switch , która pozwalała graczom naśladować globalną iluminację naśladowaną w takich tytułach jak The Legend of Zelda: Breath of the Wild i Super Mario Odyssey. Chociaż efekty wyglądają ładnie, nie są tak kompletne, jak prawdziwe śledzenie ścieżki.

Path tracing to tylko jedna z form ray tracingu. Chociaż został okrzyknięty najlepszym sposobem renderowania obrazów, śledzenie ścieżki ma swoje wady.

Ostatecznie jednak zarówno śledzenie ścieżki, jak i ray tracing dają absolutnie piękne obrazy. Teraz, gdy sprzęt w maszynach konsumenckich osiągnął punkt, w którym śledzenie promieni jest możliwe w czasie rzeczywistym w grach wideo, branża jest gotowa dokonać przełomu, który jest prawie tak imponujący, jak przejście z grafiki 2D do 3D.

Jednak minie jeszcze trochę czasu – co najmniej kilka lat – zanim niezbędny sprzęt zostanie uznany za „niedrogi”. W tej chwili nawet niezbędne karty graficzne kosztują znacznie ponad 1000 USD.

What is Path Tracing and Ray Tracing? And Why do They Improve Graphics?

If you’ve taken even the slightest glance towards gaming аnd graphics news lately, then you’ve hеard the latest and greatest buzzword: ray tracing. You might also have heard a ѕimilar-sounding word called path tracing. And yоu could be totally fоrgivеn for not fully understanding what either оne of the processes is.

A simple explanation is that both path tracing and ray tracing are graphical techniques that result in more realistic-looking images at the cost of significantly more computational power. There is a Minecraft video on YouTube that demonstrates the particular aspects of ray tracing in a clear way, but also illustrates the stress it puts on a system.

If that’s the only explanation you need, great! But if you want to dig deep and find out how each technique works and why GPU hardware companies are charging a small fortune for ray tracing-capable cards, read on.

Rasterization and Computer Graphics

Any image you see displayed on a computer screen did not start out as that image. It begins as either a raster or a vector image. A raster image is composed of a collection of shaded pixels.

A vector image is based on mathematical formulas that mean the image can be increased in size almost indefinitely. The downside of vector images is that more precise details are difficult to achieve. Vector images are best used when only a few colors are needed.

The main strength of rasterization is its speed, especially in comparison to techniques like ray tracing. Your GPU, or graphics processing unit, will tell the game to create a 3D image out of small shapes, most often triangles. These triangles are turned into individual pixels and then put through a shader to create the image you see on screen.

Rasterization has been the go-to option for video game graphics for a long time due to how quickly it can be processed, but as current technology begins to bump against its limits more advanced techniques are needed ot break through to the next level. That’s where ray tracing comes in.

Ray tracing looks far more realistic than rasterization, as the image below illustrates. Look at the reflections on the tea pot and the spoon.

What is Ray Tracing?

At the surface level, ray tracing is an umbrella term that means everything from a single intersection of light and object to complete photorealism. In the most common context used today, however, ray tracing refers to a rendering technique that follows a beam of light (in pixels) from a set point and simulates how it reacts when it encounters objects.

Take a moment and look at the wall of the room you’re in. Is there a light source on the wall, or is light reflected off the wall from another source? Ray traced graphics would start at your eye and follow your line of sight to the wall, and then follow the path of light from the wall back to the light source.

The diagram above illustrates how this works. The reason for the simulated “eyes” (the camera in this diagram) is to lessen the load on the GPU.

Why? Well, ray tracing isn’t brand-new. It’s actually been around for quite some time. Pixar uses ray tracing techniques to create many of its movies, but high-fidelity, frame-by-frame graphics at the resolutions Pixar achieves take time.

A lot of time. Some frames in Monsters University took a reported 29 hours each. Toy Story 3 took an average of 7 hours per frame, with some frames taking 39 hours according to a 2010 story from Wired.

