Oświetlenie i rasteryzacja w grach wideo
Zanim przejdziemy do najważniejszego, czyli tego, czym jest Path Tracing, musimy poznać podstawy, a więc zgłębić tajniki ogólnego oświetlenia oraz rasteryzacji, czyli elementów, do których świat gier już nas przyzwyczaił i bez którego trudno go sobie wyobrazić. Ba, bez umiejętności symulowania oświetlenia moglibyśmy się tak naprawdę pożegnać z zaawansowanymi graficznie grami 3D. Sama technika tworzenia efektów świetlnych w świecie wirtualnym ma na celu zwiększenie realizmu i nadaniu grze atmosfery. Czy to ważne? Jak widać po przerobieniu oryginalnego oświetlenia Quake II na to wykorzystujące Path Tracing, co samo w sobie sprawiło, że gra zaczęła wyglądać nowocześnie, zdecydowanie tak.
Czytaj też: Stacja ładowania kontrolera PlayStation VR2 Sense zmieniła moje życie. Nie przesadzam
Oświetlenie w grach może być tworzone za pomocą różnych metod, ale tą najpopularniejszą jest aktualnie rasteryzacja. To powszechna technika tworzenia obrazu z perspektywy jednego punktu widzenia, która polega na przekształcaniu grafiki 3D na piksele 2D do wyświetlenia na ekranie. Wymaga to użycia cieniowania, czyli specjalnych algorytmów do symulowania efektów świetlnych, takich jak cienie, odbicia czy załamania.
Rasteryzacja jest znacznie szybsza i mniej wymagająca obliczeniowo niż ray tracing czy path tracing, ale nie odwzorowuje tak dokładnie fizyki światła i nie reaguje na zmiany w scenie. Z tym właśnie aktualnie walczy zwłaszcza Nvidia, chcąc uczynić bardziej zaawansowane techniki znacznie powszechniejszymi w grach.
Ray Tracing w skrócie
Path Tracing nie jest jednak czymś, co rezygnuje z filarów, które Nvidia postawiła wraz z rozwojem Ray Tracingu. Tę technikę opisywałem już wcześniej, ale jeśli zupełnie nie jesteście z nią zaznajomieni, to wystarczy nam to, że Ray-Tracing różni się od rasteryzacji tym, że w tym podejściu nie zatrzymujemy promienia oświetlenia na pierwszym obiekcie graficznym, w którego ten uderzy.
Jak mówi sama nazwa “śledzenie promieni”, w tym podejściu silnik gry rzeczywiście śledzi promienie oświetlenia, dzięki czemu może symulować znacznie naturalniejsze oświetlenie, a więc głównie cienie oraz odbicia. Wymaga to jednak potężnego sprzętu obliczeniowego, którego w kratach graficznych Nvidii zastępuje wyspecjalizowany zestaw rdzeni RT.
Czym jest Path Tracing?
Podobnie jak Ray Tracing (śledzenie promieni), Path Tracing (śledzenie ścieżek) jest już wykorzystywane przez stosunkowo długi czas w kinematografii. Osiągnięcie Nvidii sprowadza się więc nie tyle do opracowania samej technologii, ile umożliwienia wprowadzenia jej do gier, a więc na poletko grafiki generowanej w czasie rzeczywistym. Do tej pory tak zaawansowane obliczenia były zarezerwowane wyłącznie dla efektów dźwiękowych oraz animacji, których klatki mogły być renderowane nawet z częstotliwością jednej klatki na kilka minut, a następnie zapisane w formie nagrania i dopiero finalnie odtworzone z odpowiednią liczbą klatek na sekundę.
Innymi słowy, przy tworzeniu animacji nikomu nie zależy na czasie… podczas gdy w grach kolejne klatki muszą być generowane z częstotliwością przynajmniej kilkunastu na sekundę (FPS), a najlepiej kilkudziesięciu, aby gra była nie tylko grywalna, ale też przyjemna wizualnie. Ten wymóg rośnie akurat wraz z poziomem dynamiki danego tytułu, bo im akcja w nim zachodzi wolniej, tym niższa liczba FPS nie jest aż tak problematyczna. Dlatego też np. w Doom Eternal nie radzę jednak grać z odświeżaniem rzędu ledwie kilkunastu klatek na sekundę, ale już zabawa w Cywilizację VI przy takiej płynności nie będzie aż tak problematyczna.
Czytaj też: Czas na graficzną rewolucję. Wszystko, co wiemy o nowych procesorach Intel Meteor Lake
W przypadku Path Tracingu Nvidia może wreszcie symulować prawdziwą fizykę światła, wykorzystując Ray Tracing jako jeden z elementów całego ekosystemu symulacji oświetlenia. Ta technika opiera się na symulacji ścieżki światła poprzez odbijanie promieni w losowych kierunkach dla każdego piksela w obrazie wyjściowym. Takie coś pozwala uzyskać jeszcze bardziej realistyczne efekty w zakresie cieni, głębi ostrości, rozmycia ruchu, okluzji otoczenia, kaustyki lub oświetlenia pośredniego.
