Wenn Sie in letzter Zeit auch nur die leisesten Spiel- und Grafiknachrichten gelesen haben, dann haben Sie das neueste und größte Schlagwort gehört: Ray Tracing. Möglicherweise haben Sie auch ein ähnlich klingendes Wort namens Pfadverfolgung gehört. Und es könnte Ihnen völlig verzeiht werden, dass Sie nicht vollständig verstanden haben, was einer der beiden Prozesse ist.
Eine einfache Erklärung ist, dass sowohl Pathtracing als auch Raytracing grafische Techniken sind, die zu realistischeren Bildern führen, die deutlich mehr kosten Rechenleistung. Auf YouTube gibt es ein Minecraft-Video, das die besonderen Aspekte des Raytracing auf anschauliche Weise demonstriert, aber auch die Belastung für ein System veranschaulicht.
Wenn das die einzige Erklärung ist, die Sie brauchen, großartig! Wenn Sie sich jedoch eingehend mit der Funktionsweise der einzelnen Techniken befassen und herausfinden möchten, warum GPU-Hardwarefirmen ein kleines Vermögen für raytracingfähige Karten verlangen, lesen Sie weiter.
Rasterung und Computergrafik
Jedes Bild, das auf einem Computerbildschirm angezeigt wird, hat nicht als dieses Bild begonnen. Es beginnt entweder als Raster oder als Vektorbild. Ein Rasterbild besteht aus einer Sammlung schattierter Pixel.
Ein Vektorbild basiert auf mathematischen Formeln, die bedeuten, dass das Bild nahezu unbegrenzt vergrößert werden kann. Der Nachteil von Vektorbildern ist, dass genauere Details schwer zu erreichen sind. Vektorbilder werden am besten verwendet, wenn nur wenige Farben benötigt werden.
Die Hauptstärke der Rasterung ist ihre Geschwindigkeit, insbesondere im Vergleich zu Techniken wie Raytracing. Ihre GPU oder Grafikverarbeitungseinheit weist das Spiel an, ein 3D-Bild aus kleinen Formen, meist Dreiecken, zu erstellen. Diese Dreiecke werden in einzelne Pixel umgewandelt und durchlaufen dann einen Shader, um das auf dem Bildschirm angezeigte Bild zu erstellen.
Die Rasterung war lange Zeit die bevorzugte Option für Videospielgrafiken, da sie schnell verarbeitet werden kann. Die derzeitige Technologie stößt jedoch an ihre Grenzen. Fortgeschrittenere Techniken sind erforderlich, um zum nächsten Durchbruch zu gelangen Niveau. Hier kommt das Raytracing ins Spiel.
Raytracing sieht weitaus realistischer aus als das Aufrüsten, wie das folgende Bild zeigt. Schauen Sie sich die Reflexionen auf dem Teekessel und dem Löffel an.
Was ist Ray Tracing?
Auf Oberflächenebene ist Ray Tracing ein Anumbrella-Begriff, der alles von einer einzelnen Licht- und Objektkreuzung bis hin zum vollständigen Fotorealismus umfasst. In dem heute am häufigsten verwendeten Kontext bezieht sich Raytracing jedoch auf eine Rendering-Technik, die einem Lichtstrahl (in Pixeln) von einem Sollwert folgt und simuliert, wie er reagiert, wenn er auf Objekte trifft.
Nehmen Sie einen Moment und Schauen Sie sich die Wand Ihres Zimmers an. Befindet sich eine Lichtquelle an der Wand oder wird das Licht von einer anderen Quelle an der Wand reflektiert? Ray-Traced-Grafiken beginnen bei Ihrem Auge und folgen Ihrer Sichtlinie zur Wand und folgen dann dem Pfad des Lichts vondie Wand zurück zur Lichtquelle.
Das obige Diagramm zeigt, wie das funktioniert. Der Grund für die simulierten „Augen“ (die Kamera in diesem Diagramm) ist die Entlastung der GPU.
Warum? Ray Tracing ist nicht ganz neu. Eigentlich gibt es das schon eine ganze Weile. Pixar verwendet Raytracing-Techniken, um viele seiner Filme zu erstellen, aber High-Fidelity-Grafiken für einzelne Bilder in den von Pixar erreichten Auflösungen benötigen Zeit.
VielZeit. Einige Frames in Monsters Universityhaben nach eigenen Angaben jeweils 29 Stunden gedauert. Toy Story 3dauerte durchschnittlich 7 Stunden pro Frame, wobei einige Frames laut einer Story von Wired aus dem Jahr 2010 39 Stunden benötigten.
