Что такое Nvidia RTX, как технология трассировки лучей меняет графику в играх и зачем покупать новую GeForce (коротко и с примерами). И как трассировка лучей влияет на качество? Плюсы и минусы трассировки лучей

Методы трассировки лучей (Ray Tracing ) на сегодняшний день считаются наиболее мо­щными и универсальными методами создания реалистичных изображений. Известно много примеров реализации алгоритмов трассировки для качественного отображения самых слож­ных трехмерных сцен. Можно отметить, что универсальность методов трассировки взначительной мере обусловлена тем, что в их основе лежат простые и ясные понятия, кото­рые отражают наш опыт восприятия окружающего мира.

Рис. 8.12. Модели отражения: а – идеальное зеркало, б - неидеальное зеркало, в – диффузное, г – сумма диффузного и зеркального, д – обратное, е - сумма диффузного, зеркального и лбратного

Как мы видим окружающую реальность? Во-первых, нужно определиться с тем, что мы вообще способны видеть. Это изучается в специальных дисциплинах, а до некоторой степе­ни, это вопрос философский. Но здесь мы будем считать, что окружающие объекты обла­дают такими свойствами относительно света:

излучают;

отражают и поглощают;

пропускают сквозь себя.

Рис. 8.13. Излучение – а – раномерно во все тороны, б - направленно

Каждое из этих свойств можно описать некоторым набором характеристик. Например, излучение можно охарактеризовать интенсивностью, направленностью, спектром. Излуче­ние может исходить от условно точечного источника (далекая звезда) или от источника рас­сеянного света (скажем, от расплавленной лавы, извергающейся из кратера вулкана). Рас­пространение излучения может осуществляться вдоль довольно узкого луча (сфокусиро­ванный луч лазера) или конусом (прожектор), или равномерно во все стороны (Солнце), или еще как-то. Свойство отражения (поглощение) можно описать характеристиками диффуз­ного рассеивания и зеркального отражения. Прозрачность можно описать ослаблением ин­тенсивности и преломлением.

Распределение световой энергии по возмож­ным направлениям световых лучей можно ото­бразить с помощью векторных диаграмм, в кото­рых длина векторов соответствует интенсивно­сти (рис. 8.12 – 8.14).

В предшествующих параграфах мы с вами уже ознакомились с видами отражения, которые упоминаются наиболее часто - зеркальным и диффузным. Реже в литературе поминается обратное зеркальное или антизеркальное от­ ражение, в котором максимум интенсивности отражения соответствует направлению на источник. Обратное зеркальное отражение имеют некоторые виды растительности на по­верхности Земли, наблюдаемые с высоты рисовые поля.

Два крайних, идеализированных случая пре­ломления изображены на рис. 8.13.

Некоторые реальные объекты преломляют лучи намного более сложным образом, например, обле­деневшее стекло.

Один и тот же объект реальной действительно­сти может восприниматься как источник света, а может, при ином рассмотрении, считаться предме­том, только отражающим и пропускающим свет. Например, купол облачного неба в некоторой трехмерной сцене может моделироваться в видепротяженного (распределенного) источника света, а в других моделях это же небо выступа­ет как полупрозрачная среда, освещенная со стороны Солнца.

Рис. 8.14. Преломление а – идеальное, б - дифузное

В общем случае каждый объект описывается некоторым сочетанием вышеперечислен­ных трех свойств. В качестве упражнения попробуйте привести пример объекта, который обладает одновременно тремя указанными свойствами - сам излучает свет и, в то же вре­мя, отражает, а также пропускает свет от других источников. Вероятно, ваше воображение подскажет и другие примеры, нежели, скажем, раскаленное докрасна стекло.

Теперь рассмотрим то, как формируется изображение некоторой сцены, которая содер­жит несколько пространственных объектов. Будем считать, что из точек поверхности (объ­ема) излучаемых объектов выходят лучи света. Можно назвать такие лучи первичными -они освещают все другое.

Важным моментом является предположение, что световой луч в свободном пространстве распространяется вдоль прямой линии (хотя в специальных разде­лах физики изучаются также и причины возможного искривления). Но вгеометрической оптике принято, что луч света распространяется прямолинейно до тех пор, пока не встре­тится отражающая поверхность или граница среды преломления. Так будем полагать и мы.

От источников излучения исходит по разным направлениям бесчисленное множество первич­ных лучей (даже луч лазера невозможно идеально сфокусировать - все равно свет будет распро­страняться не одной идеально тонкой линией, а конусом, пучком лучей). Некоторые лучи уходят в свободное пространство, а некоторые (их также бесчисленное множество) попадают на другие объекты. Если луч попадет в прозрачный объект, то, преломляясь, он идет дальше, при этом неко­торая часть световой энергии поглощается. Подобно этому, если на пути луча встречается зеркально отражающая поверхность, то он также изменяет направление, а часть световой энергиипоглощается. Если объект зеркальный и одновременно прозрачный (например, обычное стекло), то будут уже два луча - в этом случае говорят, что луч расщепляется.

Можно сказать, что в результате воздействия на объекты первичных лучей возникают вторичные лучи. Бесчисленное множество вторичных лучей уходит в свободное пространство, но некоторые из них попадают на другие объекты. Так, многократноотражаясь и преломляясь, отдельные световые лучи приходят в точку наблюдения - глаз человека или оптическую систему камеры. Очевидно, что в точку наблюдения может попасть и часть первичных лучей непосредственно от источников излучения. Такимобразом, изображение сцены формируется некоторым множеством световых лучей.

Цвет отдельных точек изображения определяется спектром и интенсивностью первич­ных лучей источников излучения, а также поглощением световой энергии в объектах, встретившихся на пути соответствующих лучей.

Рис. 8.15. Схема обратной трассировки лучей

Непосредственная реализация данной лучевой модели формирования изображения представляется затруднительной. Можно попробовать разработать алгоритм построения изображения указанным способом. В таком алгоритме необходимо предусмотреть перебор всех первичных лучей и определить, какие из них попадают в объекты и в камеру. Потом выполнить перебор всех вторичных лучей, и также учесть только те, которые попадают в объекты и в камеру. И так далее. Можно назвать такой метод прямой трассировкой лучей. Практическая ценность такого метода вызовет сомнение. В самом деле, как учитывать бес­конечное множество лучей, идущих во все стороны? Очевидно, что полный перебор беско­нечного числа лучей в принципе невозможен. Даже если каким-то образом свести это к ко­нечному числу операций (например, разделить всю сферу направлений на угловые секторы и оперировать уже не бесконечно тонкими линиями, а секторами), все равно остается глав­ный недостаток метода - много лишних операций, связанных с расчетом лучей, которые потом не используются. Так, во всяком случае, это представляется в настоящее время.

Метод обратной трассировки лучей позволяет значительно сократить перебор свето­вых лучей. Метод разработан в 80-х годах, основополагающими считаются работы Уитте-да и Кэя . Согласно этому методу отслеживание лучей осуществляется не от источ­ников света, а в обратном"направлении - от точки наблюдения. Так учитываются только те лучи, которые вносят вклад в формирование изображения.

Рассмотрим, как можно получить растровое изображение некоторой трехмерной сцены методом обратной трассировки. Предположим, что плоскость проецирования разбита на множество квадратиков - пикселов. Выберем центральную проекцию с центром схода на некотором расстоянии от плоскости проецирования. Проведем прямую линию из центра схода через середину квадратика (пиксела) плоскости проецирования (рис. 8.15). Это будетпервичный луч обратной трассировки. Если прямая линия этого луча попадает в один или несколько объектов сцены, то выбираем ближайшую точку пересечения. Для определения цвета пиксела изображения нужно учитывать свойства объекта, а также то, какое световое излучение приходится на соответствующую точку объекта.

Рис. 8.16. Обратная трассировка для объектов, имеющих свойства зеркального отражения и преломления

Если объект зеркальный (хотя бы частично), то строим вторичный луч - луч падения, считая лучом отражения преды­дущий, первичный, трассируе­мый луч. Выше мы рассматри­вали зеркальное отражение и получили формулы для вектора отраженного луча по заданным векторам нормали и луча паде­ния. Но здесь нам известен век­тор отраженного луча, а как найти вектор падающего луча? Для этого можно использовать ту же формулу зеркального от­ражения, но определяя необхо­димый вектор луча падения как отраженный луч. То есть отра­жение наоборот.

