Давайте разбираться, что означает трассировка лучей в играх в 2024 году и после него.
В современных играх освещение играет важную роль в достижении реалистичной графики, и в этой области ещё не было ничего лучше трассировки лучей. Откровенно говоря, трассировка лучей – старая, но лишь недавно ставшая доступной технология, которая реалистично рассчитывает свет и тени для создания практически реалистичной графики в видеоиграх.
До недавнего времени всякий раз, когда нашим видеокартам или игровым консолям требовалось сгенерировать визуальный эффект перед тем, как отправить его на экран, они использовали растеризацию. Этот метод преобразовал 3D-графику в 2D-пиксели, видимые на наших экранах, после чего шейдеры накладывали освещение. Трассировка лучей – это альтернативный подход, который, хотя и требует гораздо больше аппаратных мощностей, может генерировать впечатляющие изображения, буквально рассчитывая каждый виртуальный луч света. Nvidia предоставляет сравнение двух технологий здесь (англ.).
Давайте сразу разберёмся с этим: трассировка лучей объединяет в себе несколько различных технологий. Но в целях упрощения этой статьи мы определим трассировку лучей по методу её реализации в играх, что гораздо важнее для большинства пользователей.
Определение трассировки лучей
По сути, трассировка лучей – это метод, который некоторые игры используют для имитации реалистичного освещения. Каждый источник света в сцене излучает свет или лучи, затем эти лучи падают на какие-либо поверхности и отражаются, реалистично имитируя настоящий свет. Но подобные расчеты чрезвычайно обременительны для оборудования, на которое ложится нагрузка, в то время как остальной части графического процессора предстоит рендеринг остальной сцены.
Как трассировка лучей работает в играх?
В видеоиграх трассировка лучей – это, по сути, система моделирования того, как распространяется свет, как он взаимодействует с различными объектами в окружающей среде и в конечном счете достигает наших глаз. Свет отражается от предметов, проходит сквозь них, преломляется, а иногда и вовсе поглощается. Для моделирования всех этих взаимодействий требуется море ресурсов, но именно это и делает трассировка лучей в стремлении достичь реализма изображения.
Epic Games предлагает множество отличных демонстраций эффектов трассировки лучей наряду с иными эффектами в собственном руководстве по трассировке лучей для Unreal Engine. Вы также можете увидеть, какое влияние трассировка оказывает на реализм даже в условиях нереалистичной графики, достаточно просто взглянуть на Minecraft с трассировкой и без неё.
Как правило, мы думаем о свете следующим образом: он исходит из источника света и отражается вокруг, пока в конечном счете не достигает наших глаз. Но большая часть этого света не достигает наших глаз и, следовательно, не будет иметь ценности в сценах видеоигры, поскольку остаётся невидимой. Итак, реализация трассировки лучей в играх работает наоборот.
Walt Disney Animation Studios подготовила прекрасную наглядную демонстрацию этого процесса в действии при создании 3D-анимации. Луч света падает в точку зрения и направляется в сцену. Он может удариться о персонажа в игре, объект или, возможно, вернуться в небо и ни с чем больше не взаимодействовать.
В зависимости от того, с чем он столкнётся, может случиться любое количество дальнейших сценариев. Если луч попадёт на отражающий объект или поверхность, от отразится и направится к чему-то другому. Если поверхность шероховата, он всё равно может отразиться, но, вероятно, под любым случайным углом или даже расщепиться и преломиться на несколько новых лучей. Если после нескольких отскоков луч попадает в источник света, вся информация, собранная по пути, превращается в пиксель, который игрок увидит на своём экране. Например, если луч ударяется о серый камень рядом с зелёной стеной, отскакивает от этой зелёной стены, а затем попадает в источник света, результатом может быть серый цвет с оттенком зелёного.
Придавая объектам игрового мира разнообразные материальные свойства, игры могут имитировать это реалистичное поведение освещения, создавая визуальные эффекты, которые соответствуют тому, как мы видим вещи в реальности, где свет действительно отражается повсюду.
Факторы, усложняющие использование трассировки лучей в играх
Но есть и некоторые усложняющие факторы для применения трассировки лучей во всех сферах. Чтобы получить полное изображение, может потребоваться много лучей, совершающих много отражений. Это может означать миллионы, если не миллиарды лучей, которые нужно отслеживать только для того, чтобы выяснить, что показать – это замедляет рендеринг и делает трассировку лучей непригодной для приложений реального времени, таких как игры. Или это может означать, что лучи не проходят такой длинный путь, прежде чем достичь источника света.
Решение для устранения нехватки визуальной информации
В играх можно использовать некоторые промежуточные решения для борьбы с проблемой недостатка визуальной информации, например:
В поисках баланса: использование растеризации для создания большей части изображения с последующим включением небольшого количества трассировки лучей для создания реалистичных отражений и теней.
Шумоподавление: необработанная трассировка лучей выглядит как мешанина пикселей разного цвета, но шумоподавление разумно сглаживает всё, смешивая цвета, проводя различия в яркости и тенях. Здесь вы найдёте демонстрацию шумоподавления в действии от Nvidia, именно так реализуется технология DLSS.
Будущее трассировки лучей в играх
Трассировка лучей находит своё применение в большинстве игр, а совсем скоро некоторые функции трассировки будут реализованы в iPhone 15 Pro. И пока на самом деле для реализации трассировки нужна тяжелая работа, требующая высокопроизводительных видеокарт и всех возможностей консоли, она может предложить скачок графического качества, избежав ошибок существующих графических эффектов.
Если вы не против снижения частоты кадров, вы можете прямо сейчас насладиться трассировкой лучей в большом количестве игр, хотя и не во всех, конечно. Вполне вероятно, что в будущем эта технология будет реализована на большинстве игр, особенно по мере того, как оборудование, необходимое для реализации визуальных эффектов трассировки лучей, станет доступнее.
