Co to jest śledzenie promieni? Dowiedz się, jak działa Ray Tracing

Ewolucja technologii przynosi przełom w doznaniach wizualnych, ale także od grafiki do życia,  nowa technologia Ray Tracing firmy nvidia  jest odpowiedzią na ten rozwój, gdy firma  wprowadza na rynek nową linię kart graficznych Nowa generacja grafiki oparta na architekturze Turing. Czym więc jest ray tracing ? Dlaczego mówimy, że to technologia przyszłości? Dowiedzmy się z WebTech360 w tym artykule

Co to jest śledzenie promieni?

Ray Tracing  to technika renderowania (renderowania) światła poprzez podążanie za promieniami światła (trace oznacza gonienie, ray oznacza promienie świetlne). Możesz sobie wyobrazić tę technikę, jak patrzysz na słońce, śledząc, gdzie uderzają jego promienie, jakie obiekty uderzają i jak świeci na otaczające obiekty. Ray tracing odtwarza ten proces, ale w środowisku cyfrowym.

Innymi słowy, ray tracing śledzi światło pochłonięte, odbite, rozproszone i rozproszone przez każdy obiekt w otoczeniu i dotyczy nie tylko wiązki światła słonecznego, ale także każdego innego źródła światła (na przykład: 2 żarówki w pokoju gier, migoczący ogień kominka w grze, sztuczne źródło światła jest stałe podczas renderowania 3D...).

Obecnie architektura Turing wraz z Ray Tracingiem to wciąż duży znak zapytania, ma być rewolucyjnym punktem zwrotnym na rynku GPU, takie produkty prawdopodobnie pojawią się w przyszłości w większości pecetów. tak wysoka, że ​​niewiele osób może ją posiadać i używać?

Trudno na to odpowiedzieć, bo choć pojawiły się artykuły i recenzje dotyczące dwóch serii GeForce RTX 2080 FE i GeForce RTX 2080 Ti FE, to i tak musimy jeszcze poczekać, nawet na gry obsługujące zaawansowaną technologię. rysunek kalkowy. Ponadto profesjonalne karty graficzne Quadro są również wyposażone w tę nową technologię: Quadro RXT 8000, Quadro RXT 6000, Quadro RXT 5000, Quadro RXT 4000.

Jak działa śledzenie promieni

Celem ray tracingu jest stworzenie bardziej realistycznego oświetlenia i bardziej naturalnego cieniowania, a seria RTX firmy NVIDIA osiągnęła imponujące wyniki, przynajmniej w pierwszych demach. Drewniane pomieszczenie z otwartym oknem rozświetli prawie całe pomieszczenie przy zastosowaniu tradycyjnego oświetlenia, a przy włączonym ray tracingu miejsca z bezpośrednim światłem będą jaśniejsze niż w ciemnych rogach pomieszczenia. NVIDIA pokazała również bardzo realistycznie, jak płomienie w Battlefield V mogą nawiedzać postać w grze i wypalać drzwi samochodu.

Światło wpływa nie tylko na oświetlenie, ale także na kolor, głębię i cienie. Kiedy więc oświetlenie jest symulowane blisko rzeczywistego życia, reszta elementów również jest dobrze wykonana. Shadery w obecnej grze wyglądają dość surowo i wyraźnie, brakuje im lekkiego przejścia między jasnymi i ciemnymi plamami, a ray tracing jest elementem, który to umożliwia.

Algorytm śledzenia promieni 

Tworzenie symulacji świata rzeczywistego to bardzo złożone przedsięwzięcie. Obejmuje wiele czynników, takich jak nieskończona liczba wiązek światła, odbijające powierzchnie, przechodzące przez obiekty, wszystkie oparte na właściwościach molekularnych każdego obiektu, nie wspominając o grawitacji i interakcjach fizycznych. Symulowanie takiej „nieskończonej” rzeczy przy użyciu tylko skończonych zasobów obecnego komputera jest całkowicie nieproporcjonalne i niemożliwe.

Rozwiązanie powyższego problemu nazywamy „rasteryzacją”, zamiast zajmować się nieskończoną liczbą fotonów, przetwarzanie zaczyna się od wielokątów. Więcej wielokątów oznacza szybsze przetwarzanie, a rasteryzacja ma na celu przekształcenie tych milionów wielokątów w określony obraz.

