Ако напоследък сте хвърлили дори и най-малък поглед към новините от игрите и графиките, тогава сте чули най-новата и най-популярна дума: проследяване на лъчи. Може също да сте чували подобна звучаща дума, наречена проследяване на пътя. И може да ви бъде напълно простено, че не разбирате напълно какво представлява някой от процесите.

Простото обяснение е, че както проследяването на пътя, така и проследяването на лъчите са графични техники, които водят до по-реалистично изглеждащи изображения с цената на значително по-голяма изчислителна мощност. В YouTube има видеоклип на Minecraft , който демонстрира конкретните аспекти на проследяването на лъчи по ясен начин, но също така илюстрира стреса, който поставя върху системата.

Ако това е единственото обяснение, от което се нуждаете, страхотно! Но ако искате да копаете дълбоко и да разберете как работи всяка техника и защо компаниите за GPU хардуер таксуват малко състояние за карти с възможност за проследяване на лъчи, прочетете нататък.

Растеризация и компютърна графика

Всяко изображение, което виждате изведено на екрана на компютъра, не е започнало като това изображение. Започва като растер или векторно изображение. Растерното изображение се състои от колекция от засенчени пиксели.

Векторното изображение се основава на математически формули, които означават, че изображението може да се увеличава почти за неопределено време. Недостатъкът на векторните изображения е, че е трудно да се постигнат по-точни детайли. Векторните^(Vector) изображения се използват най-добре, когато са необходими само няколко цвята.

Основната сила на растеризацията е нейната скорост, особено в сравнение с техники като проследяване на лъчи. Вашият графичен процесор^(GPU) или графичен процесор ще каже на играта да създаде 3D изображение от малки форми, най-често триъгълници. Тези триъгълници се превръщат в отделни пиксели и след това се поставят през шейдър, за да се създаде изображението, което виждате на екрана.

Растеризацията беше предпочитаната опция за графиката на видеоигри от дълго време поради това колко бързо може да бъде обработена, но тъй като настоящата технология започва да се сблъсква с нейните граници, са необходими по-напреднали техники, за да се пробие към следващото ниво. Ето къде идва проследяването на лъчите.

Проследяването на лъчи^(Ray) изглежда много по-реалистично от растеризацията, както илюстрира изображението по-долу. Вижте отраженията върху чайника и лъжицата.

Какво е трасиране на лъчи?

На повърхностно ниво трасирането на лъчи е общ термин, който означава всичко от едно пресичане на светлина и обект до пълен фотореализъм. В най-разпространения контекст, използван днес, обаче, трасирането на лъчи се отнася до техника за изобразяване, която следва лъч светлина (в пиксели) от зададена точка и симулира как реагира, когато срещне обекти.

Отделете малко и погледнете стената на стаята, в която се намирате. Има ли източник на светлина на стената или светлината се отразява от стената от друг източник? Графиките с трасирани лъчи^(Ray) ще започнат от окото ви и ще следват линията на зрението ви до стената, а след това ще следват пътя на светлината от стената обратно към източника на светлина.

Диаграмата по-горе илюстрира как работи това. Причината за симулираните „очи“ (камерата на тази диаграма) е да се намали натоварването на графичния процесор^(GPU) .

Защо? Е, проследяването на лъчи не е съвсем ново. Всъщност съществува от доста време. Pixar използва техники за проследяване на лъчи, за да създаде много от своите филми, но висококачествената графика кадър по кадър при резолюциите, които Pixar постига, отнема време.

Много^{(A lot)} време. Някои кадри в Monsters University отнеха по 29 часа всеки. Toy Story 3 отне средно 7 часа на кадър, като някои кадри отнемат 39 часа според история на Wired от 2010 г.^{(Wired. )}

Тъй като филмът илюстрира отражението на светлината от всяка повърхност, за да създаде графичния стил, който всички познават и обичат, работното натоварване е почти невъобразимо. Чрез ограничаване на техниките за проследяване на лъчи само до това, което окото може да види, игрите могат да използват техниката, без да причиняват (буквално) срив на вашия графичен процесор.

Разгледайте изображението по-долу.

Това не е снимка, независимо колко истинска изглежда. Това е изображение с трасирани лъчи. Опитайте се да си представите колко мощност е необходима, за да създадете изображение, което изглежда така. Един лъч може да бъде проследен и обработен без много проблеми, но какво да кажем, когато този лъч отскочи от обект?