Because the film illustrates the reflection of light from every surface to create the graphical style everyone has come to know and love, the work load is almost unimaginable. By limiting ray tracing techniques to only what the eye can see, games can utilize the technique without causing your graphics processor to have a (literal) meltdown.

Take a look at the image below.

That’s not a photograph, despite how real it looks. It’s a ray-traced image. Try to imagine how much power is required to create an image that looks like this. One ray can be traced and processed without much trouble, but what about when that ray bounces off an object?

A single ray can turn into 10 rays, and those 10 can turn into 100, and so on. The increase is exponential. After a point, bounces and reflections beyond tertiary and quaternary display diminishing returns. In other words, they require far more power to calculate and display than they are worth. For the sake of rendering an image, a limit has to be drawn somewhere.  

Now imagine doing that 30 to 60 times per second. That is the amount of power required to use ray tracing techniques in games. It’s certainly impressive, right?

The attainability of graphics cards capable of ray tracing will go up as time goes on, and eventually this technique will become as readily available as 3D graphics. For now, though, ray tracing is still considered the cutting-edge of computer graphics. So how does path tracing come into play?

What is Path Tracing?

Path tracing is a type of ray tracing. It falls under that umbrella, but where ray tracing was originally theorized in 1968, path tracing didn’t come onto the scene until 1986 (and the results were not as dramatic as those now.)

Remember the exponential increase in rays mentioned earlier? Path tracing provides a solution to that. When using path tracing for rendering, the rays only produce a single ray per bounce. The rays do not follow a set line per bounce, but rather shoot off in a random direction.

The path tracing algorithm then takes a random sampling of all of the rays to create the final image. This results in sampling a variety of different types of lighting, but especially global illumination.

An interesting thing about path tracing is that the effect can be emulated through the use of shaders. A shader patch appeared recently for a Nintendo Switch emulator that allowed players to emulate path traced global illumination in titles like The Legend of Zelda: Breath of the Wild and Super Mario Odyssey. While the effects look nice, they aren’t as complete as true path tracing.

Path tracing is just one form of ray tracing. While it was hailed as the best way to render images, path tracing comes with its own flaws.

But in the end, both path tracing and ray tracing result in absolutely beautiful images. Now that the hardware in consumer-grade machines has reached a point that ray tracing is possible in real-time in video games, the industry stands poised to make a breakthrough that’s almost as impressive as the step from 2D to 3D graphics.

However, it will still be some time—several years at least—before the necessary hardware will be considered “affordable.” As of now, even the necessary graphics cards cost well over $1,000.

Related posts

• Jak odwrócić tekst na ścieżce w programie Illustrator

• 3 sposoby na zrobienie zdjęcia lub filmu na Chromebooku

• Jak wykryć oprogramowanie do monitorowania komputera i poczty e-mail lub oprogramowanie szpiegujące?

• Technologia płaskich wyświetlaczy bez tajemnic: TN, IPS, VA, OLED i więcej

• Jak włączyć lub wyłączyć Caps Lock na Chromebooku?

• 7 szybkich poprawek, gdy Minecraft ciągle się zawiesza

• Discord nie otwiera się? 9 sposobów na naprawę

• Jak naprawić kod błędu Disney Plus 83

• Jak otworzyć plik bez rozszerzenia

• Jak pozbyć się Yahoo Search w Chrome

• Jak pobierać filmy z Twitcha

• Jak zrobić zrzut ekranu na Steam

• 10 najlepszych sposobów zabezpieczenia komputera przed dziećmi

• Jak wyciszyć kogoś na Discord

• Jak zwrócić pieniądze za grę na Steam

• Jak zmienić język w Netflix

• Jak naprawić kod błędu Hulu RUNUNK13

• Jak wyszukiwać znajomych na Facebooku według lokalizacji, pracy lub szkoły?

• Co oznaczają BCC i CC? Zrozumienie podstawowego języka e-mail

• Jak opublikować artykuł na Linkedin (i najlepszy czas na opublikowanie)