Da der Film die Reflexion von Licht von jeder Oberfläche veranschaulicht, um den grafischen Stil zu erzeugen, den jeder gekannt und geliebt hat, ist die Arbeitsbelastung nahezu unvorstellbar. Indem Sie die Raytracing-Techniken auf das beschränken, was das Auge sehen kann, können Spiele die Technik nutzen, ohne dass Ihr Grafikprozessor (buchstäblich) zusammenbricht.
Schauen Sie sich das Bild unten an.
Das ist kein Foto, obwohl es echt aussieht. Es ist ein Raytracing-Bild. Versuchen Sie sich vorzustellen, wie viel Energie erforderlich ist, um ein Bild zu erstellen, das so aussieht. Ein Strahl kann ohne viel Mühe verfolgt und verarbeitet werden, aber was ist, wenn dieser Strahl von einem Objekt abprallt?
Ein einzelner Strahl kann in 10 Strahlen umgewandelt werden, und diese 10 können in 100 Strahlen umgewandelt werden, und so weiter. Der Anstieg ist exponentiell. Nach einem Punkt zeigen Bounces und Reflexionen jenseits des Tertiären und Quartären eine abnehmende Rendite. Mit anderen Worten, sie benötigen viel mehr Energie zum Berechnen und Anzeigen, als sie wert sind. Um ein Bild rendern zu können, muss irgendwo eine Grenze gezogen werden.
Stellen Sie sich vor, Sie machen jetzt diese 30 bis 60-fache Verfolgung. Das ist die Menge an Energie, die benötigt wird, um Raytracing-Techniken in Spielen einzusetzen. Es ist auf jeden Fall beeindruckend, oder?
Die Erreichbarkeit von Grafikkarten mit Ray-Tracing-Funktion wird mit der Zeit zunehmen, und schließlich wird diese Technik so leicht verfügbar sein wie 3D-Grafiken. Ray Tracing gilt vorerst jedoch immer noch als das Neueste in der Computergrafik. Wie kommt Pathtracing ins Spiel?
Was ist Pathtracing?
Pathtracing ist eine Art von Raytracing. Unter diesem Dach, aber wo Raytracing ursprünglich 1968 theoretisiert wurde, kam Pathtracing erst 1986 auf den Plan (und die Ergebnisse waren nicht so dramatisch wie jetzt.)
Denken Sie an die exponentielle Zunahme der erwähnten Strahlen vorhin? Die Pfadverfolgung bietet eine Lösung dafür. Bei Verwendung der Pfadverfolgung zum Rendern erzeugen die Strahlen nur einen einzelnen Strahl pro Bounce. Die Strahlen folgen nicht einer festgelegten Linie pro Sprung, sondern schießen in zufälliger Richtung ab.
Der Pfadverfolgungsalgorithmus nimmt dann eine zufällige Abtastung aller Strahlen vor, um das endgültige Bild zu erzeugen. Daraus resultiert die Erfassung einer Vielzahl unterschiedlicher Beleuchtungsarten, insbesondere aber der globalen Beleuchtung.
Interessant an der Pfadverfolgung ist, dass der Effekt mithilfe von Shadern emuliert werden kann. Kürzlich wurde ein Shader-Patch für einen Nintendo Switch-Emulator veröffentlicht, mit dem Spieler die Möglichkeit hatten, die globale Beleuchtung von Pfaden in Titeln wie Die Legende von Zelda: Der Atem der Wildnisund Super Mario Odysseyzu simulieren Effekte sehen gut aus, sie sind nicht so vollständig wie die echte Pfadverfolgung.
Die Pfadverfolgung ist nur eine davon Form von Raytracing. Obwohl es als die beste Methode zum Rendern von Bildern gepriesen wurde, führt die Pfadverfolgung zu eigenen Fehlern.
Letztendlich führen sowohl die Pfadverfolgung als auch die Raytracing-Funktion zu absolut schönen Bildern. Nachdem die Hardware von Geräten für den Endverbraucher einen Punkt erreicht hat, an dem Raytracing in Echtzeit in Videospielen möglich ist, steht die Branche vor dem Durchbruch, der beinahe so beeindruckend ist wie der Schritt von 2D- zu 3D-Grafiken.
Es wird jedoch noch einige Zeit - mindestens einige Jahre - dauern, bis die erforderliche Hardware als „erschwinglich“ eingestuft wird. Ab sofort kosten sogar die erforderlichen Grafikkarten weit über 1.000 US-Dollar.