Для идеального зеркала дос­таточно потом проследить лишь очередную точку пересечения вторичного луча с некоторым объектом. Что означает термин "идеальное зеркало"? Будем считать, что такое зеркало имеет идеально равную отполированную поверхность, поэтому одному отраженному лучу соответствует только один падающий луч. Зеркало может быть затемненным, то есть поглощать часть световой энергии, но все равно выполняется правило: один луч падает - один отражается. Можно рассматривать также "неидеальное зеркало".Это будет означать, что поверхность неровная. Направлению отраженного луча будут соот­ветствовать несколько падающих лучей (или наоборот, один падающий луч порождает не­сколько отраженных лучей), которые образуют некоторый конус, возможно, несимметрич­ный, с осью вдоль линии падающего луча идеального зеркала. Конус соответствует некото­рому закону распределения интенсивностей, простейший из которых описывается моделью Фонга - косинус угла, возведенный в некоторую степень. Неидеальное зеркало резко ус­ложняет трассировку - нужно проследить не один, а множество падающих лучей, учиты­вать взнос излучения от других видимых из данной точки объектов.

Если объект прозрачный, то необходимо построить новый луч, такой, который при пре­ломлении давал бы предшествующий трассируемый луч. Здесь также можно воспользо­ваться обратимостью, которая справедлива и для преломления. Для расчета вектора иско­мого луча можно применить рассмотренные выше формулы для вектора луча преломления,считая, что преломление происходит в обратном направлении (рис. 8.16).

Если объект обладает свойствами диффузного отражения и преломления, то, в общем случае, как и для неидеального зеркала, необходимо трассировать лучи, которые приходятот всех имеющихся объектов. Для диффузного отражения интенсивность отраженного све­та, как известно, пропорциональна косинусу угла между вектором луча от источника света и нормалью. Здесь источником света может выступать любой видимый из данной точки объект, способный передавать световую энергию.

Если выясняется, что текущий луч обратной трассировки не пересекает любой объект, а направляется в свободное пространство, то на этом трассировка для этого луча заканчива­ется.

Обратная трассировка лучей в том виде, в котором мы ее здесь рассмотрели, хотя и со­кращает перебор, но не позволяет избавиться от бесконечного числа анализируемых лучей.В самом деле, данный метод позволяет сразу получить для каждой точки изображения один первичный луч обратной трассировки. Однако вторичных лучей отражения уже может быть бесконечное число. Так, например, если объект может отражать свет от любого другого об­ъекта, и если эти другие объекты имеют довольно большие размеры, то какие именно точкиизлучающих объектов нужно учитывать для построения соответствующих лучей, например, при диффузном отражении? Очевидно, все точки.

При практической реализации метода обратной трассировки вводят ограничения. Неко­торые из них необходимы, чтобы можно было в принципе решить задачу синтеза изображе­ния, а некоторые ограничения позволяют значительно повысить быстродействие трассиров­ки. Примеры таких ограничений.

1. Среди всех типов объектов выделяются некоторые, которые назовем источниками све­та. Источники света могут только излучать свет, но не могут его отражать или прелом­лять (будем рассматривать толькоточечные источники света).

2. Свойства отражающих поверхностей описываются суммой двух компонентов - диф­фузного и зеркального.

3. В свою очередь, зеркальность также описывается двумя составляющими. Первая (reflection ) учитывает отражение от других объектов, которые не являются источниками света. Строится только один зеркально отраженный лучr для дальнейшей трассировки.Вторая составляющая ( Specular ) означает световые блики от источников света. Для этого направляются лучи на все источники света и определяются углы, образованные этими лучами с зеркально отраженным лучом обратной трассировки(r ). При зеркальном отра­жении цвет точки поверхности определяется цветом того, что отражается. В простейшем случае зеркало не имеет собственного цвета поверхности.

4. При диффузном отражении учитываются только лучи от источников света. Лучи от зеркально отражающих поверхностей игнорируются. Если луч, направленный на данный источник света, закрывается другим объектом, значит, данная точка объекта находится в тени. При диффузном отражении цвет освещенной точки поверхности определяется соб­ственным цветом поверхности и цветом источников света.

5. Для прозрачных (1гап5рагеп() объектов обычно не учитывается зависимость коэффици­ента преломления от длины волны. Иногда прозрачность вообще моделируют без пре­ломления, то есть направление преломленного луча I совпадает с направлением падаю­щего луча.

Для учета освещенности объектов светом, который рассеивается другими объектами, вводится фоновая составляющая(ат bient ).

7. Для завершения трассировки вводят некоторое предельное значение освещенности, ко­торое уже не должно вносить взнос в результирующий цвет, или ограничивают количе­ство итераций.

Согласно модели Уиттеда цвет некоторой точки объекта определяется суммарной интенсивностью

I( ) = KaIa( )C( ) + KdId( )C( ) + KsIs( ) + KrIr( ) + KtIt( )

где λ - длина волны,

С (λ) - заданный исходный цвет точки объекта,

К а,K d ,K s ,K r и К t - коэффициенты, учитывающие свойства конкретного объекта через параметры фонового подсвечивания, диффузного рассеивания, зеркальности, отражения и прозрачности,

I a - интенсивность фонового подсвечивания,

I d - интенсивность, учитываемая для диффузного рассеивания,

I s - интенсивность, учитываемая для зеркальности,

I r - интенсивность излучения, приходящего по отраженному лучу,

I t - интенсивность излучения, приходящего по преломленному лучу.

Интенсивность фонового подсвечивания (1 а ) для некоторого объекта обычно константа. Запишем формулы для других интенсивностей. Для диффузного отражения

I d =

где I i (λ) - интенсивность излученияi - ro источника света, θ i - угол между нормалью к по­верхности объекта и направлением наi - vi источник света.

Для зеркальности:

I d =

где р - показатель степени от единицы до нескольких сотен (согласно модели Фонга),α i -угол между отраженным лучом (обратной трассировки) и направлением на г"-й источник света.

Интенсивности излучений проходящих по отраженному лучу (I r ), а так же по преломленному лучу (I t ) , умножают на коэффициент, учитывающий ослабление интенсивности в зависимости от расстояния, пройденного лучом. Такой коэффициент записывается в виде е -  d где d - пройденное расстояние,  – параметр ослабления, учитывающий свойства среды, в которой распространяется луч.

Для первичного луча необходимо задать направление, которое соответствует избранной проекции. Если проекция центральная, то первичные лучи расходятся из общей точки, для параллельной проекции первичные лучи - параллельные. Луч можно задать, например, ко­ординатами начальной и конечной точек отрезка, координатой начальной точки и направле­нием, или еще как-нибудь.Задание первичного луча однозначно определяет проекцию изображаемой сцены . При обратной трассировке лучей любые преобразования координат вообще не обязательны. Проекция получается автоматически - в том числе, нетолько плоская, но и, например, цилиндрическая или сферическая. Это одно из проявлений универсальности метода трассировки.

В ходе трассировки лучей необходимо определять точки пересечения прямой линии лу­ча с объектами. Способ определения точки пересечения зависит от того, кокой это объект, и каким образом он представлен в определенной графической системе. Так, например, для объектов, представленных в виде многогранников и полигональных сеток, можно использо­вать известные методы определения точки пересечения прямой и плоскости, рассмотренные в аналитической геометрии. Однако, если ставится задача определения пересечения лу­ча с гранью, то необходимо еще, чтобы найденная точка пересечения лежала внутри конту­ра грани.

Известно несколько способов проверки произвольной точки на принадлежность полиго­ну. Рассмотрим две разновидности, в сущности, одного и того же метода (рис. 8.17).

Первый способ. Находятся все точки пересечения контура горизонталью, которая соответствует координатеYзаданной точки. Точки пересечения сортируются по возрастанию значений координат Х. Пары точек пересечения образуют отрезки. Если точка, которая проверяется, принадлежит одному из отрезков (для этого сравниваются координаты Х заданной точки и концов отрезков), то она – внутренняя.

Рис. 8.17. Точка – внутренняя, если: а - точка принадлежит секущему отрезку, б – число пересечений нечетное

Второй способ. Определяется точка, лежащая на одной горизонтали с испытуемой точкой, причем требуется, чтобы она лежала вне контура полигона. Найденная внешняя точка и испытуемая являются концами горизонтального отрезка. Определяются точки пересечения данного отрезка с контуром полигона. Если количество пересечений нечетное, это значит, что испытуемая точка – внутренняя.

Если луч пересекает несколько объектов, то выбирается ближайшая точка по направлению текущего луча.

Сделаем общие выводы о относительно метода обратной трассировки лучей.

Положительные черты

1. Универсальность метода, его применимость для синтеза изображения довольно сложных пространственных схем. Воплощает много законов геометрической оптики. Просто реализуются разнообразные проекции.

