ray tracing در بازی ویدیویی به چه معناست

ray tracing یک تکنیک نورپردازی است که سطح بیشتری از واقع گرایی را به بازی‌ها می‌آورد. این روش نحوه انعکاس و شکست نور را در دنیای واقعی شبیه‌سازی می‌کند و محیطی باورپذیرتر از آنچه که معمولاً با استفاده از نور استاتیک در بازی‌های سنتی‌تر دیده می‌شود فراهم می‌کند.

یک کارت گرافیک خوب می‌تواند از ردیابی اشعه برای افزایش غوطه وری استفاده کند، اما همه GPU ها نمی‌توانند از این تکنیک استفاده کنند. برای تصمیم گیری در مورد اینکه آیا ردیابی پرتو برای تجربه بازی شما ضروری است و آیا هزینه برای یک GPU ارتقا یافته را توجیه می کند، بخوانید. در ادامه همراه ما باشید تا متوجه شوید ray tracing یا رهگیری پرتو چیست و چه تاثیری روی اجرای بازی دارد.

فوتون های مجازی

برای درک نحوه عملکرد سیستم ray tracing در بازی ویدیویی، باید به عقب برگردیم و درک کنیم که چگونه قبل‌تربازی‌ها نور را ارائه می‌کردند و همچنین آنچه را که برای یک تجربه واقعی باید شبیه‌سازی کرد. بازی‌های بدون ردیابی پرتو به نورپردازی ثابت متکی هستند. توسعه دهندگان منابع نور را در محیطی قرار می‌دهند که نور را به طور یکنواخت در هر نمای داده شده ساطع می‌کند. علاوه بر این، مدل‌های مجازی مانند NPCها و اشیاء حاوی هیچ اطلاعاتی در مورد هیچ مدل دیگری نیستند و به GPU نیاز دارند تا رفتار نور را در طول فرآیند رندر محاسبه کند. بافت‌های سطحی می‌توانند نور را برای تقلید براق بودن منعکس کنند، اما فقط نوری که از یک منبع ساکن ساطع می‌شود.

سیر تحول بازی‌های رایانه ای، گرافیک های قوی تری را می طلبد. به همین دلیل، تکامل GPU کمک کرده است که این فرآیند در طول سال‌ها از نظر ظاهری واقعی‌تر شود، اما بازی‌ها هنوز از نظر انعکاس‌های دنیای واقعی، انکسارها و روشنایی عمومی واقعی‌تر نیستند. برای انجام این کار، GPU به توانایی ردیابی پرتوهای مجازی نور نیاز دارد. در دنیای واقعی، نور مرئی بخش کوچکی از خانواده پرتوهای الکترومغناطیسی است که توسط چشم انسان درک می‌شود. حاوی فوتون‌هایی است که هم به صورت ذره و هم به صورت موج رفتار می‌کنند.

فوتون‌ها اندازه یا شکل واقعی ندارند – آنها فقط می‌توانند ایجاد یا نابود شوند. گفته می‌شود، نور را می‌توان به عنوان جریانی از فوتون‌ها شناسایی کرد. هر چه فوتون‌های بیشتری داشته باشید، نور درک شده روشن‌تر است. انعکاس زمانی اتفاق می‌افتد که فوتون‌ها از سطحی پرش می‌کنند. شکست زمانی اتفاق می‌افتد که فوتون‌ها – که در یک خط مستقیم حرکت می‌کنند. از یک ماده شفاف عبور می‌کنند و خط تغییر جهت می‌دهد یا «خم می‌شود».

فوتون‌های تخریب شده را می‌توان به عنوان “جذب” درک کرد. رهگیری پرتو در بازی ویدیویی تلاش می‌کند تا نحوه عملکرد نور در دنیای واقعی را تقلید کند. با ردیابی میلیون‌ها فوتون مجازی مسیر نور شبیه سازی شده را ردیابی می‌کند. هر چه نور روشن‌تر باشد، GPU باید فوتون‌های مجازی بیشتری را محاسبه کند و سطوح بیشتری منعکس، شکست و پراکنده می‌شود.

