Jos olet viime aikoina katsonut vähänkään peli- ja grafiikkauutisia, olet kuullut viimeisimmän ja suurimman muotisanan: ray tracing. Olet ehkä kuullut myös samankaltaisen sanan nimeltä polun jäljitys. Ja voit saada täysin anteeksi, jos et ymmärrä täysin, mitä jompikumpi prosesseista on.

Yksinkertainen selitys on, että sekä polun seuranta että säteen jäljitys ovat graafisia tekniikoita, jotka johtavat realistisemman näköisiin kuviin huomattavasti suuremman laskentatehon kustannuksella. YouTubessa^(YouTube) on Minecraft -video, joka osoittaa selkeästi säteenseurannan erityispiirteet, mutta myös havainnollistaa sen järjestelmään kohdistuvaa stressiä.

Jos tämä on ainoa tarvitsemasi selitys, hienoa! Mutta jos haluat kaivaa syvälle ja selvittää, kuinka kukin tekniikka toimii ja miksi GPU -laitteistoyritykset veloittavat pienen omaisuuden säteenseurantaa tukevista korteista, lue eteenpäin.

Rasterointi ja tietokonegrafiikka

Tietokoneen näytöllä näkemäsi kuva ei alkanut samana kuvana. Se alkaa joko rasteri- tai vektorikuvana. Rasterikuva koostuu kokoelmasta varjostettuja pikseleitä.

Vektorikuva perustuu matemaattisiin kaavoihin, mikä tarkoittaa, että kuvan kokoa voidaan suurentaa lähes loputtomiin. Vektorikuvien huono puoli on, että tarkempia yksityiskohtia on vaikea saavuttaa. Vektorikuvia^(Vector) käytetään parhaiten, kun tarvitaan vain muutama väri.

Rasteroinnin tärkein vahvuus on sen nopeus, erityisesti verrattuna tekniikoihin, kuten säteen jäljitykseen. GPU tai grafiikkasuoritusyksikkösi^(GPU) käskee peliä luomaan 3D-kuvan pienistä muodoista, useimmiten kolmioista. Nämä kolmiot muunnetaan yksittäisiksi pikseleiksi ja viedään sitten varjostimen läpi näytöllä näkyvän kuvan luomiseksi.

Rasterointi on ollut videopeligrafiikan yleisin vaihtoehto jo pitkään sen käsittelyn nopeuden vuoksi, mutta kun nykyinen tekniikka alkaa törmätä rajojaan vastaan, tarvitaan kehittyneempiä tekniikoita, jotta päästään eteenpäin seuraavalle tasolle. Siellä säteen jäljitys tulee käyttöön.

Säteenseuranta^(Ray) näyttää paljon realistisemmalta kuin rasterointi, kuten alla oleva kuva osoittaa. Katso heijastuksia teekannussa ja lusikassa.

Mikä on Ray Tracing?

Pintatasolla säteen jäljitys on kattotermi, joka tarkoittaa kaikkea yhdestä valon ja kohteen risteyksestä täydelliseen fotorealismiin. Yleisimmässä nykyään käytetyssä kontekstissa säteenseuranta viittaa kuitenkin renderöintitekniikkaan, joka seuraa valonsädettä (pikseleinä) asetuspisteestä ja simuloi, kuinka se reagoi, kun se kohtaa esineitä.

Odota hetki ja katso huoneen seinää, jossa olet. Onko seinällä valonlähde vai heijastuuko valo muusta lähteestä? Säteillä^(Ray) piirretty grafiikka alkaisi silmästäsi ja seuraisi näkölinjaasi seinään ja seuraisi sitten valon polkua seinästä takaisin valonlähteeseen.

Yllä oleva kaavio havainnollistaa, kuinka tämä toimii. Simuloitujen "silmien" (kamera tässä kaaviossa) syy on vähentää GPU :n kuormitusta .