Krótko mówiąc, tworzy prototypy 2D i renderuje je na gotowym świecie 3D. W nim obrazy 2D utworzone z wielokątów mogą pokrywać cały ekran, gdy są oglądane z bliska, ale mogą obejmować tylko kilka pikseli, gdy są oglądane z daleka, tworząc w ten sposób piksele, tekstury i zasady światła. Oczywiście jedna technika nie może objąć całej pracy.

Różne techniki, takie jak Z-buffer (dodatkowy bufor śledzący głębokość każdego piksela) przyspieszają ten proces, tworząc narzędzie, które sprawia, że ​​miliony wygenerowanych wielokątów są widoczne, możliwe do sortowania i obsługiwane tak wydajnie, jak to tylko możliwe. Może to wymagać milionów, a nawet miliardów obliczeń na klatkę, które mogą obsłużyć tylko nowoczesne procesory graficzne o szybkości przetwarzania teraflopów.

Ray tracing podchodzi do powyższego problemu inaczej niż r asteryzacja , historycznie istnieje już od około 50 lat. Turner Whitted obecnie pracuje dla firmy NVIDIA , w przeszłości szkicując, jak obliczać śledzenie rekurencyjne, czego efektem są imponujące efekty wizualne, w tym cienie, odbicia i nie tylko. Oczywiście będzie to o wiele bardziej skomplikowane niż rasteryzacja.

Ray tracing polega na wykrywaniu kierunku promienia (zazwyczaj promienia światła) podczas rzutowania go na świat 3D. Załóżmy, że chcesz zbudować obiekt, pierwszą rzeczą jest określenie promieni światła podążających za wielokątem tworzącym obiekt, a następnie uwzględnienie możliwych źródeł światła, właściwości wielokąta, takich jak materiał, płaska lub zakrzywiona powierzchnia , krótko mówiąc, dodaj lub odejmij promienie światła.

Proces ten jest następnie powtarzany dla innych źródeł światła, w tym światła odbitego od obiektów w scenie. Jest tak złożony, że potrzeba wielu formuł, aby umożliwić ray tracing, nawet w przypadku przezroczystych, półprzezroczystych powierzchni, np. szkła czy wody . Wszystko musi mieć granicę sztucznego odbicia, bo nawet promień nie jest w stanie wykryć całej nieskończonej liczby fotonów.

Według firmy NVIDIA najczęściej stosowanym algorytmem ray tracingu jest BVH Traversal: Bounding Volume Hierarchy Traversal , który przyspiesza proces, dzieląc obiekty na strefy do przetwarzania, innymi słowy „dziel i rządź”.

Możesz odwołać się do modelu królika NVIDIA, który wykorzystuje algorytm BVH, który lokalizuje każdy poziom, dzieli części na bloki, coraz mniejsze, aż algorytm zaowocuje krótką listą wielokątów, a następnie zadaniem ray tracingu.

Jednak ilość pracy do wykonania podczas wykonywania tej pracy z oprogramowaniem na CPU lub GPU jest zbyt duża. Alternatywą jest rdzeń RT, każdy rdzeń RT ma wbudowany algorytm struktury BVH, dzięki czemu jest w stanie przetwarzać pracę 10 razy szybciej niż rdzeń CUDA.

Poza tym trzeba też wspomnieć ile promieni świetlnych jest wykrywanych na pikselu, już jeden promień prowadzi do dziesiątek lub setek obliczeń, ale im więcej promieni śledzonych, tym praca będzie lżejsza, a produktywność wyższa niż. Firmy takie jak Pixar również wykorzystują technologię ray tracingu do tworzenia animacji.

90-minutowy film z szybkością 60 klatek na sekundę wymaga 324 000 obrazów, z których każdy zajmuje kilka godzin obliczania promieni śledzących każdy piksel. W jaki sposób NVIDIA zamierza osiągnąć taki ekwiwalent czasu rzeczywistego? Wspomniałem powyżej o wyglądzie rdzeni RT, ale jakby tego było mało, odpowiedź jest taka, że ​​rdzenie Tensor są dostępne tylko w architekturze Turing. Dla prostego przykładu, przy obciążeniu FP16, rdzenie Tensor osiągają 114 TFLOPS, podczas gdy FP32 i CUDA mają tylko 14,2 TFLOPS.

