Vad är ray tracing, och är det verkligen framtiden för spel?

(Bildkredit: Nvidia)

Om du har varit i och runt spelbranschen under de senaste åren har du hört talas om ray-tracing. Det har pratats mycket löst om hur ray tracing representerar framtiden för spel, och framtida hårdvara kommer säkert att behöva införliva dedikerade resurser för att hantera det. Men vad är ray tracing, och är den massiva hypebubblan som långsamt expanderar runt den motiverad?

En indikation på jakande är tillkännagivandet av Mark Cerny i en Trådbunden funktion att Sonys nästa konsol kommer att stödja ray tracing genom sin anpassade AMD Navi GPU. Han introducerade till och med en intressant rynka - konsolen kommer att kunna utnyttja strålspårning inte bara för visuella effekter, utan också för att simulera positionsljud.

En värld av ljus och skugga

Liksom all ny konsumentinriktad teknik, är ray tracing delvis fördunklat av alla marknadsföringsbuzzwords som kommer från människor med ett egenintresse av att sälja den. Sanningen är att ray tracing faktiskt inte alls är nytt, det är en teknik som filmstudior har använt i flera år i specialeffekter och animering för att ljussätta scener och möjliggöra korrekta reflektioner av digitala objekt. Kommer du ihåg när du såg de exploderande utomjordiska krigsskeppen inklädda i rök och eld reflekterade i Iron Mans hjälm i The Avengers? Det är ray tracing på jobbet. Vad som är nytt är löftet om att göra den här typen av rendering i realtid. Det gör det möjligt för videospel att uppnå i farten vad det tar Hollywood-renderingsgårdar dagar eller till och med veckor att åstadkomma, med hjälp av enormt dyr hårdvara för att beräkna strålspårning för komplexa scener med miljontals individuella fotonstrålar.

Strålspårning fungerar genom att simulera ljusstrålar och hur de interagerar med föremål och ytor. Den modellerar hur belysning påverkar färg eller ocklusion per stråle. Tidigare hanterades belysning under rastrering, processen att översätta 3D-polygonala modeller till en 2D-bild byggd av pixlar. Ljuseffekter var till stor del 'förfalskade', med en motor som avgjorde hur ljuskällor i en scen teoretiskt skulle påverka ytor baserat på placering och skuggning/färgning av pixlarna på den ytan i enlighet därmed. Det är beräkningseffektivt, så det kräver inte den typ av löjligt kraftfull, dedikerad hårdvara som ray tracing traditionellt har, men den kommer med ett antal begränsningar.

Bästa grafikkort för PC-spel

Vår sammanfattning av bästa grafikkort för PC-spel, för att driva moderna trippel-A-titlar, till de bästa priserna du kan hitta var som helst.

Med strålspårning kan utvecklare simulera hur ljus fungerar i den verkliga världen, något som är omöjligt i rasterbaserade lösningar. Detta innebär att scener ser mer naturligt upplysta och realistiska ut, och det betyder också att ljuskällor eller reflekterande föremål som inte är i bildruta fortfarande kan reflekteras exakt i den synliga scenen. Explosionen av en granat utanför skärmen kan fortfarande ses återspeglas i det glänsande metallskrovet på en Abrams-stridsvagn som rullar mot din karaktär, till exempel, och skuggor som kastats av andra soldater som för närvarande inte är i ram kan återges mer exakt.

Strålspårning fungerar genom att följa en ljusstråle från en pixel på skärmen tillbaka till 3D-scenen och spåra var eller om den interagerar med objekt innan den når ljuskällan. Om det träffar ett objekt, eller om det reflekteras mellan flera objekt, eller till och med bryts genom att passera genom glas eller vatten, representeras denna data i pixeln i form av ljus och färg.

Det är också möjligt att använda ray tracing i ljuddesign som Mark Cerny föreslår, särskilt om du letar efter en snabbare, renare lösning än mer traditionella metoder ger. Om du behandlar ljudvågor som mycket mindre strålar kan du modellera dem ungefär som strålspårningsmodeller lyser, dra dem från källan till slutanvändaren och bedöma var de interagerar med objekt i miljön. Svårigheten är att ljudvågor i allmänhet är mycket större än ljusvågor och når upp till tio meter eller större, medan ljusets våglängd mäts i nanometer, så att modellera dem som strålar kommer oundvikligen att orsaka felaktigheter. Det är dock säkert möjligt och skulle vara beräkningsmässigt mer effektivt än de flesta alternativa lösningar.