2. Даже усеченные варианты данного метода позволяют получить довольно реалистичные изображения. Например если ограничится только первичными лучами(из точки проецирования), то это дает удаление невидимых точек. Трассировка уже одного – двух вторичных лучей дает тени, зеркальность, прозрачность.

3. Все преобразования координат (если таковые имеются) линейные, поэтому довольно просто работать с текстурами.

4. Для одного пиксела растрового изображения можно трассировать несколько близко расположенных лучей, а потом усреднять их цвет для устранения лестничного (ступенчатого) эффекта (антиалиасинг).

5. Поскольку расчет отдельной точки изображения выполняется независимо от других точек, то это может быть эффективно использовано при реализации данного метода в параллельных вычислительных системах, в которых лучи могут трассироваться одновременно.

Недостатки

1. Проблемы с моделированием диффузного отражения и преломления

2. Для каждой точки изображения необходимо выполнять много вычислительных операций. Трассировка лучей принадлежит к числу самых медленных алгоритмов синтеза изображений.

В данной статье речь пойдёт о применении метода обратной трассировки лучей для визуализации изображений в компьютерных играх. Рассматриваются его преимущества и недостатки по сравнению с традиционной технологией. Рассказывается о концептуальной 3D игре, в которой впервые используется графический движок, полностью построенный на принципе обратной трассировки лучей. Также затрагиваются вопросы развития игровых видео ускорителей.

Традиционная технология

Для тех, кто не знаком с теорией 3D графики, я коротко поясню, в чём заключается метод обратной трассировки лучей, и каково его отличие от традиционного метода игровой графики. В традиционном методе визуализации изображения в компьютерных играх сцена или, если угодно, игровой мир, представляется набором треугольников. Для каждого треугольника задаются текстуры и степень освещённости. Далее треугольники скопом заталкиваются в 3D ускоритель и отрисовываются, примерно, как художник чертит на листе бумаги сплошной треугольник. Отличие состоит в использовании буфера глубины. Буфер глубины требуется, что бы не рисовать треугольники, которые закрыты другими объектами сцены. При отрисовке точек нового треугольника проверяется соответствующее значение буфера глубины. В буфере глубины, или ещё его называют Z-буфер, хранится дальность от наблюдателя до уже нарисованного изображения. Если дальность до точки нового треугольника меньше записанного в Z-буфере значения, то эта точка не накрыта точками более близко расположенных треугольников, и её можно рисовать, при этом так же обновляется значение буфера глубины. Этот метод позволяет построить изображение состоящей из треугольников сцены произвольной сложности. Одно из достоинств этого метода состоит в том, что его можно было реализовать - то есть, визуализировать достаточно содержательную игровую сцену в реальном времени и в высоком разрешении - на "древних" процессорах поколения i386, i486.

Различные способы построения изображения могут отличаться скоростью работы, а так же качеством, реалистичностью или красивостью построенного изображения. Естественно, методы, позволяющие нарисовать более реалистичное изображение, требуют и больших вычислительных ресурсов. Мы, конечно, не рассматриваем заведомо плохие методы, которые и работают медленно, и рисуют плохо. На заре развития индустрии компьютерных игр, когда персональные компьютеры были относительно маломощные, естественно, был выбран самый быстрый, не требовательный к вычислительным ресурсам метод отрисовки, выше упомянутый метод Z-буфера.

Однако, трёхмерная сцена состоит не только из одних геометрических деталей, она не мыслима без света, поскольку иначе мы её просто бы не увидели. А метод Z-буфера позволяет нарисовать только геометрию сцены. Что же делать? Точная физическая модель распространения света очень сложна, речь может идти о неких приближениях к естественному освещению. Требуется, чтобы в затенённых местах, куда не попадают прямые световые лучи, было темно, рядом с источниками света - светло. Для создания реалистичного, с точки зрения освещённости, изображения сцены стали использовать заранее просчитанные текстуры, так называемые lightmap, содержащие значения освещения статических объектов сцены. Такая текстура накладывается в месте с обычной текстурой материала и затемняет её в зависимости от положения объекта на сцене, его освещённости. Естественно, при этом требуется полная статичность сцены и источников света, поскольку просчёт этих lightmap происходит крайне долго. Эта технология используется в компьютерных играх уже много лет, и её использование привело к тому, что трёхмерные игры в части графического движка стали отличаться лишь количеством треугольников и текстур на уровне. Как не было динамических источников света и возможности разрушать уровень, так её и нет, поскольку нет динамического расчёта освещённости-затенённости. Если вы передвинете светильник или закроете окно, освещённость сцены никто не изменит, поэтому такой возможности в играх нет. Есть только так называемые fake решения, когда что-то можно сделать в определённом месте, потому что эта возможность заранее предусмотрена и всё заранее рассчитано.

Только недавно стали появляться тени от динамических моделей, всяких монстров, ботов. Мы ещё затронем тему, каким образом эти тени рассчитываются, но часто они выглядят не естественно, поскольку, например, источников света много, а тень идёт только от одного, резкая и не красивая.
Прогресс игровой графики уже много лет связывают исключительно с появлением новых поколений графических ускорителей. Действительно, оказалось очень удобным переложить работу по рисованию треугольников на акселератор. Задача растеризации и текстурирования треугольника лежит в основе игровой графики, поэтому естественно, что эту очень частную и специфическую операцию удалось кардинально ускорить созданием специально оптимизированного железа. Однако, применение ускорителей привело лишь к улучшению качества изображения, качественным режимам наложения текстур, три линейной и анизотропной фильтрации, возможности использовать большие разрешения и полноэкранное сглаживание изображения. В части расчёта освещённости и динамичности сцены до сих пор ничего не поменялось. Отсутствие динамического света делает уровни современной игры скучными. Статичность освещения и сцены постепенно может надоедать. Как будто время остановилось, и играющие бегают в этом остановленном времени. Сейчас при исследовании возможностей новых ускорителей любят рассматривать экран под лупой, выискивая очередное уже незначительное увеличение качества изображения, которое в игре различить крайне трудно.

Метод трассировки лучей

Интересно, а каким же методом рассчитывают реалистичное освещение при рендеренге реалистичных сцен, мультиков, анимационных сцен, какой принцип лежит в основе построения тех же lightmap? В этой области получил распространение метод трассировки лучей и его модификации.

В обзорах процессоров часто упоминаются результаты тестирования в пакетах 3D графики, таких как 3DMax, LightWave и другие. Замеряется время отрисовки какой-нибудь сложной сцены с реалистичным освещением, отражением и преломлением света. Вот как раз сцена и рисуется с помощью метода трассировки лучей.

В отличие от метода Z-буфера, метод трассировки лучей изначально рассчитан на построение реалистичного изображения со сложной моделью освещения. Принцип обратной трассировки лучей состоит в том, что через каждую точку экрана как бы проводится обратный луч света до пересечения с ближайшим объектом сцены, далее из этой точки проводится луч в направлении источника света, таким образом, моделируется распространение света. Если луч, выпушенный на источник света, ничего не пересекает на своём пути, значит данная точка освещена, иначе она лежит в тени. Если луч попадает на зеркальную поверхность, то, в соответствии с законами оптики, выпускается отражённый луч, что даёт возможность построить отражение. В зависимости от свойств среды, через которую проходит луч, он может преломляться, что позволяет моделировать сложные реалистичные световые эффекты. Этот метод позволяет получить не только тени от объектов, но и рассчитать вторичное освещение, когда отражённый тусклый свет попадает в непосредственно затенённые области и размывает тени.

Однако, легко понять, что этот метод крайне вычислительно сложен. Можно обратить внимание в тестах процессоров в программах 3D моделирования, как долго считается даже 1 кадр. Никаким реальным временем тут и не пахнет. Тем более, раньше на персональных компьютерах он выполнялся ещё медленнее, что не оставляло возможностей для его применения в компьютерных играх.
Но за последние несколько лет мощность персональных компьютеров серьёзно возросла и позволила осуществлять метод трассировки лучей почти в реальном времени, правда, с большими ограничениями по качеству изображения и разрешению.

Поскольку для каждой точки экрана нужно осуществить очень сложную процедуру трассировки луча, то скорость трассировки очень сильно зависит от разрешения экрана, от его площади. То есть, построение изображения размером 1024x768 будет занимать в 10 раз больше времени, чем отрисовка изображения в разрешении 320x240. Реализовать метод трассировки лучей в реальном времени можно, весь вопрос, в каком разрешении и с каким качеством изображения.

