Hvis du har taget selv det mindste blik mod spil- og grafiknyheder for nylig, har du hørt det nyeste og bedste buzzword: ray tracing. Du har måske også hørt et lignende klingende ord kaldet sti-spor. Og du kan blive helt tilgivet for ikke fuldt ud at forstå, hvad enten en af ​​processerne er.

En enkel forklaring er, at både sti-sporing og strålesporing er grafiske teknikker, der resulterer i mere realistiske billeder til prisen for betydeligt mere computerkraft. Der er en Minecraft-video på YouTube, der demonstrerer de særlige aspekter af strålesporing på en klar måde, men også illustrerer den stress, det lægger på et system.

Hvis det er den eneste forklaring, du har brug for, fantastisk! Men hvis du vil grave dybt og finde ud af, hvordan hver teknik fungerer, og hvorfor GPU-hardwarevirksomheder opkræver en lille formue for kort, der kan spores med ray-spor, kan du læse videre.

Rasterisering og computergrafik

Ethvert billede, du ser, der vises på en computerskærm, startede ikke som det billede. Det begynder enten som en raster eller et vektorbillede. Et rasterbillede er sammensat af en samling af skraverede pixels.

Et vektorbillede er baseret på matematiske formler, der betyder, at billedet kan øges i størrelse næsten ubestemt. Ulempen med vektorbilleder er, at det er vanskeligt at opnå mere præcise detaljer. Vectorbilleder bruges bedst, når der kun er behov for få farver.

Rasteriseringens vigtigste styrke er dens hastighed, især i sammenligning med teknikker som strålesporing. Din GPU eller grafikbehandlingsenhed fortæller spillet om at oprette et 3D-billede ud af små figurer, oftest trekanter. Disse trekanter omdannes til individuelle pixels og placeres derefter gennem en shader for at oprette det billede, du ser på skærmen.

Rasterisering har været go-to indstillingen til videospilgrafik i lang tid på grund af hvor hurtigt det kan behandles, men efterhånden som den nuværende teknologi begynder at støde mod dens grænser er der behov for mere avancerede teknikker til at bryde igennem til næste niveau. Det er her strålesporing kommer ind.

Strålesporing ser langt mere realistisk ud end rasterisering, som billedet herunder illustrerer. Se på reflektionerne på tepanden og skeen.

Hvad er Ray Tracing?

På overfladeniveau er strålesporing et paraplyudtryk, der betyder alt fra et enkelt skæringspunkt mellem lys og genstand til komplet fotorealisme. I den mest almindelige kontekst, der anvendes i dag, henviser strålesporing imidlertid til en gengivelsesteknik, der følger en lysstråle (i pixels) fra et sætpunkt og simulerer, hvordan den reagerer, når den støder på objekter.

Tag et øjeblik og se på væggen i det rum, du er i. Er der en lyskilde på væggen, eller reflekteres lys fra væggen fra en anden kilde? Ray-sporet grafik ville starte ved dit øje og følge din synslinie til væggen og derefter følge lysets vej fra væggen tilbage til lyskilden.

Diagrammet ovenfor illustrerer, hvordan dette fungerer. Årsagen til de simulerede “øjne” (kameraet i dette diagram) er at mindske belastningen på GPU'en.

Hvorfor? Nå, ray tracing er ikke helt ny. Det har faktisk eksisteret i ganske lang tid. Pixar anvender strålesporingsteknikker til at oprette mange af sine film, men grafisk billede-for-ramme-grafik af høj kvalitet, i de opløsninger Pixar opnår tager tid.

En masse tid. Nogle rammer på Monsters University tog hver rapporteret 29 timer. Toy Story 3 tog i gennemsnit 7 timer pr. Ramme, hvor nogle rammer tog 39 timer i henhold til en 2010-historie fra Wired.

Fordi filmen illustrerer refleksion af lys fra enhver overflade for at skabe den grafiske stil, som alle har lært at kende og elske, er arbejdsbyrden næsten ufattelig. Ved at begrænse strålesporingsteknikker til kun, hvad øjet kan se, kan spil bruge teknikken uden at få din grafiske processor til at få en (bogstavelig) nedsmeltning.

Se billedet herunder.

Det er ikke et fotografi, på trods af hvor ægte det ser ud. Det er et stråledrevet billede. Prøv at forestille dig, hvor meget energi der kræves for at skabe et billede, der ser sådan ud. En stråle kan spores og behandles uden meget besvær, men hvad med når denne stråle spretter ud fra et objekt?

En enkelt stråle kan forvandles til 10 stråler, og disse 10 kan forvandles til 100 osv. Stigningen er eksponentiel. Efter et punkt hopper og refleksioner ud over tertiær og kvartær visning, der mindsker afkastet. Med andre ord kræver de langt mere strøm til at beregne og vise, end de er værd. For at gengive et billede skal der trækkes en grænse et eller andet sted.

Forestil dig nu at gøre det 30 til 60 gange i sekundet. Det er den mængde, der kræves til at bruge strålesporingsteknikker i spil. Det er bestemt imponerende, ikke?

Opnåeligheden af ​​grafikkort, der er i stand til at spore stråler, vil gå op, når tiden går, og til sidst bliver denne teknik lige så let tilgængelig som 3D-grafik. På nuværende tidspunkt betragtes strålesporing stadig som det banebrydende inden for computergrafik. Så hvordan kommer sporesporing ind i spillet?

Hvad er stedssporing?

Sti-sporing er en type strålesporing. Det falder ind under den paraply, men hvor strålesporing oprindeligt blev teoretiseret i 1968, kom sporsporing først ind på scenen før i 1986 (og resultaterne var ikke så dramatiske som de nu).

Kan du huske den eksponentielle stigning i stråler nævnt tidligere? Sti sporing giver en løsning på det. Når der bruges stedssporing til gengivelse, producerer strålerne kun en enkelt stråle pr. Bounce. Strålene følger ikke en fastlagt linje pr. Opsving, men skyder snarere af i en tilfældig retning.

Sti-sporingsalgoritmen tager derefter en tilfældig sampling af alle stråler for at skabe det endelige billede. Dette resulterer i prøveudtagning af en række forskellige typer belysning, men især global belysning.

En interessant ting ved sporsporing er, at effekten kan emuleres ved hjælp af skyggelegger. En shader-patch optrådte for nylig for en Nintendo Switch-emulator, der gjorde det muligt for spillere at efterligne stier sporet global belysning i titler som The Legend of Zelda: Breath of the Wild og Super Mario Odyssey. Selvom effekterne ser pæne ud, er de ikke så komplette som sand sti-sporing.

Banesporing er kun en form for stråling. Mens det blev hyldet som den bedste måde at gengive billeder på, kommer sporsporing med sine egne mangler.

Men til sidst resulterer både stedssporing og strålesporing i absolut smukke billeder. Nu, hvor hardwaren i maskiner med forbrugerkvalitet har nået et punkt, hvor strålesporing er mulig i realtid i videospil, er branchen klar til at gøre et gennembrud, der er næsten lige så imponerende som trinnet fra 2D til 3D-grafik.

Det vil dog stadig være nogen tid - i det mindste flere år - inden den nødvendige hardware betragtes som ”overkommelig”. Fra og med nu koster selv de nødvendige grafikkort godt over $ 1.000.