Един лъч може да се превърне в 10 лъча, а тези 10 да се превърнат в 100 и т.н. Увеличението е експоненциално. След точка отскачане и отражения отвъд третичния и кватернерния дисплей намаляват възвръщаемостта. С други думи, те изискват много повече мощност за изчисляване и показване, отколкото си струват. За да се изобрази изображение, някъде трябва да се начертае граница.  

Сега си представете да правите това от 30 до 60 пъти в секунда. Това е количеството енергия, необходимо за използване на техники за проследяване на лъчи в игрите. Определено е впечатляващо, нали?

Достижимостта на графичните карти, способни на проследяване на лъчи, ще нараства с течение на времето и в крайна сметка тази техника ще стане толкова леснодостъпна, колкото 3D графиката. Засега обаче трасирането на лъчи все още се счита за авангарда на компютърната графика. И така, как влиза в игра проследяването на пътя?

Какво е проследяване на пътя?

Проследяването на пътя^(Path) е вид проследяване на лъчи. Той попада под този чадър, но там, където трасирането на лъчи първоначално беше теоретизирано през 1968 г., проследяването на пътя не се появи на сцената до 1986 г. (и резултатите не бяха толкова драматични, колкото тези сега.)

Спомняте ли си експоненциалното увеличение на лъчите, споменато по-рано? Проследяването на пътя^(Path) предоставя решение за това. Когато използвате трасиране на пътя за изобразяване, лъчите произвеждат само един лъч на отскок. Лъчите не следват определена линия на отскок, а по-скоро изстрелват в произволна посока.

След това алгоритъмът за проследяване на пътя взема произволна извадка от всички лъчи, за да създаде крайното изображение. Това води до вземане на проби от различни видове осветление, но особено глобално осветление.

Интересно нещо при проследяването на пътя е, че ефектът може да се емулира чрез използването на шейдъри. Наскоро се появи пач за шейдър за емулатор на Nintendo Switch , който позволи на играчите да емулират глобално осветление, проследено по пътя в заглавия като The Legend of Zelda: Breath of the Wild и Super Mario Odyssey. Въпреки че ефектите изглеждат добре, те не са толкова пълни, колкото истинското проследяване на пътя.

Проследяването на пътя^(Path) е само една от формите на проследяване на лъчи. Въпреки че беше приветствано като най-добрият начин за изобразяване на изображения, проследяването на пътя идва със свои собствени недостатъци.

Но в крайна сметка както трасирането на пътя, така и проследяването на лъчите водят до абсолютно красиви изображения. Сега, когато хардуерът в машините от потребителски клас е достигнал точката, че проследяването на лъчи е възможно в реално време във видеоигрите, индустрията е готова да направи пробив, който е почти толкова впечатляващ, колкото стъпката от 2D към 3D графика.

Все пак ще мине известно време – поне няколко години – преди необходимият хардуер да се счита за „достъпен“. Към момента дори необходимите графични карти струват над $1000.

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

If you’ve taken evеn the slightest glance towards gaming and graphiсs news lately, then you’ve heard the latest and greatest buzzword: ray tracing. You might also have heard a similar-ѕounding word called path tracing. And you could be totally forgiνen for not fully understanding what either one of the processeѕ 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

• Как да обърнете текст по пътя в Illustrator

• 3 начина да направите снимка или видео на Chromebook

• Как да открием софтуер за наблюдение на компютър и имейл или шпиониране

• Демистифицирана технология за плосък дисплей: TN, IPS, VA, OLED и др

• Как да включите или изключите Caps Lock на Chromebook

• Как да намерите спомени във Facebook

• Как да публикувате статия в Linkedin (и най-доброто време за публикуване)

• Как да изтеглите видеоклипове от Twitch

• Как да търсите и намирате нечии изтрити туитове

• Как да разделите екрана на Chromebook

• Как да предавате на Roku TV от компютър или мобилен телефон

• Как да използвате спойлерни маркери на Discord

• Как да изпратите анонимно текстово съобщение, което не може да бъде проследено до вас

• Как да използвате VLOOKUP в Google Sheets

• Можете ли да промените името си в Twitch? Да, но бъдете внимателни

• Как да коригирате грешка в Steam „Предстояща транзакция“.

• Как да отворите файл без разширение

• Как да проверите твърдия диск за грешки

• Какво означават BCC и CC? Разбиране на основния имейл език

• Как да направите екранна снимка в Steam