До последнего времени трассировка лучей в реальном времени на PC была уделом небольших демо - программ, рисующих красивые изображения, но работающих с низкой скоростью и в низких разрешениях. Таких программ полным полно на www.scene.org . Однако, мне удалось, временно пожертвовав многими прелестями метода трассировки лучей, создать полноценный 3D-движок и на его основе первую компьютерную игру, использующую трассировку лучей в реальном времени.

Concept game с 3D движком на основе метода обратной трассировки лучей

На разнообразных автомобильных выставках демонстрируются так называемые concept-car, реальные прототипы будущих серийных автомобилей. Они крайне дороги, не отлажены с потребительской точки зрения, но олицетворяют собой новые идеи. Я же создал concept-game. Что же получилось реализовать, что бы работало в реальном времени на современных персональных компьютерах?
Для движка на трассировки лучей было изначально установлено два главных требования: чтобы расчёт всей освещённости сцены происходил в реальном времени, и чтобы не использовалась никакая заранее рассчитанная информация об уровне. Всё это должно позволить произвольно изменять уровень в динамике. То, что не могут обеспечить современные движки.
Вкупе с динамическим расчётом освещения отсутствие предварительной информации позволяет довольно просто рисовать бесконечные миры, поскольку нужно хранить только не очень объёмную информацию о геометрии уровня.

Выполнение этих строгих требований на современных процессорах потребовало введения других серьёзных ограничений, к счастью, не принципиальных. Однако, с ростом доступной вычислительной мощности эти ограничения будут сниматься, а суть - оставаться.
В первую очередь, я отказался от моделирования именно земной реальности в пользу инопланетных миров. Это позволило отказаться от использования не очень удобного для рейтрейсинга треугольника в качестве основного примитива для конструирования сцены. Инопланетный мир не обязан быть угловатым, пусть он будет круглым. В качестве примитива для построения сцены была выбрана сфера. Поскольку современные игры должны работать в высоких разрешениях, таких, как 1024x768, пришлось отказаться от расчёта отражений и преломлений, поскольку это очень сильно усложняло обработку соответствующего точке экрана луча. Но с ростом вычислительной мощности можно будет расширить как множество примитивов, так и глубину трассировки луча, то есть, добавить отражения, преломления и т.п.

Итак, каковы основные характеристики VirtualRay - 3D движка, построенного на методе трассировки лучей? На самых современных процессорах для персональных компьютеров он работает с более-менее приемлемой скоростью в разрешении 1024x768x32. Будем исходить, что используется именно это разрешение, поскольку если использовать меньшее разрешение, то параметры производительности могут быть другими.

Отрисовка сцен, состоящих из, может быть, тысяч пересекающихся сфер. В реальности сцена может быть бесконечна, имеется в виду только видимая область.

Покадровый расчёт всей освещённости и затенённости. Все источники света - динамические (даже статические), поскольку они на самом деле динамические, только не изменяющие положение от кадра к кадру.

Попиксельный расчёт освещённости и попиксельное наложение теней, естественно, динамических.

Рендеринг мягких теней на основе физического приближения объёмных источников света. То есть, граница тени не резкая, а сильно размытая, степень размытости можно регулировать. Правда, это не совсем настоящие физически достоверные мягкие тени, а приближённые.

До 8 источников света может освещать одну сферу, соответственно, одна сфера может отбрасывать до 8 теней. Это не принципиальное ограничение, просто, когда в одной области много источников света, всё, конечно, сильно замедляется.

Поддержка точечных источников света и бесконечно удалённых источников света типа солнца. Как правило, сцену освещает один "солнечный" источник света, и несколько локальных.

Полностью динамическая сцена, то есть, положение объектов может меняться произвольным образом.

Наложение и билинейная фильтрация текстур.

Ограниченное использование прозрачных сфер с динамическим коэффициентом прозрачности.

Не очень изысканное изображение поверхности планеты в виде одной большой сферы, образующей эффект горизонта, когда объекты, находящиеся далеко, скрываются за линией горизонта.

К локальным недостаткам движка в первую очередь можно отнести то, что он скуп на "дешёвые" эффекты, вроде спрайтовых вспышек и т.п., которые так замечательно делают современные видео ускорители.
Какую же игру оказалось возможным создать с использованием движка VirtualRay? Вообще, на нём можно сделать великое множество игр, начиная от космического симулятора и заканчивая многопользовательской онлайновой вселенной. Кстати, в последнем типе особенно проявляются преимущества движка по реализации динамического изменения сцены. В качестве "концептуальной игры" я создал проект под названием AntiPlanet - простенький 3D shooter с прямолинейными монстрами с поведением в духе Doom. Уровни к игре представляют собой разного размера куски инопланетной местности, освещаемой местными солнцами. Кстати, Солнце совершает движение по небу в соответствии с которым меняется освещение и затенение сцены. Всего в текущей версии игры доступно 5 уровней, один из которых - indoor, лабиринт из пещер. Остальные, в основном, открытые. Движок достаточно универсален, чтобы без специальных оптимизаций рисовать как открытые, так и закрытые сцены.

Есть 5 видов охотящихся за играющим монстров, монстры отличаются типом используемого оружия, скоростью и силой. Кстати в распоряжении играющего - десять видов оружия, стреляющего разнообразными снарядами, ракетами и бомбами. Сферическая природа оружия делает его несколько однообразным, зато снаряды при взрыве разлетаются на кучу осколков. Есть 3 основных вида игры - просто охота на монстров, когда игроку требуется за определённое время уничтожить определённое количество монстров. Второй вид игры состоит в нахождении спрятанных на уровне специальных артефактов. И в третьем случае играющему просто предстоит выжить определённое время на неизвестной планете. При выборе игры можно самому установить количество аптечек, оружия и монстров на уровне, они будут расставлены в случайные места. Конечно, если задать очень большое количество монстров, игра будет работать медленно.

К сожалению, игра не раскрывает весь потенциал движка, поскольку мы с моделлером просто не успели это сделать. Например, нет разрушения уровня, только отдельные динамические части, поскольку тогда тупые монстры дороги не найдут, с другой стороны, это не предусмотрено идей игры. Не полностью реализованы возможности движка по части анимации моделей. Движок позволяет произвольное независимое изменение моделей на каждом кадре, что делает возможным реализацию самой изощрённой анимации.
Я решил не приводить ни каких скриншотов из игры, поскольку они совершенно не передают достоинства движка, как-то динамическое освещение и мягкие тени. Скачайте демо-версию, она занимает всего несколько мегабайт. А так представьте себе сюрреалистическую инопланетную местность, состоящую из огромного количества шаров, монстров из небольших сфер, которые при взрыве разлетаются на мелкие кусочки. Скачать текущую демо-версию можно по этой ссылке .

Для игры требуется Windows95 и выше, желательно больше 128 мегабайт памяти, иначе отключите музыку, DirectX, видео карта с поддержкой 32-битного цвета, и, самое главное, процессор помощнее. Например, процессор Intel Pentium 4 с поддержкой технологии Hyper-Threading, или новый AthlonXP. Игра должна запускаться на любом процессоре с технологией MMX, однако для полной функциональности нужна поддержка SSE, то есть, процессор начиная с Pentium-III. Видео ускоритель не требуется. Кстати, движок поддерживает многопроцессорность, в том числе, и технологию Hyper-Threading. Не вся программа использует несколько потоков для успешного использования Hyper-Threading, но главный цикл трассировки лучей распараллелен, и достигается выигрыш в несколько десятков процентов. А на многопроцессорной системе выигрыш пропорционален количеству процессоров.

Развитие движка VirtualRay

На сегодняшний момент движок позволяет отображать фантастические сцены. Но использование в качестве примитивов сфер не есть принципиальное ограничение, просто на текущий момент использование более сложных примитивов проблематично с точки зрения скорости. С ростом производительности можно реализовать обработку эллипсов вместо сфер, что позволит обогатить сцены.

И сейчас можно реализовать обработку треугольников вместе со сферами. Но чтобы отобразить нечто содержательное с помощью треугольников, их нужно очень много, а обрабатываются они со скоростью сфер. Несложно расширить множество примитивов за счёт введения сфер с вырезами, сферических сегментов и сферических треугольников. Но это тоже негативно скажется на скорости.
Есть различные методы повышения производительности рейтрейсинга за счёт ухудшения качества изображения. Трассируются не все лучи, а только наиболее важные, а для построения недостающей части изображения использования интерполяция. Однако, такой подход применим не ко всем сценам, иногда он может давать более-менее качественные результаты, а иногда сильно портить изображение.

Кстати, о качестве. Тут есть большой резерв для улучшения. Дело в том, что процедура текстурирования выполняется всего один раз на точку и не отнимает много времени. Сейчас на текстурирование тратится около 10% времени рендеренга. Так что, для улучшения качества текстурирования планируется реализовать попиксельную трилинейную фильтрацию, это не должно существенно понизить скорость.

