Что такое трассировка лучей? Узнайте, как работает трассировка лучей

Эволюция технологий приносит  прорывы в визуальном восприятии, а также   в графике . Так что же такое трассировка лучей ? Почему говорят, что это технология будущего? Давайте узнаем с WebTech360 в этой статье

Что такое трассировка лучей?

Трассировка лучей  — это техника рендеринга (рендеринга) света путем следования за световыми лучами (трассировка означает преследование, луч — лучи света). Вы можете представить эту технику как то, как вы смотрите вверх на солнце, отслеживая, куда падают его лучи, на какие объекты они попадают и как они светят на окружающие предметы. Трассировка лучей воссоздает этот процесс, но в цифровой среде.

Другими словами, трассировка лучей отслеживает свет, поглощенный, отраженный, рассеянный и рассеянный каждым объектом в окружающей среде, и применяется не только к лучу света от солнца, но и к любому другому источнику света (например: 2 лампочки). в игровой комнате мерцающий огонь камина в игре, исправлен искусственный источник света при рендеринге 3D...).

В настоящее время архитектура Turing с трассировкой лучей по-прежнему находится под большим вопросом, ожидается, что она станет революционным поворотным моментом на рынке графических процессоров, такие продукты, вероятно, появятся в большинстве ПК в будущем.или нет, или цена настолько высока, что немногие могут владеть и использовать его?

Трудно ответить, потому что, хотя были статьи и обзоры для двух серий GeForce RTX 2080 FE и GeForce RTX 2080 Ti FE, нам все еще нужно ждать, даже для игр, поддерживающих высокие технологии. отслеживание. Кроме того, этой новой технологией оснащены профессиональные видеокарты Quadro: Quadro RXT 8000, Quadro RXT 6000, Quadro RXT 5000, Quadro RXT 4000.

Как работает трассировка лучей

Целью трассировки лучей является создание более реалистичного освещения и более естественного затенения, и серия NVIDIA RTX добилась впечатляющих результатов, по крайней мере, в демонстрациях запуска . Деревянная комната с открытым окном будет освещать почти всю комнату при использовании традиционного освещения, а при включенной трассировке лучей места с прямым светом будут ярче, чем в темных углах комнаты. NVIDIA также показала, как пламя в Battlefield V может преследовать персонажа в игре и очень реалистично обжигать двери автомобилей.

Свет влияет не только на освещение, но и на цвет, глубину и тени. Так что, когда освещение смоделировано близко к реальной жизни, остальные элементы также сделаны хорошо. Шейдеры в текущей игре выглядят довольно резкими и четкими, в них отсутствует небольшой переход между светлыми и темными пятнами, а трассировка лучей — это то, что делает это возможным.

Алгоритм трассировки лучей 

Создание симуляции реального мира — очень сложная задача. Он включает в себя множество факторов, таких как бесконечное количество световых лучей, отражающих поверхностей, проходящих сквозь объекты, и все это основано на молекулярных свойствах каждого объекта, не говоря уже о гравитации и физических взаимодействиях. Имитация такой «бесконечной» вещи, используя только конечные ресурсы текущего компьютера, совершенно несоразмерна и невозможна.

Мы называем решение вышеупомянутой проблемы «растеризацией», вместо того, чтобы иметь дело с бесконечным числом фотонов, обработка начинается с полигонов. Больше полигонов означает более высокую скорость обработки, а растеризация призвана превратить эти миллионы полигонов в конкретное изображение.

Короче говоря, он создает 2D-прототипы и визуализирует их в предварительно созданном 3D-мире. В нем 2D-изображения, состоящие из полигонов, могут покрывать весь экран при просмотре вблизи, но могут покрывать лишь несколько пикселей при просмотре на расстоянии, тем самым создавая пиксели, текстуры и принципы света. Конечно, одна техника не может охватить всю работу.

Различные методы, такие как Z-буфер (вторичный буфер, который отслеживает глубину каждого пикселя), ускоряют процесс, создавая инструмент, который делает миллионы сгенерированных полигонов видимыми, сортируемыми и обрабатываемыми максимально эффективно. Для этого могут потребоваться миллионы или даже миллиарды вычислений на кадр, с которыми могут справиться только современные графические процессоры со скоростью обработки терафлопс.

Трассировка лучей подходит к вышеуказанной проблеме иначе, чем растеризация , исторически она существует уже около 50 лет. Тернер Уиттед в настоящее время работает в NVIDIA , в прошлом рисуя наброски, как вычислять рекурсивное отслеживание, что приводит к впечатляющим визуальным эффектам, включая тени, отражения и многое другое. Конечно, это будет намного сложнее, чем растеризация.

Трассировка лучей включает определение направления луча (обычно луча света) при проецировании его в трехмерный мир. Предположим, вы хотите построить объект, в первую очередь необходимо определить лучи света, которые следуют за многоугольником, составляющим объект, затем принять во внимание возможные источники света, свойства многоугольника, такие как материал, плоская или изогнутая поверхность. Короче говоря, добавьте или вычтите световые лучи.

Затем этот процесс повторяется для любых других источников света, включая свет, отраженный от объектов в сцене. Он настолько сложен, что требуется множество формул, чтобы сделать возможной трассировку лучей даже для прозрачных и полупрозрачных поверхностей, например стекла или воды . Все должно иметь предел искусственного отражения, потому что даже луч не может обнаружить все бесконечное количество фотонов.