تفاوت 4k با full HD در چیست؟ این بلاگ را مطالعه کنید

CGI و پرتو رهگیری

CGI  برای چندین دهه از ردیابی پرتو استفاده کرده است، اگرچه این فرآیند در روزهای اولیه برای تولید یک فیلم کامل به تعداد زیادی رایانه نیاز داشت، با توجه به اینکه نمایش یک فریم ممکن است ساعت‌ها یا حتی روزها طول بکشد. اکنون، رایانه‌های شخصی خانگی می‌توانند گرافیک‌های ردیابی پرتو را در زمان واقعی تقلید کنند، از شتاب سخت‌افزاری و ترفندهای هوشمندانه نورپردازی برای محدود کردن تعداد پرتوها به تعداد قابل کنترل استفاده می‌کنند. مانند هر فیلم یا برنامه تلویزیونی، صحنه‌های انیمیشن CGI معمولاً با استفاده از زوایای مختلف “عکسبرداری” می‌شوند. برای هر فریم، می‌توانید یک دوربین را حرکت دهید تا از عمل عکس بگیرید، بزرگ‌نمایی کنید، کوچک‌نمایی کنید، یا کل منطقه را حرکت دهید و مانند انیمیشن، شما باید همه چیز را به صورت فریم به فریم دستکاری کنید تا حرکت را تقلید کنید. تمام فیلم‌ها را با هم بچینید و داستانی روان خواهید داشت.

در بازی‌ها، شما یک دوربین تکی را کنترل می‌کنید که همیشه در حال حرکت است و همیشه دیدگاه را تغییر می‌دهد، مخصوصاً در بازی‌های سریع. در هر دو بازی CGI و ray-traced، GPU نه تنها باید نحوه انعکاس و شکست نور را در هر صحنه مشخصی محاسبه کند، بلکه باید نحوه ثبت آن توسط لنز را نیز محاسبه کند. برای بازی‌ها، این مقدار زیادی کار محاسباتی برای یک رایانه شخصی یا کنسول است.

شباهت اساسی Ray Tracing به زندگی واقعی آن را به یک تکنیک رندر سه بعدی بسیار واقع گرایانه تبدیل می‌کند، حتی باعث می‌شود بازی‌های بلوکی مانند Minecraft در شرایط مناسب تقریباً واقعی به نظر برسند. فقط یک مشکل وجود دارد: شبیه سازی آن بسیار سخت است. بازآفرینی روشی که نور در دنیای واقعی کار می‌کند، پیچیده و نیازمند منابع زیادی است و به انبوهی از قدرت محاسباتی نیاز دارد. به همین دلیل است که گزینه‌های ردیابی پرتوی موجود در بازی‌ها، مانند ردیابی اشعه مبتنی بر RTX انویدیا، واقعی نیستند. آنها ردیابی پرتو واقعی نیستند، که به موجب آن هر نقطه نور شبیه سازی می‌شود. در عوض، GPU با استفاده از چندین تقریب هوشمند برای ارائه چیزی نزدیک به همان جلوه بصری اما بدون اینکه به سخت‌افزار فشار وارد کند، «تقلب» می‌کند. این احتمالاً در نسل‌های آینده GPU تغییر خواهد کرد، اما در حال حاضر، این گامی در مسیر درست است.

بهترین مانیتور برای چشم را در این بلاگ پیدا کنید

چه بازی هایی از ray tracing استفاده می‌کنند؟

اکثر بازی‌های ردیابی پرتو اکنون از ترکیبی از تکنیک‌های نورپردازی سنتی استفاده می‌کنند که معمولاً شطرنجی‌سازی نامیده می‌شود و ردیابی پرتو بر روی سطوح خاص مانند گودال‌های بازتابنده و فلزکاری. Battlefield V یک مثال عالی از آن است. شما انعکاس نیروها را در آب، انعکاس زمین در هواپیماها و انعکاس انفجارها را روی رنگ ماشین می‌بینید. نمایش انعکاس‌ها در موتورهای سه بعدی مدرن امکان پذیر است، اما نه در سطح جزئیات نشان داده شده در بازی‌هایی مانند Battlefield V هنگامی که ردیابی پرتو فعال است. ردیابی اشعه همچنین می‌تواند برای سایه‌ها استفاده شود تا آنها را پویاتر و واقعی‌تر کند. آن را در Shadow of the Tomb Raider خواهید دید.