Рейтрейсинг и современные 3D-ускорители

Последнее время индустрия 3D-ускорителей совершает переход к повсеместному использованию так называемых пиксельных и вертексных шейдеров. При растеризации треугольника для каждого фрагмента изображения ускоритель выполняет заранее заданную программку, которая изменяет сложным образом цвет фрагмента. Она может ещё много чего делать, например, какие-то промежуточные вычисления записывать в текстуры, которые потом будут читаться и использоваться при отрисовке чего-то другого. Типичным примером современного пиксельного, или как его ещё называют, fragment шейдера является шейдер, вычисляющий освещение данной точки треугольника. Он устроен следующим образом: берётся вектор - глобальная позиция источника, берётся текущая координата точки треугольника в трёхмерном пространстве, которая вычисляется в чипе ускорителя при растеризации треугольника, и нормаль к треугольнику в данной точке. Далее вычисляется вектор из данной точки в направлении на источник света и в зависимости от угла, который он образовывает с нормальным перпендикулярным вектором, высчитывается освещённость. Чем под большим углом падает свет, тем меньше его интенсивность.
Как мы видим, современный шейдер может быть содержательной геометрической программой. Сейчас принято тестировать новые ускорители путём измерения скорости выполнения таких вот и более сложных шейдеров. Производительность получается очень большой. Шейдер, выполняющий попиксельное освещение работает в разрешении 1024x768 со скоростью 100-200 кадров в секунду на последних акселераторах, таких, как Radeon9700 или GeForceFX. Имеется ввиду только время работы непосредственно шейдера. В связи с этим давно уже появилась мысль использовать такую немалую вычислительную мощность в самых разнообразных целях, даже далёких от 3D графики. И, в том числе, попытаться использовать для реализации метода трассировки лучей.

Однако, если рассмотреть эту мощность с точки зрения количества скалярных и векторных вычислений с плавающей точкой в единицу времени, то она оказывается сравнимой с вычислительной мощностью современных процессоров. Возьмём самый новый на сегодняшний день ускоритель GeForceFX5900Ultra, он имеет частоту 450MHz, 4 пиксельных процессора, каждый из которых может совершать 1 векторную операцию за такт. На самом деле, операций за такт может быть больше, но нам интересны только вычисления с полной точностью float32, поскольку вычисления с меньшей точностью имеют смысл в основном для вычисления цвета, диапазон которого всё равно ограничен не очень большим цветовым разрешением монитора. А для геометрических расчётов требуется хорошая точность. Получается 450Mx4=1800 миллионов векторных операций в секунду как грубая оценка производительности. Если же взять Pentium 4, то при использовании SSE можно достичь одной векторной операции за полтора такта, то есть при частоте 2700MHz получим те же 1800 миллионов векторных операций в секунду. В обоих случаях имеет в виду, естественно, пиковая производительность, когда весь код только и состоит из вычислений.
Видно, что превосходства в вычислительной мощности у VPU нет. Его преимущество в графике заключается в умении параллельно с вычислениями шейдера производить сопутствующие вычисления, необходимые для растеризации треугольника. Как-то вычислять значение буфера глубины, интерполировать по поверхности треугольника заданные в вершинах значения, и осуществлять за такт выборку и фильтрацию текстур. Всё это осуществляется различными параллельно работающими блоками видео ускорителя.

Так что никакого особого преимущества в реализации трассировки лучей от использования видео ускорителя мы, естественно, не получим, поскольку ускоритель полностью оптимизирован и построен с точки зрения оптимизации рисования треугольников.
Относительно оптимизации трассировки лучей с помощью видео ускорителя есть ещё такая идея: нарисовать всю геометрию на VPU, а расчёт освещения методом трассировки лучей выполнить посредством CPU, а затем скомбинировать результат. Но толку от этого особого не будет, потому, что основные вычислительные сложности приходятся как раз на вычисление освещения. Причём, чем сложнее будет сцена и, соответственно, больше выигрыш от использования VPU, тем больше ресурсов потребуется для расчёта освещения сложной сцены, и рисование сцены будет занимать значительно меньше времени относительно времени расчёта освещения.

Расчёт освещения с помощью современных ускорителей

Хорошо, а каким же образом предлагается рассчитывать затенённость сцены в новых играх с динамическими источниками света, такими, как Doom III? Неужели мы теперь навсегда обречены видеть в компьютерных играх заранее рассчитанное статическое освещение? Нет, давно известны интересные методы расчёта теней на основе использования стандартного метода рисования текстурированых треугольников с помощью z-буфера. Известны они давно, но они такие требовательные к вычислительным ресурсам, что их применение в компьютерных играх, и то, ограниченное, стало возможным только недавно с появлением нового поколения видео ускорителей.

Рассмотрим для начала метод, с помощью которого рисуются динамические тени в вышеупомянутой игре Doom III. Игре, которую очень ждут многие геймеры. Этот метод называется методом Теневых объёмов, или методом отрисовки теней с помощью стенсил - буфера. Вот принципиальная схема его работы: сначала рисуется не освещённая сцена, далее для каждого отбрасывающего тень объекта сцены строится его теневой объём. Теневой объём - это фигура, ограничивающая теневую область, ту область пространства, в которую не попадает свет, которая затенена данным объектом. Мы как бы представляем простирающуюся за объектом черноту в виде тела. Теневой объём можно даже в реальности увидеть, если осветить резким светом комнату, в которой летают частички пыли. Не затенённые частицы будут светиться, а затенённые будут образовывать черную область за загораживающим свет объектом. Следующий шаг состоит в отрисовке треугольников, составляющих границу этого теневого объёма. Путём сравнения значения буфера глубины с глубиной передней и задней стенок теневого объёма определяется, лежит ли данная точка в теневом объёме и, таким образом, затеняется, или нет. Вот при сравнении глубины стенок теневого объёма и глубины изображения используется стенсил буфер - отвечающий экранным пикселям массив значений. В нём хранятся промежуточные результаты сравнения глубины стенок теневого объёма с глубиной изображения. Этот метод "хорош" тем, что вовсю использует fillrate ускорителя, поскольку теневые объёмы, как правило, имеют большую площадь на экране, чем отбрасывающий тень объект. Метод был доступен для реализации ещё на ускорителях Riva TNT2, но он такой требовательный, что его применение стало возможным только недавно.

С другой стороны, построение оптимальных теневых объёмов для сложных не выпуклых объектов является непростой с вычислительной точки зрения задачей. Решение "в лоб" приведёт к возникновению большого количества лишних стенок теневого объёма, отрисовка которых потребует дополнительных ресурсов. Время нахождения эффективного объёма очень быстро растёт со степенью детализации модели. Возможно, именно благодаря этому модели монстров в NewDoom менее детализированы, чем ожидалось.
Но это ещё не все недостатки. У многих небольших объектов площадь стенок теневого объёма может достигать гигантской величины. Например, у расчески. Её теневая область не велика, но очень извилиста. Далее, метод не очень хорошо совместим с прозрачными поверхностями. Например, если в теневой объём попадает прозрачная поверхность, тогда находящийся за ней объект не оставляет своей информации в буфере глубины, поскольку эта информация затёрлась глубиной прозрачной поверхности. И определить, лежит ли объект в теневом объёме, невозможно. Все случаи такого рода придётся обрабатывать отдельно, что будет приводить к увеличению количества проходов рендеренга.

Данный метод трудно усовершенствовать для получения размытых теней. Те, кто смотрел предварительную версию Doom III, могли обратить внимание на резкость теней. И, собственно, этот метод годится только для рисования теней, вторичное освещение с его помощью не рассчитаешь, преломление и отражение света тоже. Просто в лоб рисуется теневой конус объекта и всё.

Другой популярный способ изображения динамических теней в современных играх заключается в использовании проективного наложения текстур. Современные ускорители научились проецировать текстуру на объект, как диапроектор проецирует слайд на экран. Просто при рисовании объекта вычисляется, какая точка текстуры проецируется в данную точку объекта. Теперь можно, смотря из источника света, нарисовать объект чёрным цветом в текстуру, получится теневой силуэт. Всё равно, что тень от предмета на вертикальной белой стене. И эту текстуру с тенью называют теневой маской, её можно спроецировать на затеняемые объекты.

Именно этот метод используется в новых играх для изображения теней от динамических объектов, монстров, машин. С помощью него можно рисовать размытые тени, для этого исходная текстура с тенью размывается, превращаясь из чёрно-белой в бело-серую.

