Kas ir staru izsekošana un kā tas darbojas?

Ja regulāri spēlējat videospēles vai esat skatījies kādu no Pixar vai Disney animācijas filmām pēdējo pāris gadu laikā, jūs jau esat redzējis staru izsekošanu darbībā, nemanot.

Apmēram pēdējos divos gados šis termins spēļu industrijā ir radījis ievērojamu uzplaukumu, un tas tiek reklamēts kā spēļu grafikas nākotne. Kas tad ir staru izsekošana, kā tas darbojas un kāpēc tas ir tik svarīgi?

Kas ir staru izsekošana?

Staru izsekošana ir grafikas atveidošanas metode, kas izmanto algoritmus, lai aprēķinātu, kur videospēlēs jābūt gaismai un ēnām.

Šeit ir noderīga pamatskolas zinātne: apskatiet krūzi. Skatoties uz krūzi, gaisma atlec no krūzes tieši acī, un jūsu smadzenes saprot, ka priekšā sēdošais objekts ir krūze. Tagad no krūzes pakustiniet acis, lai atrastu gaismas avotu savā istabā. Tā ir staru izsekošana.

3D videospēlēs, kas mums ir tagad, staru izsekošanas algoritms sākas ar spēlētāja viedokli un nosaka “izsekot”, identificēt un attēlot ekrānā vairāku objektu gaismu, krāsas un ēnas.

Tā rezultātā, izmantojot staru izsekošanu, grafika ir vienmērīgāka ap malām un reālāka.

Pirms Ray Tracing

Ja vēlaties uzzināt, kādi kustīgi attēli izskatījās pirms staru izsekošanas, vienkārši apskatiet videospēles, kas tika ražotas 2000. gadu sākumā, un salīdziniet tos ar šobrīd tirgū esošajiem AAA videospēļu nosaukumiem.

Tradicionālajā datorgrafikā tiek izmantota metode, ko sauc par rastrēšanu, kur 3D gaismas avotu koncepcija un diagramma tiek pārveidota par 2D virsmu. 3D daudzstūri tiek tulkoti 2D pikseļos, un tas ne vienmēr notiek labi, jo jūs būtībā piespiežat uz līdzenas virsmas sarežģītu objektu ar daudzām virsmām.

Turklāt tradicionālie datori vienkārši nebija pietiekami ātri, lai neatpaliktu no videospēļu intensitātes. Lai gan rasterizācijas jomā ir veikti daudzi uzlabojumi, piemēram, kad tiek prezentēta intensīva pirmās personas šāvēja spēle, tā nav pietiekama, salīdzinot ar staru izsekošanu.

Kā darbojas staru izsekošana

Staru izsekošana izklausās vienkārši un aizraujoši kā jēdziens, taču tā nav viegla tehnika. Tātad, kā darbojas staru izsekošana?

Staru izsekošana veic procesu, ko sauc par “denoising”, kur tā algoritms, sākot no kameras - jūsu viedokļa - izseko un precīzi norāda vissvarīgākos gaismas un ēnu toņus. Izmantojot mašīnmācīšanos, tas ‘aizpilda nepilnības’, veidojot fotoreālistisku attēlu.

Tātad, jo spilgtāka videospēles aina, jo augstāka grafikas kvalitāte un augstāka kvalitāte, jo dārgāka tā ir. Tas mūs noved pie iemesla, kāpēc stari tiek izsekoti novēloti videospēļu nozarē.

Kāpēc tik ilgi tika novērsta staru izsekošana?

Jums vajadzētu zināt, ka arī staru izsekošana nav jauna tehnika. Holivuda ir izmantojusi staru izsekošanu ilgi pirms tehnoloģija nonākusi videospēļu nozarē. Pixar 2013. gada filma Monstru universitāte faktiski bija pirmā animācijas filma, kurā visu apgaismojumu un ēnojumu veikšanai tika izmantota staru izsekošanas tehnoloģija. Tātad, kāpēc staru izsekošana padarīja to par video spēli tik vēlu?