Ale dlaczego rdzeń Tensor wystarczy do ray tracingu? To sztuczna inteligencja i samouczenie się, innymi słowy jest to funkcja Deep Learning Super Sampling, która pozwala grze renderować w niższej rozdzielczości bez AA, wtedy rdzeń Tensor odziedziczy i wpłynie na ramkę, wygładzając krawędzie w celu uzyskania wyższej rozdzielczości.

Podsumowując, wielkie nazwiska w branży renderowania wkroczyły w ray tracing, takie jak Epic, UE, Unity 3D, EA Frostbite. Microsoft stworzył nawet DirectX Ray specjalnie do ray tracingu. W przypadku RTX jest to naprawdę duży skok w branży grafiki komputerowej, oczywiście wciąż nie jest kompletny iw ciągu najbliższych dziesięciu lat będzie można wprowadzić RTX 2080 Ti na rynek jako główny nurt.

Technologia Ray Tracing w najnowszych kartach graficznych NVIDIA

Obecna technologia graficzna firmy NVIDIA i praktycznie całej branży polega na symulowaniu światła i zachowania światła w danej scenie w prostszy sposób, zwany rasteryzacją. Podobnie jak malarz maluje, obiekty są renderowane warstwa po warstwie, od tyłu do przodu, więc obiekty na pierwszym planie będą zasłaniać obiekty w tle.

Wyświetl różnicę między konwencjonalnym Rasterem (po lewej) a ray tracingiem (po prawej).

Jednak takie podejście będzie trudne podczas renderowania odbicia, ponieważ technika rastrowa nie będzie w stanie śledzić i renderować światła. Jest często używany w scenach w czasie rzeczywistym, ponieważ obecny sprzęt nie wystarcza do symulacji ruchu złożonych scen, na przykład w grach wideo lub animacjach 3D.

Tymczasem śledzenie promieni rekonstruuje zachowanie światła, gdy uderza ono w powierzchnie, materiały i poruszające się obiekty.

Światło przechodzące przez scenę może być renderowane i bardziej złożone. Dzięki śledzeniu promieni możesz symulować interakcje promieni świetlnych z obiektami, tworząc realistyczne odbicia, załamania i efekty rozpraszania w czasie rzeczywistym. Śledzenie promieni może nawet wykrywać i wyświetlać refraktory, reflektory, wizualizować źródło światła w scenie, a nawet kolor światła po przejściu przez obiekt.

W rzeczywistości technika ta została zastosowana w praktyce w filmach takich jak Uniwersytet Potworny Pixara, Marvel's Iron Man. Ale wtedy był używany przez profesjonalnych użytkowników, ale teraz został udostępniony zwykłym użytkownikom – coś, co wcześniej było niemożliwe.

Zasługuje to na miano wyczynu NVIDII, ponieważ ray tracing wymaga ogromnej mocy obliczeniowej. Dyrektor generalny firmy NVIDIA, Jensen Huang, powiedział, że był to „największy skok, jakiego kiedykolwiek dokonaliśmy w tej generacji (karty GPU)”.

Sposobem na rozwiązanie tego problemu przez NVIDIĘ jest wykorzystanie nowej architektury Turing w nowo wydanych GPU. Ta architektura została zaprojektowana w celu rozwiązania problemu przetwarzania. Dedykowane rdzenie ray tracingu są również wyposażone w rdzenie Tensor, które są w stanie wykorzystać sztuczną inteligencję do wnioskowania o części obrazu „w czasie rzeczywistym” – najbardziej wymagający obliczeniowo problem tej techniki. Tak więc GPU są w stanie emulować 6x szybciej niż poprzednia platforma Pascal (na GTX 1080Ti).

To naprawdę ogromny skok w technologii graficznej i ekscytująca jest myśl, że studia i osoby prywatne będą teraz mogły rozszerzyć wykorzystanie tej techniki ray tracingu na aplikacje w animacjach, grach naukowych i symulacjach.

Miejmy nadzieję, że technologia Ray Tracing będzie coraz bardziej rozwinięta, wtedy doświadczymy jeszcze piękniejszej jakości obrazu, ale w chwili obecnej naprawdę trudno jest doświadczyć Ray Tracing dla innych użytkowników. okropne gry, ponieważ wymagają ogromnego oprogramowania. Jeśli potrzebujesz porady na temat konfiguracji gier Ray Tracing, skontaktuj się z firmą WebTech360 .

Syntetyzowane z: Genk.vn