تکنولوژی Ray Tracing چیست؟ نحوه‌فعال‌سازی + مزایا

اگر بازی‌های ویدیویی را با کیفیت بالایی انجام داده‌اید، بی‌شک تصویر بازتابی از شخصیت اصلی بازی روی شیشه‌های یک ساختمان یا درون یک گودال آب را به‌صورت کاملا مشخصی مشاهده کرده‌اید. این فناوری برای کمرنگ کردن مرز واقعیت و دنیای مجازی است، اما تعریف دقیق تکنولوژی Ray Tracing چیست، آیا برای مشاهده آن نیاز به گرافیک پیشرفته‌ای دارید.

در ساده‌ترین تعریف، این تکنولوژی روشی برای شبیه‌سازی رفتار فیزیکی و واقعی نور در محیط‌های دیجیتال است تا همانند دنیای واقعی که پرتوهای نوری از منبعی مانند خورشید یا لامپ ساطع می‌شوند، با اجسام برخورد کرده، منعکس شده و در نهایت به چشم ما می‌رسند، ری‌تریسینگ نیز دقیقاً همین فرآیند را به صورت ریاضی در محیط‌های سه‌بعدی شبیه‌سازی کرده و تصاویری خیره‌کننده ایجاد می‌کند. در ادامه به بررسی تخصصی این تکنولوژی پرداخته‌ایم.

رندرینگ سنتی در مقابل ری‌تریسینگ

برای درک عمیق این فناوری، ابتدا لازم است با روش‌های سنتی تولید تصویر آشنا شوید تا تفاوت‌ها را به‌صورت بهتری درک نمایید. قبل از ایجاد این تکنولوژی، صنعت بازی‌سازی و گرافیک عمدتاً از روشی به نام شطرنجی‌سازی یا Rasterization استفاده می‌کردند. در این روش، اشیا سه‌بعدی به صورت لایه‌هایی از چندضلعی‌ها تبدیل شده و روی صفحه نمایش دو‌بعدی نقاشی می‌شدند. برای شبیه‌سازی نور و سایه، از ترفندهای گرافیکی، نقشه‌های بافت آماده (Bump Mapping) و سایه‌زنی‌های از پیش محاسبه شده استفاده می‌کردند. اگرچه این روش بسیار سریع و بهینه بود، اما بسیاری از رفتارهای پیچیده نور را نمی‌توانست به درستی شبیه‌سازی کند.

در مقابل، همان‌طور که در پاسخ سوال تکنولوژی Ray Tracing چیست گفته شد، این روش کاملاً متفاوت بوده و مسیر تک‌تک پرتوهای نور از منبع نور (مانند خورشید در بازی) تا رسیدن به دوربین یا چشم بیننده شبیه‌سازی می‌شود. کامپیوتر محاسبه می‌کند که هر پرتو نور با کدام اجسام برخورد کرده، چگونه بازتاب می‌یابد یا در مواد شفاف شکسته می‌شود و چه مقدار از انرژی آن جذب خواهد شد. این فرآیند پیچیده دقیق‌ترین روش ممکن برای ایجاد تصاویری است که با قوانین فیزیک نور همخوانی کامل دارند.

چرا ری‌تریسینگ گرافیک را زیر و رو می‌کند؟

تاثیر این فناوری بر جلوه‌های بصری بازی‌ها و انیمیشن‌ها بسیار ایده‌آل است و جلوه‌هایی که در روش‌های قدیمی غیرممکن یا بسیار سخت بودند، با این روش به راحتی قابل انجام هستند. در زیر به مهم‌ترین جلوه‌های بصری توسط تکنولوژی ری‌تریسینگ پرداخته‌ایم:

• انعکاس‌های دقیق (Reflections)

در روش‌های سنتی، بازتاب اشیا در آینه‌ها، فلزات براق یا سطح آب اغلب ثابت، تار یا به‌صورت کاذب بود، اما با استفاده از تکنولوژی Ray Tracing بازیکنان می‌توانند بازتاب دقیق محیط پیرامون خود را ببینند؛ به طوری که اگر شخصیتی در بازی از کنار یک ساختمان شیشه‌ای عبور کند، تصویر آن به صورت واقعی و با زاویه دید صحیح روی شیشه بازتاب می‌یابد.