По данным NVIDIA , наиболее часто используемый алгоритм трассировки лучей — это BVH Traversal: Bounding Volume Hierarchy Traversal , который ускоряет процесс за счет зонирования объектов для обработки, другими словами «разделяй и властвуй».

Вы можете обратиться к модели кролика NVIDIA, которая использует алгоритм BVH, который локализует каждый уровень, делит части на блоки, все меньше и меньше, пока алгоритм не приведет к короткому списку полигонов, а затем задание трассировки лучей.

Однако объем работы при выполнении этой работы с программным обеспечением на ЦП или ГП слишком велик. Альтернативой является ядро ​​RT, каждое ядро ​​RT имеет встроенный алгоритм структуры BVH, благодаря чему оно способно выполнять работу в 10 раз быстрее, чем ядро ​​CUDA.

Кроме того, необходимо также упомянуть, сколько световых лучей детектируется на пиксель, всего один луч приводит к десяткам или сотням вычислений, но чем больше лучей отслеживается, тем легче будет работа, а производительность выше. Такие компании, как Pixar, также используют технологию трассировки лучей для создания анимации.

Для 90-минутного фильма с частотой кадров 60 кадров в секунду требуется 324 000 изображений, для каждого из которых требуется несколько часов для вычисления лучей, отслеживающих каждый пиксель. Как NVIDIA собирается достичь такого эквивалента реального времени? Выше я упомянул о появлении RT-ядер, но если этого недостаточно, ответ заключается в том, что ядра Tensor доступны только в архитектуре Turing. Для простого примера, при рабочей нагрузке FP16 ядра Tensor достигают 114 TFLOPS, в то время как FP32 и CUDA имеют только 14,2 TFLOPS.

Но почему ядра Tensor достаточно для трассировки лучей? Это ИИ и самообучение, другими словами, это функция Deep Learning Super Sampling, которая позволяет игре рендериться с более низким разрешением без AA, тогда ядро ​​Tensor унаследует и повлияет на кадр, сглаживая для более высокого разрешения.

В заключение, такие громкие имена в индустрии рендеринга, как Epic, UE, Unity 3D, EA Frostbite, занялись трассировкой лучей. Microsoft даже создала DirectX Ray специально для трассировки лучей. С RTX это действительно большой скачок в индустрии компьютерной графики, конечно, он еще не завершен, и в течение следующих десяти лет вывести RTX 2080 Ti на рынок в качестве мейнстрима вполне возможно.

Технология трассировки лучей в новейших видеокартах NVIDIA

Текущие графические технологии от NVIDIA и практически всей отрасли связаны с моделированием света и поведения света в заданной сцене более простым способом, называемым растеризацией. Подобно тому, как рисует художник, объекты визуализируются слой за слоем, сзади к началу, поэтому объекты на переднем плане будут заслонять объекты на заднем плане.

Отображение разницы между обычным растром (слева) и трассировкой лучей (справа).

Однако этот подход будет затруднен при рендеринге отражения, потому что растровая техника не сможет отслеживать и рендерить свет. Он часто используется в сценах реального времени, потому что существующего оборудования недостаточно для имитации движения сложных сцен, например, в видеоиграх или 3D-анимации.

Между тем, трассировка лучей реконструирует поведение света при попадании на поверхности, материалы и движущиеся объекты.

Свет, проходящий через сцену, можно визуализировать и сделать более сложным. С помощью трассировки лучей вы можете имитировать взаимодействие световых лучей с объектами, создавая реалистичные эффекты отражения, преломления и рассеяния в реальном времени. Трассировка лучей может даже обнаруживать и отображать рефракторы, отражатели, визуализировать источник света в сцене и даже цвет света после того, как он прошел через объект.

Фактически, этот метод использовался на практике в таких фильмах, как «Университет монстров» Pixar и «Железный человек» Marvel. Но это было тогда, когда его использовали профессиональные пользователи, а теперь он стал доступным для обычных пользователей, что раньше было невозможно.

Это заслуживает того, чтобы называться подвигом NVIDIA, потому что трассировка лучей требует огромных вычислительных мощностей. Генеральный директор NVIDIA Дженсен Хуанг (Jensen Huang) сказал, что это «самый большой скачок, который мы когда-либо совершали за поколение (карты GPU)».

Способ решения проблемы NVIDIA заключается в использовании новой архитектуры Turing в недавно выпущенных графических процессорах. Эта архитектура предназначена для решения проблемы обработки. Выделенные ядра трассировки лучей также оснащены тензорными ядрами, которые могут использовать ИИ для вывода части изображения «в реальном времени» — наиболее ресурсоемкой задачи этой техники. Таким образом, графические процессоры могут эмулировать в 6 раз быстрее, чем предыдущая платформа Pascal (на GTX 1080Ti).

Это действительно огромный скачок в графических технологиях, и приятно думать, что студии и частные лица теперь смогут расширить использование этой техники трассировки лучей на приложения в анимации, научных играх и симуляциях.

Будем надеяться, что технология трассировки лучей будет все больше и больше развиваться, тогда мы будем испытывать еще более красивое качество изображения, но в настоящее время вам действительно сложно испытать трассировку лучей для других пользователей ужасных игр, потому что они требуют огромного программного обеспечения. Если вам нужна консультация по игровой конфигурации Ray Tracing, обратитесь в WebTech360 .

Синтезировано из: Genk.vn