Pirmkārt, runājot par mehāniku, pati staru izsekošana ir skaitļošanas ziņā prasīga. Staru izsekošanas tehnoloģijas pielietošana standarta 90 minūšu darbības filmā ar 24 kadriem sekundē jau ir ārkārtīgi laikietilpīga. Animatori var pavadīt dienas vai nedēļas tikai vienā ainā, tāpēc iedomājieties, cik daudz intensīvāk staru izsekošana jāveic standarta videospēlē, kas 60 darbojas ar kadriem sekundē. Tas bija vienkārši nepraktiski.

Pēc tam, kā minēts iepriekš, staru izsekošana ir dārga. Papildus tam, ka tas ir laikietilpīgs, dārgais budžets ir iemesls, kāpēc vienmēr tikai megafilmu ražošanas uzņēmumi Holivudā varēja atļauties staru izsekošanu. Pixar's Monsters University izgatavošana izmaksāja 200 miljonus ASV dolāru, tāpat kā Toy Story 4, kas tika izlaists 2019. gadā.

Mūsdienu grafikas kartes ar atbalstu reāllaika staru izsekošanai svārstās no 400 līdz 3000 ASV dolāriem.

Kad tiek izmantota staru izsekošana

Staru izsekošana video spēlē tiek izmantota gandrīz visur, bet īpaši izgrieztās ainās. Vai esat kādreiz pamanījis, kāpēc videospēļu sagrieztu sižetu laikā jūsu varonis izskatās dzīvīgāks un izsmalcinātāks? Tas ir staru izsekošana darbībā. 2019. gada AAA nosaukuma kontrole ir labākais piemērs veiksmīgai staru izsekošanai videospēlē.

Ārpus videospēlēm staru izsekošana tiek izmantota arī daudzās nozarēs. Arhitektūrā staru izsekošana ir iestrādāta programmatūras lietojumprogrammās ēkas 3D modelēšanai. Tas padara arhitekta iztēli par ēkas dizainu reālāku nekā ar roku zīmētas koncepcijas skices, un modelēšanas gaisma ir precīzāka. Inženierzinātnēs staru izsekošana tiek izmantota arī līdzīgam mērķim.

Spēļu izstrādātāji un staru izsekošana

Pēc staru izsekošanas uzņēmuma RayScale iegādes 2008. gadā Nvidia kļuva par pirmo nozarē, kas komerciāli uzsāka staru izsekošanu. 2018. gadā tā iepazīstināja patērētājus ar savām GeForce RTX sērijas grafiskajām kartēm. Kopš tā laika lielu dziesmu izstrādātāji ir pievienojušies staru izsekošanas spēlei pa vienam.

2019. gadā Epic Games and Utility Technologies paziņoja, ka viņu paraksta aparatūras dzinēji tagad piedāvā vietēju atbalstu staru izsekošanai. 2018. gadā Microsoft integrēja staru izsekošanu DirectX 12, savā Xbox One galvenajā multivides un spēļu programmēšanas programmatūrā. 2020. gada sākumā tehnoloģiju titāns atklāja DirectX 12 Ultimate, jauninājumu uz DirectX 12.

Ja vēlaties uzzināt vairāk par staru izsekošanu, pārbaudiet mūsu salīdzinājums ar Nvidia jaunākajiem GeForce RTX produktiem. Ja esat Linux lietotājs, pārbaudiet, kā Linux vidē ir dažādi Nvidia un AMD GPU.

Kāpēc Nvidia 30. sērijas GPU ir labāki nekā AMD

Grafisko mikroshēmu gigants Nvidia, domājams, dominēs GPU tirgū ar savu jauno AMD pārspējamo 30. sērijas GFX karšu klāstu.

Ray Tracing veidos spēļu nākotni

Būtībā tas, ko apsola staru izsekošana, ir augstas kvalitātes vizuālā pieredze, kas nodrošina maksimālu baudu. Staru izsekošana video spēlēs joprojām ir ļoti agrīnā stadijā, taču tā ienākšana tirgū iezīmē daudzsološu nākotni miljardu dolāru industrijā.

7 labākās budžeta grafikas kartes lētām spēlēm

Mūsdienās budžeta grafikas kartes ir ļoti spējīgas. Šeit ir labākās budžeta grafikas kartes, kas ļaus jums spēlēt lēti.

Par autoru