• سایه‌های نرم (Soft Shadows)

در دنیای واقعی، سایه‌ها لبه‌های تیز و سیاه مطلق ندارند و با دور شدن از اشیا محو می‌شوند. ری‌تریسینگ این رفتار را به خوبی شبیه‌سازی می‌کند.

• نورپردازی جهانی (Global Illumination)

برای اینکه بدانید GI در تکنولوژی Ray Tracing چیست می‌توان گفت که به بازتاب نور از یک سطح رنگی به سطح دیگر گفته می‌شود. برای مثال، اگر در یک اتاق مبل قرمز زیر نور آفتاب قرار گیرد، نور قرمز منعکس شده از مبل، روی دیوار سفید کناری نیز تاثیر گذاشته و آن را کمی قرمز می‌کند.

هزینه‌ سنگین ری‌تریسینگ برای سخت‌افزار

با وجود تمام زیبایی‌ها و واقع‌گرایی که این فناوری ارائه می‌دهد، استفاده از آن هزینه‌ی سنگینی دارد. محاسبه مسیر میلیون‌ها یا حتی میلیاردها پرتو نور در هر ثانیه و بررسی برخورد آن‌ها با هزاران جسم در صحنه، بار پردازشی عظیمی را به سیستم وارد می‌کند. به همین دلیل، فعال کردن این گزینه در بازی‌ها اغلب باعث افت شدید نرخ فریم (FPS) شده و تجربه بازی را روی سخت‌افزارهای قدیمی غیرممکن می‌کند.

برای رفع این مشکل، شرکت‌های سازنده سخت‌افزار به ویژه انویدیا (NVIDIA)، راهکارهای سخت‌افزاری جدیدی ارائه داده‌اند. کارت‌های گرافیک سری RTX این شرکت مجهز به هسته‌های اختصاصی RT یا RT Cores  هستند که به طور خاص برای انجام محاسبات ریاضی سنگین مربوط به تعقیب پرتوها طراحی شده‌اند. این هسته‌ها به جای پردازنده اصلی گرافیک، وظیفه محاسبه برخورد پرتوها با اشیاء را بر عهده می‌گیرند و سرعت این فرآیند را به شدت افزایش می‌دهند. با این حال، حتی با وجود این هسته‌ها، فشار پردازشی همچنان بالا بوده و نیاز به بهینه‌سازی‌های نرم‌افزاری نیز وجود دارد.

راهکار نجات: DLSS و FSR وارد می‌شوند

برای اینکه بازیکنان بتوانند همزمان از کیفیت بصری فوق‌العاده ری‌تریسینگ و نرخ فریم روان لذت ببرند، تکنولوژی‌های جدیدی مبتنی بر هوش مصنوعی ایجاد شده است. در پاسخ به سوال این فناوری‌های تکنولوژی Ray Tracing چیست می‌توان عنوان کرد که فناوری‌هایی مانند DLSS که توسط انویدیا ساخته شده‌ و FSR ساخته شده توسطAMD ، راهکارهای نرم‌افزاری هستند تا با استفاده از آپ‌اسکیلینگ (Upscaling) افت فریم ناشی از فعال کردن گزینه‌های گرافیکی سنگین را جبران کنند.

در روش آپ‌اسکیلینگ، بازی ابتدا در رزولوشن پایین‌تر رندر شده و فشار کمتری را به کارت گرافیک وارد می‌کند. سپس الگوریتم‌های هوش مصنوعی تصویر را به رزولوشن اصلی و بالاتر ارتقا داده و جزئیات آن را بازسازی می‌کنند. این فرآیند آن‌قدر سریع و باکیفیت انجام می‌شود که چشم انسان تفاوت آن با تصویر رندر شده در رزولوشن اصلی را تشخیص نمی‌دهد.

تکنولوژی Path Tracing؛ مرحله بعدی تکامل

با اینکه ری‌تریسینگ گامی بزرگ در جهت تصاویر واقع‌گرایانه بود، اما تکامل آن ادامه دارد و تکنولوژی پیشرفته‌تری به نام Path Tracing ایجاد شده است. این روش که در واقع نسخه تکامل‌یافته و کامل‌تری از ری‌تریسینگ بوده، در بازی‌هایی مانند Cyberpunk 2077 نسخه آپدیت شده به کار رفته است.