Miksi? No, säteenseuranta ei ole aivan uusi. Se on itse asiassa ollut olemassa jo jonkin aikaa. Pixar käyttää säteenseurantatekniikoita monien elokuviensa luomiseen, mutta korkealaatuinen, kuva ruudulta -grafiikka Pixarin^(Pixar) saavuttamilla resoluutioilla vie aikaa.

Paljon^{(A lot)} aikaa. Jotkut Monsters Universityn^{(Monsters University)} kehykset kestivät 29 tuntia kukin. Toy Story 3 kesti keskimäärin 7 tuntia ruutua kohden, ja jotkut ruudut veivät 39 tuntia Wiredin vuoden 2010 tarinan mukaan.^{(Wired. )}

Koska elokuva havainnollistaa valon heijastusta kaikilta pinnoilta luodakseen kaikkien tunteman ja rakastaman graafisen tyylin, työtaakka on lähes käsittämätön. Rajoittamalla säteenseurantatekniikat vain siihen, mitä silmä näkee, pelit voivat hyödyntää tekniikkaa ilman, että grafiikkaprosessori romahtaa (kirjaimellisesti).

Katso alla olevaa kuvaa.

Se ei ole valokuva, vaikka se näyttää aidolta. Se on säteen jäljitetty kuva. Yritä kuvitella, kuinka paljon tehoa tarvitaan tältä näyttävän kuvan luomiseen. Yksi säde voidaan jäljittää ja käsitellä ilman suuria ongelmia, mutta entä sitten, kun säde kimpoaa esineestä?

Yksittäinen säde voi muuttua 10 säteeksi, ja näistä 10 voi muuttua 100:ksi ja niin edelleen. Kasvu on eksponentiaalista. Pisteen jälkeen pomppiminen ja heijastukset kolmannen ja neljännen asteen jälkeen näyttävät pienenevän tuoton. Toisin sanoen ne vaativat paljon enemmän tehoa laskemiseen ja näyttämiseen kuin niiden arvo on. Kuvan renderöinnin vuoksi jonnekin on vedettävä raja.  

Kuvittele nyt tekeväsi sen 30-60 kertaa sekunnissa. Tämä on määrä tehoa, joka tarvitaan säteenseurantatekniikoiden käyttämiseen peleissä. Se on varmasti vaikuttava, eikö?

Säteenseurantaan kykenevien näytönohjainkorttien saavutettavuus paranee ajan myötä, ja lopulta tämä tekniikka tulee yhtä helposti saataville kuin 3D-grafiikka. Toistaiseksi säteenseurantaa pidetään kuitenkin edelleen tietokonegrafiikkatekniikan kärjessä. Joten miten polun jäljitys tulee käyttöön?

Mikä on polun jäljitys?

Polun^(Path) jäljitys on eräänlainen säteen jäljitys. Se kuuluu tuon sateenvarjon alle, mutta siellä, missä säteen jäljitys teoriassa alun perin vuonna 1968, polun jäljitys tuli näyttämölle vasta vuonna 1986 (ja tulokset eivät olleet yhtä dramaattisia kuin nyt.)

Muistatko aiemmin mainitun säteiden eksponentiaalisen kasvun? Polun^(Path) jäljitys tarjoaa ratkaisun tähän. Kun renderöintiin käytetään polun jäljitystä, säteet tuottavat vain yhden säteen pomppua kohti. Säteet eivät seuraa asetettua linjaa pomppia kohti, vaan pikemminkin laukaisevat satunnaiseen suuntaan.

Polun jäljitysalgoritmi ottaa sitten satunnaisen näytteen kaikista säteistä lopullisen kuvan luomiseksi. Tämän tuloksena otetaan näytteitä erilaisista valaistustyypeistä, mutta erityisesti globaalista valaistuksesta.

Mielenkiintoinen asia polun jäljittämisessä on, että vaikutusta voidaan emuloida käyttämällä varjostimia. Nintendo Switch -emulaattorille ilmestyi äskettäin Shader- korjaus, jonka avulla pelaajat voivat jäljitellä polkujäljitettyä maailmanlaajuista valaistusta peleissä, kuten The Legend of Zelda: Breath of the Wild ja Super Mario Odyssey. Vaikka tehosteet näyttävätkin hyviltä, ​​ne eivät ole yhtä täydellisiä kuin todellinen polun jäljitys.

