Что такое трассировка лучей? Объяснение графической техники!

Трассировка лучей — это тип графической технологии, которая реалистично рассчитывает видимые и невидимые лучи света. Она обеспечивает реалистичное освещение в компьютерных играх и анимированной 3D-графике и все чаще используется как аппаратная функция в виде трассировки лучей в реальном времени. Итак, что же такое трассировка лучей?

Как графическая технология, трассировка лучей позволяет моделировать эффекты освещения. Алгоритм испускает лучи в виде 3D-графики, прослеживает пути лучей и затем рассчитывает реалистичную модель освещения. Любой, кто знаком с компьютерными играми и видеокартами, неизбежно будет знаком и с трассировкой лучей, поскольку она обычно используется вместе с этими технологиями. Самый последний и самый известный пример — поколение видеокарт «GeForce RTX» от Nvidia. Видеокарты RTX (RTX означает «трассировка лучей») поддерживают трассировку лучей в реальном времени в качестве аппаратной функции с 2018 года.

В принципе, функция трассировки лучей проста. Сначала с помощью программного обеспечения для 3D-моделирования (например, Blender или Cinema 4D) создается 3D-графика с 3D-объектами, которая затем анимируется как сцена. Для имитации реалистичного освещения в реалистичных 3D-ландшафтах источники света размещаются так, чтобы сделать 3D-объекты «видимыми». Именно здесь в игру вступает трассировка лучей. Как и во всех 3D-анимациях, виртуальная камера выступает в роли глаза зрителя. С помощью технологии трассировки лучей алгоритм рисует лучи и линии между объектами и камерой и определяет, являются ли они видимыми для камеры и сколько пикселей требуется каждой линии.

Кроме того, трассировка лучей определяет, исходят ли лучи света от оригинальных источников света или от отраженных объектов в поле зрения камеры. Затем алгоритм определяет цвета пикселей на основе отслеженных лучей, отражений, падения света и текстуры поверхности. Даже объекты и источники света, которые не видны, включаются в рендеринг. В результате получается реалистичная модель освещения со сложными эффектами света и тени в реальном времени. Кроме того, технология RTX от Nvidia работает с типом искусственного интеллекта, известным как «Deep Learning Super Sampling», чтобы получить оптимальное разрешение и частоту кадров.

Степень влияния трассировки лучей на реалистичность 3D-графики зависит от типа используемой трассировки лучей. Ниже мы перечислили различные методы трассировки лучей в порядке возрастания в соответствии с требуемой вычислительной мощностью и историческим развитием:

1. Определение скрытых поверхностей: Этот рудиментарный процесс определения не включает эффекты тени или света в анимацию.
2. Моделирование теней: Используются прямые источники света и жесткие тени, но эффекты отражения не рассчитываются.
3. Рекурсивная трассировка лучей: В дополнение к прямым источникам света и жестким теням, трассировка лучей для зеркального отражения используется с полупрозрачными или отражающими объектами.
4. Трассировка диффузных лучей: В дополнение к прямому освещению и преломлению отрисовываются умбра/пенумбра и мягкие края теней.
5. Трассировка лучей: Модель освещения включает и регистрирует видимые и невидимые источники света, отражения и преломления через освещенные объекты. Это создает реалистичные симуляции теней в соответствии с игрой света.

Трассировка лучей в основном используется в компьютерной 3D-графике и стала более известна компьютерным геймерам после появления в 2018 году поколения видеокарт RTX от Nvidia. Благодаря трассировке лучей, которая активируется или поддерживается аппаратным обеспечением, появилась возможность создавать еще более эффективные и реалистичные световые эффекты в видеоиграх. Графические эффекты включают не только световые эффекты, видимые в поле зрения (так называемые эффекты экранного пространства), но и отражения, свет и тень вне поля зрения — включая глобальное виртуальное солнце. Поскольку это требует огромной вычислительной мощности, даже для оборудования с трассировкой лучей, эта функция до сих пор использовалась лишь в нескольких играх.

Трассировка лучей как графическая технология все еще находится в зачаточном состоянии. В настоящее время серия RTX 3000 от Nvidia (2-я по счету) находится в стадии становления.^2-е поколение видеокарт Nvidia RTX) представляют собой следующий шаг в трассировке лучей, поскольку они предлагают еще больше арифметических блоков трассировки лучей. В связи с различным оснащением ПК и огромными требованиями к производительности, революционная по своему подходу технология пока остается нишевой графической технологией. Новые поколения консолей, такие как Xbox Series X или PlayStation 5, делают первые шаги к поддержке глобальной трассировки лучей за счет внедрения аппаратного обеспечения, поддерживающего эту технологию.

В целях защиты вашей конфиденциальности видео не будет загружаться, пока вы не нажмете на него.

До сих пор лишь некоторые аппаратные и программные системы поддерживали технологию трассировки лучей. Для отображения игр и анимации с жидкой трассировкой лучей необходим быстрый, мощный компьютер и графическая карта RTX. Часто для получения необходимой вычислительной мощности требуется дорогостоящая модернизация ПК. К видеокартам с поддержкой трассировки лучей относятся первое и второе поколение видеокарт Nvidia RTX (например, GeForce RTX 2070 и GeForce RTX 3070). Некоторые видеокарты AMD поколения Radeon-RX-6000, такие как RX 6800 и RX 6900 XT, также уже поддерживают трассировку лучей.

Целый ряд различных компьютерных игр и игр для ПК уже поддерживают трассировку лучей.

• Minecraft RTX
• Shadow of the Tomb Raider
• The Witcher 3: Complete Edition
• Call of Duty: Black Ops Cold War
• Управление
• F1 2021

• Gran Turismo 7
• Halo Infinite
• Watch Dogs: Legion
• Gears 5