Hårdvaruberättelsen

Strålspårning i Metro Exodus; aktiverat i den högra bilden är det tydligast i reflektioner på snö och vatten

Det är troligt att du först hörde talas om ray tracing (trots att du sett det på skärmen i filmer i flera år) när Nvidia började presentera ray tracing-förmågan hos sin RTX 20-serie av kort. Nvidia gjorde en enorm mängd brus om hur dess RT-kärnor skulle göra det möjligt för nästa generations GPU:er att föra otrolig realtidsstrålning till videospel för första gången. Till stor del var det ett knep för att rättfärdiga de extremt höga priserna på de nya korten, men det var inte bara marknadsföringshype - det representerade en ganska fantastisk otrolig teknisk prestation som gjorde att moderna speldatorer att göra i realtid vad som tog dessa Hollywood-studior flera storleksordningar längre.

Mottagandet av dessa kort i 20-serien har varit blandade och försäljningen har varit ljum, men kanske ännu viktigare, Nvidias dominans av 'ray tracing in games'-berättelsen har börjat glida. Det har funnits ett antal stötestenar, varav den första och viktigaste är hur få spel för närvarande stöder ray tracing och hur det, även i de titlar som gör det, inte gör en iögonfallande, omedelbart märkbar inverkan på grafik och presentation. Detta kommer naturligtvis inte som en stor överraskning - de flesta nya grafikteknologier, som den senaste HDR-renässansen, tar lite tid att rullas ut och implementeras ordentligt, men det ser ut som om Nvidia var lite för långt före kurvan och den har börjat förlora sin framträdande strålspårning under tiden.

Först var det nyheten att RTX-kort inte var nödvändiga för strålspårning, vilket framgår av en CryEngine demo . Sedan tillkännagav Nvidia själv att det bulkade ut GTX-linjen med Turing-teknik men utan dedikerad ray-tracing-hårdvara, och slutligen att den tog med sig ray tracing-stöd till GTX-kort genom en drivrutinsuppdatering. Och nu cirkulerar rykten brett om att AMD snart ska börja rulla ut sina egna kort med dedikerat stöd för strålspårning som kan matcha eller överträffa RTX-linjen när det gäller prestanda. Eftersom AMD enligt uppgift arbetar med både Sony och Microsoft på nästa generations konsoler (troligen tillhandahåller diskreta, anpassade versioner av deras Navi-arkitektur), betyder ordet att AMD-chips snart kommer att packa dedikerad hårdvara för att stödja strålspårning att nästa generations konsoler sannolikt också kommer att hoppa på RT-tåget.

Lyser vägen framåt

Strålspårning i Remedys Northlight-motor

Allt detta är inte bra nyheter för Nvidia, åtminstone på kort sikt, men bra nyheter för ray tracing-entusiaster. Bredare hårdvarustöd innebär att arbetet med att bygga in ray tracing-teknik i spel kommer att se mycket mer tilltalande ut för utvecklare, eftersom det kommer att finnas en publik som kan uppskatta resultaten. Och även för Nvidia, när ray tracing blir mer allmänt förekommande, kommer försäljningen av dess RTX-hårdvara att bli mer, särskilt om företaget kan komprimera priserna för att påskynda försäljningen av den vanliga försäljningen.

Det är också goda nyheter för spelare i stort. Strålspårning kanske inte skapar stora vågor i praktisk mening nu, till stor del för att nuvarande stöd känns lite påskyndat eller klibbigt, men när vi ser spel konstruerade från hoppet med stöd för strålspårning i åtanke, kommer slutprodukterna att börja se ut. mycket mer imponerande. I otaliga demos, först från Nvidia och nu från CryEngine och Unity (spelmotorn som nyligen inkorporerade ray tracing-verktyg), har vi sett potentialen med ray tracing och, korrekt implementerad, är det så fantastiskt som marknadsföringen skulle få dig att tro.

Nyckeln är att strålspårning är mer HDR än 3D. Det är inte en gimmickig, flash-in-the-pan-teknik som kommer att misslyckas med att få fotfäste och lämna konversationen på mindre än ett år. Det är verkligen en viktig del av framtidens spel, att se till att nästa generations spel ser närmare verkligheten än någonsin tidigare, och att kunna leverera det i realtid är verkligen en fantastisk innovation. Det är en oundviklighet, och huvudfrågan kring strålspårning är mindre 'om' än 'när'.