Я даже не знаю, какой из выше описанных методов более требователен к fillrate ускорителя. Дело в том, что для получения хорошего качества тени, требуется, чтобы теневая текстура была очень большого разрешения. В новых играх, вроде Splinter Cell, используются текстуры размером несколько тысяч пикселей. Причина заключается в том, что при проецировании самые мелкие детали многократно увеличиваются в размере. Становятся видны составляющие изображение пиксели. Таким образом, этот метод можно использовать только для наложения теней на близко расположенные объекты. Вторым недостатком этого метода является невозможность самозатенения объекта, требуется точно выделять отбрасывающий тень объект, и его части не будут отбрасывать тень друг на друга. И в дополнение, естественно, никакого обобщения для расчёта вторичной освещённости, отражений и преломления света, этот метод не предполагает.

И, наконец, рассмотрим самый, на мой взгляд, перспективный для использования в современных играх метод построения теней. Он является развитием предыдущего проективного метода. Только вместо силуэта объекта в теневую текстуру записывается расстояние от точек объекта до источника света. Далее, при проецировании теневой текстуры эта информация используется для определения, лежит ли точка потенциально затеняемого объекта дальше, или ближе к источнику света, чем затенитель. Преимущество этого метода состоит в корректном самозатенении объекта. А недостатки у него аналогичны предыдущему методу. Этот способ построения динамических теней не пользуется популярностью у разработчиков игр. "Вина" метода заключается в том, что он требует специфических возможностей видеокарты, которые впервые появились в GeForce3 - Geforce4, но были изъяты из Geforce4MX - сокращённой версии Geforce4. Без поддержки железа метод реализовать невозможно, так что приходится использовать способ, осуществимый на всех популярных видео картах.

Преимущество всех выше названных методов заключается в хорошей совместимости с существующим "железом". Для них, по сути, ничего не надо, кроме fillrate и простейших операций. В итоге, можно сделать вывод о том, что видео ускорители даже сейчас далеки от расчёта освещения сцены в реальном времени. И ничего революционного не предвидится. Появились тени от некоторых динамических объектов, ограниченный динамический свет в новом Doom III, вот эти технологии будут осваиваться в течение долгого периода времени.

Развитие ускорителей с точки зрения рейтрейсинга

Как я уже упоминал, современные ускорители становятся всё более и более программируемыми и мощность их неуклонно растёт. Производители видеокарт даже используют термин "Визуальный процессор" применительно к новым изделиям. Действительно, по своим возможностям, ускорители всё больше и больше напоминают обычные процессоры для персональных компьютеров. Вот именно с увеличением степени программируемости VPU связываются надежды по реализации интеллектуальных методов построения изображений, таких, как метод трассировки лучей. Что бы ускоритель можно было перепрограммировать подходящим образом.

Оценим перспективы развития ускорителей в этом направлении. Сейчас новейшие ускорители работают на частотах около 500MHz, как процессоры пятилетней давности, и имеют 4-8 параллельно работающих конвейеров. Сейчас большинство шейдерных векторных операций, сложение, скалярное произведение, выполняется за такт. Многие вспомогательные операции, вроде интерполяции значений по поверхности треугольника, тоже выполняются за такт. Вычисление тригонометрических функций, таких, как sin и cos, правда приближённое, выполняется тоже за такт. При этом используются выборки из таблиц с заранее просчитанными значениями, но, всё равно, производительность удивительна. Тем более, странно, что современные CPU для персональных компьютеров ничего подобного не умеют. Наоборот, наблюдается тенденция по избавлению от сложных команд и замене их несколькими простыми. Эти меры требуются для возможности наращивания частоты. Не вдаваясь в технические тонкости, можно сказать, что всё более и более уменьшающийся с ростом частоты процессорный такт требует более коротких команд. Сложные инструкции всё равно расщепляются внутри современных процессоров на микро операции. Это расщепление - тоже отдельная проблема, ей занимаются целые блоки процессора.

А что же видео ускорители? Вероятно, что для увеличения частоты придётся серьёзно переработать архитектуру современных VPU. Но это ещё полбеды. Для истинной программируемости требуется исполнение процессором ветвлений, то есть, команд управления выполнением программы. А с этим - всегда самые большие проблемы. Как современные процессоры страдают от непредсказуемых условных переходах в программах? Вот вершинные шейдеры в GeForceFX получили команды условных переходов, вы можете посмотреть свежие тесты, как сильно "просела" производительность. И это на сравнительно невысокой частоте ниже 500MHz. А с ростом частоты потери от условных переходов только увеличатся, да и сама их реализация - труднее. Кстати, фантастическая производительность акселераторов достигается при исполнении так называемых потоковых операций, когда данные идут сплошной полосой и обрабатываются по жёстко определённой схеме, никаких тебе случайных условных переходов и т.п. Все эти факты говорят о том, что увеличения частоты видео ускорителей ожидать в ближайшее время не приходится.

Важным параметром видеокарты является количество пиксельных процессоров. Они параллельно закрашивают пиксели, поэтому, чем их больше, тем лучше. На самых новых Radeon их аж восемь. От новых ускорителей ожидают всё большего количества fragment процессоров. Но не всё так просто. Дело в том, что когда размеры треугольника соизмеримы с количеством пиксельных конвейеров, они не могут все работать вместе. В маленьком треугольнике им не хватает места. В том числе, по этой причине производители видео ускорителей так любят режимы анти-алиасинга с отрисовкой всей сцены с удвоенным разрешением. Тогда маленькие треугольники становятся больше. Действительно, если сцену из больших треугольников разбить на более мелкие без изменения формы, то производительность выполнения пиксельных шейдеров существенно снизится, хотя общая площадь треугольников останется прежней.

Развитие современных ускорителей игровой графики и так сопряжено с большими трудностями, и идёт практически только за счёт усовершенствования технологического процесса производства видео чипов. Вся NVIDIA и ATI думают о том, как сделать эффективно простые динамические тени. Хорошего решения нет - им не до рейтрейсинга.

Специализированный ускоритель для рейтрейсинга

Если современные игровые VPU изначально проектировались для ускорения стандартного алгоритма рисования треугольников и мало пригодны для реализации трассировки лучей, то, может быть, имеет смысл изначально строить ускоритель для реализации рейтрейсинга? Увы, ускорять трассировку лучей - неблагодарное занятие.

Алгоритм трассировки лучей такой сложный, что ускоритель рейтрейсинга это почти что универсальный процессор. Аппаратному ускорению хорошо поддаются потоковые алгоритмы без случайных ветвлений, а рейтрейсинг совершенно не такой. То есть, сделать ускоритель трассировки лучей всё равно, что создать настоящий CPU.

Зато у трассировки лучей есть другое достоинство - она хорошо распараллеливается. Каждый луч можно рассчитывать независимо, что позволяет эффективно реализовать алгоритм на мультипроцессорных системах. В качестве дешевого ускорителя трассировки лучей можно рассматривать знаете что? Систему на четырёх Celeron частотой от 3 гигагерц, или четырёх AthlonXP с урезанным кэшем. Алгоритм трассировки лучей при правильной оптимизации не требователен к большому размеру кэша, так что получится дёшево и многофункционально. Совокупная вычислительная мощность будет намного превосходить текущие настольные компьютеры. Но этого не будет, поскольку многопроцессорные системы предназначены для другого рынка, не для домашних систем.

Заключение

На основании всего вышесказанного, можно сделать вывод, что реалистичная визуализация сцен в реальном времени на персональных компьютерах очень сложна, причём многие проблемы носят принципиальный характер. Должно пройти достаточно времени, что бы игровая компьютерная графика вышла на качественно новый уровень. И какие методы будут использоваться для визуализации в будущих графических приложениях сейчас сказать очень сложно.

Ссылки

http://www.art-render.com/

Сайт производителей "ускорителей рейтрейсинга" для оптимизации рендеренга в 3DMax и других графических редакторах. Ускоритель - это набор нескольких, от 8, оптимизированных для рейтрейсинга процессоров. Они умеют выполнять типичную для трассировки операцию - находить пересечение луча с треугольником - за один такт. Но, по-видимому, работают на не очень высокой частоте. Ускорение достигается за счёт параллельной работы. Сейчас на сайте трудно найти цены, но раньше я их видел, они совсем не маленькие.


http://www.acm.org/tog/resources/RTNews/html

Обширный список разнообразных ресурсов на тему трассировки лучей.


http://www.realstorm.com/

Движок на основе трассировки лучей. Позволяет рисовать в реальном времени большое количество типичных для трассировки эффектов, отражения и преломления света, например. Но работает в небольших разрешениях и использует аппроксимацию. На основе движка построена игра - симулятор боулинга.


http://www.kge.msu.ru/workgroups/compcenter/dmitri/projects/sphericworld/index.htm

http://www.kge.msu.ru/workgroups/compcenter/dmitri/projects/polyworld/index.htm

Ещё один проект, посвящённый методу трассировки лучей. Реализован сферический и полигональный рейтрейсер, строящий очень качественные реалистичные изображения, но медленно в больших разрешениях.


http://www.virtualray.ru/

Это, собственно, сайт, посвящённый предмету статьи - движку VirtualRay и игре AntiPlanet - первому 3D shooter на основе ray trace движка.