Polun^(Path) jäljitys on vain yksi säteen jäljityksen muoto. Vaikka sitä kehuttiin parhaaksi tavaksi renderöidä kuvia, polun jäljityksessä on omat puutteensa.

Mutta loppujen lopuksi sekä polun jäljitys että säteen jäljitys johtavat ehdottoman kauniisiin kuviin. Nyt kun kuluttajatason koneiden laitteistot ovat saavuttaneet pisteen, jossa säteenseuranta on mahdollista reaaliajassa videopeleissä, teollisuus on valmis tekemään läpimurron, joka on melkein yhtä vaikuttava kuin askel 2D-grafiikasta 3D-grafiikkaan.

Kestää kuitenkin vielä jonkin aikaa – ainakin useita vuosia – ennen kuin tarvittavaa laitteistoa pidetään "edullisena". Tällä hetkellä jopa tarvittavat näytönohjaimet maksavat reilusti yli 1 000 dollaria.

What is Path Tracing and Ray Tracing? And Why do They Improve Graphics?

If you’ve taken even thе slightest glance tоwards gaming and graphics news lately, then you’vе heard the latest and greatest buzzword: raу tracing. You might аlso have heard a similar-sounding wоrd called path tracing. And you could be totаlly forgiven for not fully understandіng what eithеr one of the processes is.

A simple explanation is that both path tracing and ray tracing are graphical techniques that result in more realistic-looking images at the cost of significantly more computational power. There is a Minecraft video on YouTube that demonstrates the particular aspects of ray tracing in a clear way, but also illustrates the stress it puts on a system.

If that’s the only explanation you need, great! But if you want to dig deep and find out how each technique works and why GPU hardware companies are charging a small fortune for ray tracing-capable cards, read on.

Rasterization and Computer Graphics

Any image you see displayed on a computer screen did not start out as that image. It begins as either a raster or a vector image. A raster image is composed of a collection of shaded pixels.

A vector image is based on mathematical formulas that mean the image can be increased in size almost indefinitely. The downside of vector images is that more precise details are difficult to achieve. Vector images are best used when only a few colors are needed.

The main strength of rasterization is its speed, especially in comparison to techniques like ray tracing. Your GPU, or graphics processing unit, will tell the game to create a 3D image out of small shapes, most often triangles. These triangles are turned into individual pixels and then put through a shader to create the image you see on screen.

Rasterization has been the go-to option for video game graphics for a long time due to how quickly it can be processed, but as current technology begins to bump against its limits more advanced techniques are needed ot break through to the next level. That’s where ray tracing comes in.

Ray tracing looks far more realistic than rasterization, as the image below illustrates. Look at the reflections on the tea pot and the spoon.

What is Ray Tracing?

At the surface level, ray tracing is an umbrella term that means everything from a single intersection of light and object to complete photorealism. In the most common context used today, however, ray tracing refers to a rendering technique that follows a beam of light (in pixels) from a set point and simulates how it reacts when it encounters objects.

Take a moment and look at the wall of the room you’re in. Is there a light source on the wall, or is light reflected off the wall from another source? Ray traced graphics would start at your eye and follow your line of sight to the wall, and then follow the path of light from the wall back to the light source.

The diagram above illustrates how this works. The reason for the simulated “eyes” (the camera in this diagram) is to lessen the load on the GPU.

Why? Well, ray tracing isn’t brand-new. It’s actually been around for quite some time. Pixar uses ray tracing techniques to create many of its movies, but high-fidelity, frame-by-frame graphics at the resolutions Pixar achieves take time.

A lot of time. Some frames in Monsters University took a reported 29 hours each. Toy Story 3 took an average of 7 hours per frame, with some frames taking 39 hours according to a 2010 story from Wired.