نورپردازی با ردیابی پرتو می‌تواند سایه‌های واقعی‌تری را در صحنه‌های تاریک و روشن، با لبه‌های نرم‌تر و وضوح بیشتر ایجاد کند. دستیابی به چنین ظاهری بدون ردیابی پرتو بسیار سخت است. توسعه دهندگان تنها با استفاده دقیق و کنترل شده از منابع نوری ایستا و از پیش تعیین شده می‌توانند آن را جعل کنند. قرار دادن همه این “چراغ‌های صحنه” زمان و تلاش زیادی را می‌طلبد و حتی در این صورت، نتیجه کاملاً درست نیست. برخی از بازی‌ها در کل هوگ را دنبال می‌کنند و از ردیابی پرتو برای روشنایی جهانی استفاده می‌کنند و به طور موثر کل صحنه را ردیابی پرتو می‌کنند. اما این گرانترین گزینه از نظر محاسباتی است و برای اجرای موثر به قدرتمندترین کارت گرافیک مدرن نیاز دارد.  Metro Exodus  از این تکنیک استفاده می‌کند، اگرچه پیاده سازی آن بی نقص نیست. به همین دلیل، نیمه اندازه‌گیری‌ها مانند سایه‌های ردیابی پرتو یا سطوح بازتابنده محبوب هستند. سایر بازی‌ها از فناوری‌های انویدیا مانند حذف نویز و آموزش عمیق نمونه‌برداری برای بهبود عملکرد و پوشاندن برخی از مشکلات بصری ناشی از نمایش پرتوهای کمتر از آنچه که برای ایجاد یک صحنه واقعاً ردیابی پرتو لازم است، استفاده می‌کنند. آن‌ها هنوز هم برای اسکرین‌شات‌ها و فیلم‌های از قبل رندر شده رزرو شده‌اند، جایی که سرورهای پرقدرت می‌توانند روزها را صرف رندر کردن تک فریم کنند.

مانیتور CRT چیست؟ برای درک این موضوع، این بلاگ را مطالعه نمایید

سخت افزار پشت ray tracing

برای مدیریت حتی این پیاده‌سازی‌های نسبتاً متوسط ​​ردیابی پرتو، کارت‌های گرافیک سری RTX 20 انویدیا سخت‌افزاری را معرفی کردند که به‌طور خاص برای ردیابی پرتو ساخته شده بود. معماری تورینگ انویدیا – که بر روی پردازنده‌های گرافیکی سری 20 ارائه می‌شود هسته‌های RT را در کنار هسته‌های CUDA و Tensor انویدیا معرفی کرد. هسته‌های RT فقط برای ردیابی پرتوهای بلادرنگ وجود دارند. در کارت‌های تورینگ، هسته‌های RT عملکرد مناسبی داشتند، اما تا زمان عرضه اخیر Ampere، شاهد درخشش آنها نبودیم.

انویدیا تجزیه‌وتحلیلی از تولید یک فریم از Metro Exodus را منتشر کرد که در آن نشان می‌داد خط لوله رندر چگونه طراحی شده است و چگونه تحت تأثیر ردیابی پرتو قرار می‌گیرد. در حالی که یک RTX 2080 و GTX 1080 Ti ممکن است تقریباً از نظر عملکرد برای بازی‌های غیرقابل ردیابی قابل مقایسه باشند، وقتی ردیابی پرتو در یک صحنه اعمال می‌شود، می‌تواند بسیار بیشتر طول بکشد تا 1080 Ti – بدون هسته‌های RT اختصاصی تولید کند.

 هسته‌های اختصاصی RT در پردازنده‌های گرافیکی سری RTX 20 امتیاز فروش بزرگی بودند، اما عملکرد پیشنهادی انویدیا را کاملاً ارائه نکردند. حتی آخرین نسل 2080 Ti در عناوین ray tracing پشتیبانی شده پس از پرتاب با مشکل مواجه شد. با این حال، RTX 3080 و 3090 جدید دارای هسته‌های جدیدتر RT هستند و بهبود عملکرد واضح است. این کارت‌ها نه تنها سریع‌تر از همتایان نسل آخر خود هستند، بلکه هسته‌های جدید RT نیز سریع‌تر هستند. از بسیاری جهات، کارت‌های سری RTX 30 احساس می‌کنند که پردازنده‌های گرافیکی Nvidia در وهله اول با RTX امیدوارکننده بودند. با این حال، روش ردیابی پرتوی Nvidia تنها گزینه موجود نیست. همچنین افکت‌های پس از پردازش Reshade «ردیابی مسیر» وجود دارد که تصاویری مشابه را بدون عملکرد مشابه ارائه می‌دهد.