Предисловие

Закон Мура, говорящий об экспоненциальном росте со временем вычислительной мощности, дает основание полагать, что рано или поздно, методы на основе трассировки лучей, использующиеся для создания высоко реалистичных изображений в трёхмерных редакторах, можно будет использовать и в реальном времени в компьютерных играх.

Но на самом деле, законы, принятые депутатами, вкусы избирателей, то есть, пользователей, и научно-технические достижения в далеких областях повлияют на перспективы трассировки лучей в гораздо большей степени.

Вступление

Кратко осветим суть метода (обратной) трассировки лучей. В использующемся в современной графике реального времени растеризационном методе, для рисования объекта находится проекция на плоскость экрана составляющих объект треугольников. И они рисуются по пикселям, с заполнением буфера глубины, то есть, расстояния до плоскости экрана. Буфер глубины требуется, чтобы ближние к наблюдателю треугольники зарисовали дальние, а не наоборот. И все остальные эффекты делаются на основе растеризации.

В методе обратной трассировки лучей построение изображения, наоборот, идет от пикселей экрана, а не от объектов. Через каждую точку экрана в направлении от наблюдателя проводится воображаемый луч. Он имитирует луч света, пришедший к наблюдателю из данного направления. И для каждого луча смотрится, с каким объектом он первым пересекается. И цвет области объекта, соответствующий точке пересечения, задаст цвет данного пикселя. Но дальше начинается самое интересное. После пересечения с объектом, луч начинает свое путешествие по сцене. Проводятся лучи в направлении источников света, чтобы проверить, затеняется ли данная точка этого объекта, можно провести отраженный луч, если объект имеет зеркальные свойства, можно провести преломленный луч, если объект полупрозрачен.

В данном случае, точка объекта напрямую освещается только одним источником света, второй заслонен другим объектом.

Таким образом, происходит некоторая симуляция распространения света. Метод имеет множество сложных модификаций, но в их основе лежит «трассировка луча», то есть, нахождение пересечения луча (света) с объектами сцены.

Проблема

Пусть метод трассировки и позволяет отрисовать сцену с эффектами освещения, прозрачностью и отражениями, он вычислительно крайне затратен. Операция нахождения пересечения произвольного луча с объектами сложной сцены весьма нетривиальна. И она не может быть так же легко ускорена специальными (достаточно простыми) «ускорителями», как математически простая операция растеризации треугольников. Поэтому, в игровой графике используется растеризационный метод, который позволяет быстро нарисовать геометрию, то есть, фигуры объектов и текстуры со всевозможными шейдерами. А освещение почти всей сцены статическое. Только для отдельных движущихся моделей используются частные методы рисования теней. Они тоже основаны на растеризации: тени, по сути, просто рисуются.

Самый простой пример: рисуется в отдельный буфер силуэт объекта, с точки зрения источника света и далее, содержимое этого буфера, как текстура, накладывается на поверхность под объектом. Получаются такие динамические бегающие тени. Их можно видеть во многих компьютерных играх уже давно. Метод допускает усовершенствования, можно проецировать этот силуэт на стены, на кривые поверхности. Текстуру этого силуэта можно размыть, получив таким образом рисунок с оттенками серого, а не просто черно-белый четкий силуэт. И тогда, при наложении получится мягкий переход от темноты к свету, так называемая мягкая тень. Это будет не совсем корректная физически тень, но смотрится похоже.

Построенная с помощью трассировки лучей мягкая тень будет более реалистичной, но её рисовать гораздо вычислительно затратнее. И самый первый вопрос, заметит ли геймер в азарте, например, компьютерной стрелялки, разницу между сильно приближенно нарисованной тенью и более физически корректной? Тут мы подходим к вопросу субъективного восприятия людьми, то есть, геймерами, графики. Ведь картинка на экране монитора только грубо приближает реальность. И если пользоваться различными критериями, мера этого приближения будет меняться.

Оказалось, и это очевидно, что для большинства решающий критерий приближения это геометрическая детализация. Далее, с некоторым отрывом, качественное текстурирование. В части текстурирования у метода трассировки лучей примерный паритет с растеризационным, мы не будем особенно рассматривать вопросы текстурирования и шейдеров материалов.

Но геометрию сцены трассировкой лучей рисовать не выгодно, хотя это зависит от сцены. Сцены определенного плана эффективнее рисовать трассировкой, но сцены из современных игр далеки от этого класса.

Далее в статье мы предметно рассмотрим различные проекты в области трассировки, но, например, в свое время Intel демонстрировала рендеринг уровней из Quake III с помощью трассировки. Низкополигональные уровни в низком разрешении медленно рисовались на очень дорогой и продвинутой системе, далекой от потребительского рынка. Фишка была в том, что можно рисовать динамические тени и сложные отражения.

Но человеческое зрение и восприятие так устроено, что оно очень адаптивно к освещению. Собственно, всякие тени только мешают человеческому глазу выделять необходимые ему объекты. Например, при охоте, типичном занятии наших предков, в тенях деревьев могла скрываться добыча. Надо тени убрать с виртуального изображения, формирующегося в мозге.

Другой момент заключается в том, что реальное освещение одной сцены может быть невероятно многообразно, в зависимости от отражающих свойств поверхностей и свойств среды, воздуха в частности, а так же от свойств источника света. Имеются в виду не зеркальные отражения, а рассеивание света объектами. Как мы видим, в самом углу темнее, чем ближе к окну, потому что в самый угол темный попадает в конечном итоге меньшее количество фотонов света, путешествующих по комнате. Сам воздух тоже может различным образом рассеивать свет. И для приближенной упрощенной модели освещения, используемой во многих играх, можно подобрать реалистичные параметры отражающих свойств поверхностей, свойства воздуха, источника света, чтобы в реальности примерно воспроизвести освещение игровых сцен.

В играх часто также используется пререндрённое освещение для сцены, которое заранее рассчитывается тем же методом трассировки лучей и записывается в текстуры материалов объектов. Хорошо, в большинстве случаев мы в реальной жизни наблюдаем статический свет. Солнце медленно идет по небу, когда же мы входим в помещение, то включаем свет, если он там ещё не горит. Потом берем автомат и расстреливаем лампочки, свет выключается. Все это можно заранее рассчитать и поместить в специальные текстуры, которые называются lightmap (для экономии места, они меньшего разрешения, чем текстуры материалов, так как освещение меняется плавно и его можно качественно интерполировать для каждой точки, используя малоразмерные текстуры). Или рассчитать освещение для каждой вершины треугольников высоко детализированной сцены, а тени от движущихся моделей рисовать приближенно одним из частных методов.

На Gamescom 2018 Nvidia анонсировала серию видеокарт Nvidia GeForce RTX, которые будут поддерживать технологию трассировки лучей в реальном времени Nvidia RTX. Наша редакция разобралась, как эта технология будет работать и зачем это нужно.

Что такое Nvidia RTX?

Nvidia RTX - платформа, содержащая ряд полезных инструментов для разработчиков, которые открывают доступ к новому уровню компьютерной графики. Nvidia RTX доступна только для нового поколения видеокарт Nvidia GeForce RTX, построенного на архитектуре Turing. Основная особенность платформы - наличие возможности трассировки лучей в реальном времени (также называемой рейтресингом).

Что за трассировка лучей?

Трассировка лучей - функция, которая позволяет имитировать поведение света, создавая правдоподобное освещение. Сейчас в играх лучи двигаются не в реальном времени, из-за чего картинка, зачастую, хоть и выглядит красиво, но всё равно недостаточно реалистична - используемые сейчас технологии требовали бы огромное количество ресурсов для рейтресинга.

Это исправляет новая серия видеокарт Nvidia GeForce RTX, обладающая достаточной мощностью для расчёта пути лучей.

Как это работает?

RTX проецирует лучи света с точки зрения игрока (камеры) на окружающее пространство и высчитывает таким образом, где какого цвета пиксель должен появиться. Когда лучи натыкаются на что-либо, они могут:

• Отразиться - это спровоцирует появление отражения на поверхности;
• Остановиться - это создаст тень с той стороны объекта, на которую свет не попал
• Преломиться - это изменит направление луча или повлияет на цвет.