Because the film illustrates the reflection of light from every surface to create the graphical style everyone has come to know and love, the work load is almost unimaginable. By limiting ray tracing techniques to only what the eye can see, games can utilize the technique without causing your graphics processor to have a (literal) meltdown.

Take a look at the image below.

That’s not a photograph, despite how real it looks. It’s a ray-traced image. Try to imagine how much power is required to create an image that looks like this. One ray can be traced and processed without much trouble, but what about when that ray bounces off an object?

A single ray can turn into 10 rays, and those 10 can turn into 100, and so on. The increase is exponential. After a point, bounces and reflections beyond tertiary and quaternary display diminishing returns. In other words, they require far more power to calculate and display than they are worth. For the sake of rendering an image, a limit has to be drawn somewhere.  

Now imagine doing that 30 to 60 times per second. That is the amount of power required to use ray tracing techniques in games. It’s certainly impressive, right?

The attainability of graphics cards capable of ray tracing will go up as time goes on, and eventually this technique will become as readily available as 3D graphics. For now, though, ray tracing is still considered the cutting-edge of computer graphics. So how does path tracing come into play?

What is Path Tracing?

Path tracing is a type of ray tracing. It falls under that umbrella, but where ray tracing was originally theorized in 1968, path tracing didn’t come onto the scene until 1986 (and the results were not as dramatic as those now.)

Remember the exponential increase in rays mentioned earlier? Path tracing provides a solution to that. When using path tracing for rendering, the rays only produce a single ray per bounce. The rays do not follow a set line per bounce, but rather shoot off in a random direction.

The path tracing algorithm then takes a random sampling of all of the rays to create the final image. This results in sampling a variety of different types of lighting, but especially global illumination.

An interesting thing about path tracing is that the effect can be emulated through the use of shaders. A shader patch appeared recently for a Nintendo Switch emulator that allowed players to emulate path traced global illumination in titles like The Legend of Zelda: Breath of the Wild and Super Mario Odyssey. While the effects look nice, they aren’t as complete as true path tracing.

Path tracing is just one form of ray tracing. While it was hailed as the best way to render images, path tracing comes with its own flaws.

But in the end, both path tracing and ray tracing result in absolutely beautiful images. Now that the hardware in consumer-grade machines has reached a point that ray tracing is possible in real-time in video games, the industry stands poised to make a breakthrough that’s almost as impressive as the step from 2D to 3D graphics.

However, it will still be some time—several years at least—before the necessary hardware will be considered “affordable.” As of now, even the necessary graphics cards cost well over $1,000.

Related posts

• Tekstin kääntäminen polulla Illustratorissa

• 3 tapaa ottaa valokuva tai videota Chromebookilla

• Kuinka tunnistaa tietokoneen ja sähköpostin valvonta- tai vakoiluohjelmisto

• Litteän näytön tekniikka, joka on poistettu mysteeristä: TN, IPS, VA, OLED ja paljon muuta

• Caps Lockin ottaminen käyttöön tai poistaminen käytöstä Chromebookissa

• Mikä on Discord Streamer -tila ja kuinka se asetetaan

• Kuinka ladata ja asentaa Peacock Firestickiin

• 4 tapaa löytää parhaat Internet-vaihtoehdot (ISP) alueellasi

• Discordin spoileritunnisteiden käyttäminen

• 7 pikakorjausta, kun Minecraft kaatuu jatkuvasti

• 8 tapaa saada lisää krediittejä Audiblesta

• Disney Plus -virhekoodin 83 korjaaminen

• Kuinka tarkistaa kiintolevysi virheiden varalta

• Pelin hyvitys Steamissä

• Parhaat kamera-asetukset muotokuvia varten

• Langattoman tulostimen tekeminen langattomaksi kuudella eri tavalla

• VLOOKUPin käyttäminen Google Sheetsissa

• Kuinka avata tiedosto ilman laajennusta

• Emojien lisääminen Wordiin, Google-dokumentteihin ja Outlookiin

• 8 tapaa kasvattaa Facebook-sivusi yleisöä