AMD در چند سال گذشته برای ارائه ردیابی پرتو با شتاب سخت‌افزاری تلاش کرده است، اما با عرضه RX 6800، 6800 XT و 6900 XT تغییر کرد. این کارت‌های جدید دارای پشتیبانی از DirectX 12 ray tracing هستند و عملکرد عالی ارائه می‌دهند. معماری Big Navi این همان معماری است که جلوه‌های بصری را در پلی استیشن 5 و ایکس باکس سری ایکس تقویت می‌کند و به طور کلی عملکرد پایین‌تری نسبت به کارت‌های پرچمدار انویدیا دارد. با این حال، از آنجایی که ردیابی پرتو یک ویژگی برجسته در کنسول‌های نسل بعدی است، انتظار داریم پشتیبانی و بهینه‌سازی بهتری در حال پیشرفت باشد. در آینده نزدیک شاهد عرضه AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) برای رایانه‌های شخصی بازی و همچنین آخرین نسخه‌های مایکروسافت ایکس باکس خواهیم بود.

رزولیشن پویا یا drs چیست؟ برای درک این موضوع این بلاگ را مطالعه نمایید

چگونه می توانید ray tracing را در خانه ببینید؟

برای دیدن ردیابی اشعه در خانه به یک کارت گرافیک جدید و گران قیمت نیاز دارید. ردیابی پرتوهای شتاب‌دهنده سخت‌افزاری فقط در پردازنده‌های گرافیکی سری ۲۰ و ۳۰ Nvidia RTX یا پردازنده‌های گرافیکی سری RX 6000 AMD موجود است. کارت‌های سری 10 و سری 16 GTX از ردیابی پرتو پشتیبانی می‌کنند اما فاقد هسته‌های RT هستند تا به راحتی قابل پخش باشند. به نظر می‌رسد که کارت‌های سری RX 6000 و RTX 30 در طول سال 2021 موجودی ندارند و کارت‌های سری RTX 20 به پایان عمر خود رسیده‌اند، به این معنی که موجودی به سرعت از خرده‌فروشان رو به کاهش است.

اگر انتظار دارید با وضوح بالاتر از 1080p و با نرخ فریم 60 فریم در ثانیه یا بیشتر بازی کنید، بهترین شرط شما این است که یک کارت گرافیک برتر را خریداری کنید. در رزولوشن 4K، RTX 3080 و RX 6800 XT کارت‌های برجسته هستند، اما اگر می‌خواهید در عناوین خاصی به رزولوشن 1440p بروید، می‌توانید با RTX 3070 یا RX 6800 کنار بیایید. انتخاب محدودی از بازی‌های دارای ردیابی پرتو وجود دارد، اما تعداد آنها در حال افزایش است. نمونه‌های برتر ردیابی پرتوها شامل دموهای اولیه RTX، مانند Battlefield V، Shadow of the Tomb Raider و Metro Exodus است. بازی‌های اخیر مانند Control و MechWarrior 5: Mercenaries نیز جذاب به نظر می‌‌رسند.  بازی‌های ردیابی پرتوی کمتری در بازار وجود دارد، اما صنعت در حال رشد است. همانطور که PS5 و Xbox Series X شروع به ردیابی پرتوهای تبلیغاتی می‌کنند، رقبا به زودی دنبال خواهند شد. بازی چند پلتفرمی Watch Dogs 2 با بازی جدید Watch Dogs: Legion متفاوت است، زیرا بازی جدید ray tracing را برای کار بر روی کنسول‌ها و رایانه‌ها آغاز کرده است.

بهترین بازی‌های کامپیوتری 2020 را در این بلاگ پیدا کنید

نتیجه گیری

توسعه‌دهندگان بازی اکنون بازی‌هایی را با پشتیبانی از ردیابی پرتو با سرعتی نمایی تولید می‌کنند. فناوری ray tracing گام بعدی در واقع گرایی بازی است که غوطه وری بیشتر و تجربه بصری بهتری را نسبت به قبل ارائه می‌دهد و با فناوری در حال تکاملی که از ردیابی پرتو پشتیبانی می‌کند، بازی با این ویژگی بسیار چشمگیر بهتر می‌شود.

امیدواریم توانسته باشیم به توضیح این مفهوم، درک صحیحی از پرتو رهگیری را به شما داده باشیم و شما را در خرید کارت گرافیک، برای گیم، راهنمایی کرده باشیم. همچنین در صورتی که سوالی در این زمینه برای شما وجود داشت، در قسمت نظرها آن را برای ما به اشتراک بگذارید.

سوالات متداول