تفاوت اصلی Path Tracing با ری‌تریسینگ معمولی در تعداد و نحوه تعقیب پرتوهاست. در ری‌تریسینگ معمولی، ممکن است تنها پرتوهای مستقیم یا بازتاب‌های اولیه محاسبه شوند، اما در Path Tracing، مسیرهای متعدد و پیچیده‌ای برای نور در نظر گرفته می‌شود که شامل بازتاب‌های متعدد، پراکندگی نور در مواد و تعاملات نوری بسیار پیچیده است. به همین دلیل به این روش رهگیری پرتو کامل می‌گویند که بسیار به فیلم‌برداری در دنیای واقعی نزدیک می‌باشد، اما طبیعتاً هزینه سخت‌افزاری آن بسیار بیشتر از ری‌تریسینگ معمولی خواهد بود.

آیا برای تجربه ری‌تریسینگ به کارت گرافیک جدید نیاز داریم؟

شاید برایتان سوال باشد که موارد مورد نیاز برای تجربه تکنولوژی Ray Tracing چیست؛ این تجربه هزینه بسیار زیادی را برای خرید سخت‌افزار جدید نیاز دارد. در حال حاضر، تمام کنسول‌های نسل فعلی یعنی پلی‌استیشن ۵ (PS5) و ایکس‌باکس سری ایکس (Xbox Series X) از این تکنولوژی پشتیبانی کرده و بسیاری از بازی‌های انحصاری این کنسول‌ها از ری‌تریسینگ جهت ایجاد جلوه‌های بصری خیره‌کننده استفاده می‌کنند.

در حوزه کامپیوترهای شخصی، شرکت‌های بزرگ گرافیک، سری‌های خاصی از کارت‌های گرافیک را برای این کار معرفی کرده‌اند. سری کارت‌های گرافیک NVIDIA RTX شامل سری ۲۰، ۳۰ و ۴۰ بوده و به دلیل داشتن هسته‌های RT اختصاصی، اصلی‌ترین گزینه برای گیمرها هستند. از سوی دیگر، شرکت AMD نیز با کارت‌های گرافیک سری RX ۶۰۰۰ و سری ۷۰۰۰ خود، پشتیبانی خوبی از ری‌تریسینگ ارائه می‌دهد. بنابراین، برای درک عملی داشتن یکی از این سخت‌افزارها پیش‌شرط اصلی است.

جمع‌بندی: آیا ری‌تریسینگ ارزش کاهش فریم را دارد؟

در نهایت، با توجه به پاسخ تکنولوژی Ray Tracing چیست می‌توان گفت که تصمیم‌گیری برای استفاده از این تکنولوژی به نوع تجربه و سلیقه کاربر بستگی دارد. برای بازی‌های داستانی، تک‌نفره و سینمایی که در آن‌ها جو و فضای بازی در اولویت بوده و سرعت واکنش بالا اهمیت کمتری دارد، ری‌تریسینگ قطعاً ارزش کاهش فریم را دارد و تجربه‌ای بی‌نظیر را رقم می‌زند. دیدن انعکاس‌های واقعی، نورپردازی پویا و سایه‌های زنده در بازی‌هایی مانند Control یا Cyberpunk 2077 حس واقعی را برای بازیکن فراهم می‌کند.

اما در مقابل، برای بازی‌های رقابتی، شوتر اول شخص (FPS) و آنلاین که در آن‌ها هر ثانیه و هر فریم اهمیت حیاتی دارد، فعال کردن این گزینه توصیه نمی‌شود. در این بازی‌ها، گیمر معمولاً کیفیت گرافیکی را مهم‌تر از نرخ فریم بالاتر می‌داند تا رقابت خود را حفظ کنند. با این حال، با پیشرفت تکنولوژی و قدرتمندتر شدن سخت‌افزارها و بهینه‌تر شدن الگوریتم‌هایی مانند DLSS، در آینده‌ای نزدیک تکنولوژی Ray Tracing  به استاندارد پیش‌فرض و فعال تمام بازی‌ها تبدیل خواهد شد.