Śledzenie ścieżek jest więc bardziej zaawansowaną formą Ray Tracingu. Można go nawet uznać za jego rozszerzenie, które pozwala na wielokrotne odbijanie promieni do momentu osiągnięcia źródła światła lub określonego limitu odbić. Dlatego właśnie śledzenie ścieżek jest bardziej wymagającą techniką niż samo śledzenie promieni, co (biorąc pod uwagę złożone interakcje między światłem a obiektami w scenie) jest więc gargantuicznym zadaniem, które musi być wykonywane kilkadziesiąt razy na sekundę, aby utrzymać wysoki poziom płynności.
Finalny efekt ma być jednak warty takiego obciążenia karty graficznej, bo w ogólnym rozrachunku Path Tracing będzie mógł generować jeszcze bardziej realistyczne sceny, opanowując grę światłem do perfekcji. Problem w tym, że włączenie tej technologii odbije się na płynności i najpewniej nie będzie dostępne w wielu grach przez pierwsze miesiące, a zapewne nawet lata. Wszystko wskazuje bowiem na to, że w takim Cyberpunku 2077 dopiero nowa generacja kart graficznych będzie w stanie zapewnić wysoką płynność przy równie wysokiej jakości z aktywnym Path Tracingiem w tle. Oczywiście mamy jednak cichą nadzieję, że tak nie będzie, ale spójrzmy prawdzie w oczy – to prawie pewne.
Czego więc wymaga Path Tracing do działania? Przede wszystkim wydajnej karty graficznej i zważywszy nawet na formę ogłoszenia Nvidia RTX Path Tracing SDK dla twórców, skorzystają z niego przede wszystkim właściciele kart graficznych GeForce RTX 4000. Wszystko przez to, że technologia ta “wykorzystuje wydajność i zestaw funkcji w GPU na bazie architektury Ada Lovelace”. Nie oznacza to wprawdzie, że właściciele starszych generacji nie będą mogli przetestować tego graficznego wodotrysku, ale trudno nie dostrzec, dlaczego Nvidia zapowiada Path Tracing tak, jakby to właśnie tylko karty RTX 4000 mogły sobie z tą technologią poradzić.
Wydany w grudniu 2022 roku Portal RTX stał się oficjalnie pierwszą ogólnodostępną grą z zaawansowaną grafiką 3D, która wykorzystała finalną wersję Path Tracingu, a więc tą, z którą aktualnie mogą pracować deweloperzy. Nie możemy jednak zapominać o dwóch innych tytułach, które były niczym pierwszy plac zabaw dla Nvidii z tymi technologiami. Mowa o odsłonie Quake II RTX i Minecraft RTX sprzed 3-4 lat, które pokazywały nam już to, na co stać Path Tracing.
Chociaż w ogólnym rozrachunku Portal RTX wygląda przecudownie, to w najwyższych ustawieniach nawet GeForce RTX 3090 Ti w 4K nie jest w stanie utrzymać w niej płynności na poziomie 60 klatek na sekundę… i tak, mowa nawet o graniu z włączonym DLSS w trybie Performance.
Patrząc więc na te wyniki, nie trudno domyślić się tego, dlaczego Nvidia kieruje Path Tracing głównie do swoich kart graficznych nowej generacji (GeForce RTX 4000). Ten zestaw SDK (paczki funkcji do wykorzystania przez deweloperów) obejmuje:
- DLSS 3 – klucz do wyższej płynności zarezerwowany dla GeForce RTX 4000 poprzez skalowanie rozdzielczości i generowanie sztucznych klatek
- RTX Direct Illumination (RTXDI) – technologia umożliwiająca dodawanie milionów dynamicznych źródeł światła do gier wideo bez obaw o wydajność lub ograniczenia zasobów
- Real-Time Denoisers (NRD) – biblioteka służąca do usuwania szumów z promieni oświetleniowych
- Opacity Micro-Map (OMM) – technologia gwarantująca efektowne mapowanie złożonych geometrii
- SER (Shader Execution Reordering) – nowe podejście do kolejkowania wykonywania shaderów w celu zwiększenia wydajności w operacjach ray-tracingu
Czytaj też: W co grać na PS VR2? TOP 5 gier, obok których nie możesz przejść obojętnie
Z tego zestawu funkcji praktycznie wszystkie najważniejsze są wspierane wyłącznie przez GeForce RTX 4000. Mowa o DLSS 3.0, SER i OOM, ale mimo twierdzeń, że Nvidia ograniczy Path Tracing do kart nowej generacji, co ma ponoć mieć miejsce przy Cyberpunku 2077, są na to bardzo małe szanse i przykład Portala RTX to potwierdza.
Ograniczenie powinno być znacznie bardziej naturalne – na starszych kartach gra będzie najpewniej zwyczajnie niegrywalna przez brak wsparcia zwłaszcza DLSS 3.0. Czy jednak rzeczywiście tak będzie? Prawdę na ten temat poznamy już wkrótce, bo 11 kwietnia Path Tracing zawita do produkcji polskiego studia CD Projekt Red, gdzie będzie dostępny w ramach trybu Ray Tracing: Overdrive Mode. Jego testów możecie u nas wypatrywać.