Czym jest ray tracing? – śledzenie promieni a rasteryzacja

Spis treści

• Czym jest ray tracing? – śledzenie promieni a rasteryzacja
• Rasteryzacja
• Hardware’owy ray tracing – renderowanie hybrydowe, RT Core oraz Deep Learning

Nowe modele kart graficznych z serii RTX 2000 od Nvidii są mocno ukierunkowane na ray tracing. Wyjaśniamy, czym on jest i jakie to ma znaczenie dla grafiki 3D.

W ciągu ostatnich kilkunastu lat ta technologia renderingu w zasadzie nie odgrywała w grach żadnej roli. Jednak temat przyciągnął uwagę wielu osób podczas targów GDC 2018, wraz z prezentacją firmy Microsoft, która zademonstrowała nowe rozwiązania dla interfejsu graficznego DirectX 12, zaś ray tracing eksplodował dzięki zapowiedzi nowych kart graficznych z serii RTX od Nvidii na gamescomie 2018.

Nvidia nie tylko pokazała, jak wygląda grafika 3D, w której zastosowano ray tracing, ale przygotowała karty graficzne przystosowane do wykorzystywania tej technologii w czasie rzeczywistym. Ponadto, zademonstrowano jej działanie w akcji w nadchodzących grach, takich jak Shadow of the Tomb Raider czy Battlefield V. Dlatego też w tym artykule pragniemy wyjaśnić, na czym polega działanie ray tracingu.

Na początek mamy jeszcze jedną, ważną uwagę: rendering grafiki 3D jest dość złożonym tematem, który chcemy tutaj ukazać w sposób w miarę zrozumiały, a jednocześnie wystarczająco precyzyjny. Jeśli jednak w artykule znajdą się jakiekolwiek nieścisłości, prosimy o poinformowanie nas o tym w komentarzach, abyśmy mogli jak najszybciej sprostować te informacje.

Z lewej: przykład zastosowania technologii ray tracingu w Quake III: Arena w 2004 roku. Na zdjęciu z prawej w środku: student Daniel Pohl, autor rozwiązania. Rendering został wykonany przy pomocy CPU w linuxowym klastrze komputerowym z 48 procesorami Athlon MP oraz 12 GB pamięci RAM. Pohl od 2007 roku jest związany z firmą Intel.

Zaczynając od podstaw: ray tracing zasadniczo służy do tworzenia komputerowych obrazów, które są przeznaczone do wyświetlania na dwuwymiarowej powierzchni, takiej jak monitor komputera lub ekran w kinie. Tego typu powierzchnie składają się ostatecznie z pojedynczych pikseli, które z kolei tworzą określoną rozdzielczość (przykładowo, 1920 pikseli szerokości i 1080 pikseli wysokości daje nam rozdzielczość ekranu znaną jako Full HD).

To, w jaki sposób widzimy ukazany na monitorze lub ekranie obraz, zależy od koloru każdego piksela. Istnieją różne podejścia prowadzące ten dobór kolorystyczny do obrazu, który ma być zbliżony do realistycznego. Oprócz głośnego ostatnio ray tracingu, obecnie najczęściej stosowana w grach komputerowych jest rasteryzacja. Poniżej omówimy bardziej szczegółowo obie techniki.

Należy zaznaczyć, że ray tracing nie jest kompletnie nowym podejściem do tematu renderingu, jak już wspomnieliśmy na początku; wręcz przeciwnie. Od wielu lat jest on z powodzeniem stosowany w kinie oraz w reklamie i pomaga przy tworzeniu zwodniczo realistycznych CGI (czyli obrazów generowanych komputerowo).

Obliczanie obrazu przy pomocy ray tracingu okazuje się jednak bardzo czasochłonne. Chociaż nie jest to żaden problem w przypadku filmów lub reklam, inaczej ma się sprawa w przypadku gier komputerowych. Tutaj mamy wpływ na to, co widzimy, i na to, co się dzieje, dlatego właściwe obrazy nie mogą być wyrenderowane wcześniej, tylko muszą być obliczane w czasie rzeczywistym.

Ponadto produkcje kinowe i reklamy mają zazwyczaj do dyspozycji ogromną moc obliczeniową w postaci farm serwerowych, podczas gdy gry komputerowe muszą być w stanie zadziałać na domowym sprzęcie. Te dwa czynniki są głównym powodem, dla którego ray tracing w czasie rzeczywistym nie odgrywa (jeszcze) żadnej znaczącej roli w grach.

Ale czym tak właściwie jest ray tracing? Czym różni się on od rasteryzacji, która obecnie jest najczęściej stosowaną techniką w grach komputerowych?