Наличие этих функций позволяет создавать более правдоподобное освещение и реалистичную графику. Этот процесс - очень ресурсозатратный и давно применяется при создании эффектов фильмов. Разница лишь в том, что при рендере кадра фильма у авторов - доступ к большому объёму ресурсов и, можно считать, неограниченному промежутку времени. В играх же на формирование картинки у устройства есть доли секунды и видеокарта используется, чаще всего, одна, а не несколько, как при обработке кинокартин.

Это побудило Nvidia внедрить дополнительные ядра в видеокарты GeForce RTX, которые возьмут на себя большую часть нагрузки, улучшая производительность. Они также снабжены искусственным интеллектом, задача которого - высчитывать возможные ошибки во время процесса трассировки, что поможет их избежать заранее. Это, как заявляют разработчики, также повысит скорость работы.

И как трассировка лучей влияет на качество?

Во время презентации видеокарт Nvidia продемонстрировала ряд примеров работы трассировки лучей: в частности, стало известно, что некоторые грядущие игры, включая Shadow of the Tomb Raider и Battlefield 5 будут работать на платформе RTX. Функция эта, тем не менее, будет в игре необязательной, так как для трассировки нужна одна из новых видеокарт. Трейлеры, показанные компанией во время презентации, можно посмотреть ниже:

Shadow of the Tomb Raider , релиз которой состоится 14 сентября этого года:

Battlefield 5 , которая выйдет 19 октября:

Metro Exodus , чей выход намечен на 19 февраля 2019 года:

Control , дата выхода которой пока неизвестна:

Вместе с этим всем, Nvidia , какие ещё игры получат функцию трассировки лучей.

Как включить RTX?

Ввиду технических особенностей данной технологии, рейтресинг будут поддерживать только видеокарты с архитектурой Turing - имеющиеся сейчас устройства не справляются с объёмом работы, который требует трассировка. На данный момент, единственные видеокарты с данной архитектурой - серия Nvidia GeForce RTX, модели которой доступны для предзаказа от 48 000 до 96 000 рублей.

А есть ли аналоги у AMD?

У AMD есть свой собственный вариант технологии трассировки лучей в реальном времени, который присутствует в их движке Radeon ProRender. Компания анонсировала свою разработку ещё на GDC 2018, которая прошла в марте. Основное отличие метода AMD от Nvidia заключается в том, что AMD даёт доступ не только к трассировке, но и к растеризации - технологии, которая применяется сейчас во всех играх. Это позволяет как использовать трассировку, получая более качественное освещение, так и экономить ресурсы в местах, где трассировка будет излишней нагрузкой на видеокарту.

Технология, которая будет работать на API Vulkan, пока находится в разработке.

Как заявляла Nvidia во время своей презентации, освоение технологии RTX позволит значительно улучшить графическую составляющую игр, расширяя доступный разработчикам набор инструментов. Тем не менее, пока рано говорить о всеобщей революции графики - данную технологию будут поддерживать не все игры, а стоимость видеокарт с ее поддержкой довольно высока. Презентация новых видеокарт значит, что прогресс в графических деталях есть, и со временем он будет всё расти и расти.

Алгоритм выглядит следующим образом: из виртуального глаза через каждый пиксел изображения испускается луч и находится точка его пересечения с поверхностью сцены (для упрощения изложения мы не рассматриваем объемные эффекты вроде тумана). Лучи, выпущенные из глаза называют первичными. Допустим, первичный луч пересекает некий объект 1 в точке H1 (рис. 1).

Рисунок 1. Алгоритм трассировки лучей.

Далее необходимо определить для каждого источника освещения, видна ли из него эта точка. Предположим пока, что все источники света точечные. Тогда для каждого точечного источника света, до него испускается теневой луч из точки H1. Это позволяет сказать, освещается ли данная точка конкретным источником. Если теневой луч находит пересечение с другими объектами, расположенными ближе чем источник чвета, значит, точка H1 находится в тени от этого источника и освещать ее не надо. Иначе, считаем освещение по некоторой локальной модели (Фонг, Кук-Торранс и.т.д.). Освещение со всех видимых (из точки H1) источников света складывается. Далее, если материал объекта 1 имеет отражающие свойства, из точки H1 испускается отраженный луч и для него вся процедура трассировки рекурсивно повторяется. Аналогичные действия должны быть выполнены, если материал имеет преломляющие свойства.

// Алгоритм трассировки лучей

//

float3 RayTrace (const Ray & ray )

{

float3 color (0,0,0);

Hit hit = RaySceneIntersection (ray );

if (!hit .exist )

return color ;

float3 hit_point = ray .pos + ray .dir *hit .t ;

for (int i =0;i

if (Visible (hit_point , lights ))

color += Shade (hit , lights );

if (hit .material .reflection > 0)

{

Ray reflRay = reflect (ray , hit );

color += hit .material .reflection*RayTrace (reflRay );

}

if (hit .material .refraction > 0)

{

Ray refrRay = refract (ray , hit );

color += hit .material .refraction *RayTrace (refrRay );

}

return color ;

}

Листинг 1. Алгоритм обратной трассировки лучей.

Поясним фрагмент программы (листинг 1). Луч представлен двумя векторами. Первый вектор – pos – точка испускание луча. Второй – dir – нормализованное направление луча. Цвет – вектор из трех чисел – синий, красный, зеленый. В самом начале функции RayTrace мы считаем пересечение луча со сценой (представленной просто списком объектов пока что) и сохраняем некоторую информацию о пересечении в переменной hit и расстояние до пересечения в переменной hit.t. Далее, если луч промахнулся и пересечения нет, нужно вернуть фоновый цвет (в нашем случае черный). Если пересечение найдено, мы вычисляем точку пересечения hit_point, используя уравнение луча (эквивалентное уравнению прямой с условием t>0). Когда мы вычислили точку пересечения в мировых координатах, приступаем к расчету теней. Пусть источники лежат в массиве lights. Тогда проходим в цикле по всему массиву и для каждого источника света проверяем (той же трассировкой луча), виден ли источник света из данной точки hit_point. Если виден, прибавляем освещение от данного источника, вычисленное по некоторой локальной модели (например модели Фонга). После, если у материала объекта, о который ударился луч, есть отражающие или преломляющие свойства, трассируем лучи рекурсивно, умножаем полученный цвет на соответствующий коэффициент отражения или преломления и прибавляем к результирующему цвету. Коэффициенты reflection и refraction могут быть как монохромными так и цветными. Всё зависит от того, какая используется математическая модель для представления материалов.

Иногда теневые лучи бывают цветные. Такие лучи используются, если есть вероятность того, что один объект перекрывается другим прозрачным объектом. В таком случае рассчитывается толщина пути теневого луча внутри прозрачного объекта и тень может приобрести какой-либо оттенок (если объект им обладает). Разумеется, тени, рассчитанные таким образом корректны, только если прозрачный объект, отбрасывающий тень, имеет очень близкий к единице коэффициент преломления (считаем что коэффициент преломления воздуха равен 1).

Если это не так, то под прозрачным объектом образуется сложная картина, называемая каустиком. Каустики рассчитываются отдельно с помощью метода фотонных карт . Типичный пример каустика – солнечный зайчик от стакана воды, когда через него просвечивает солнце.

Следует отметить, что обратная трассировка лучей в том виде, в котором она здесь описана, не является фотореалистичным методом визуализации. Более того, по сравнению с методом растеризации она позволяет корректно рассчитать лишь четкие отражения, преломления и устранить ступенчатость при большом числе лучей на пиксел (что медленно). Для получения всего спектра видимых эффектов необходимо использовать более сложные алгоритмы, которые, однако, базируются именно на трассировке лучей.

Рисунок 2. Изображение, полученное с помощью трассировки лучей.

Даже при разрешении картинки 1024x768 количество первичных лучей равно 786432 - то есть приближается к миллиону. Каждый из этих лучей может уйти глубоко в рекурсию, увеличивая количество трассируемых лучей в несколько раз. Объем вычислений, которые надо при этом производить - громадный и обычно трассировка лучей работает довольно медленно. Причем, львиная доля процессорного времени затрачивается на поиск пересечений. Поэтому вопрос производительности здесь стоит на первом месте. Существуют классы алгоритмов, позволяющих на порядки ускорить поиск пересечений. Соотношение качество/скорость является основным критерием при выборе тех или иных алгоритмов, но эффективные алгоритмы в любом случае стараются использовать когерентность лучей в том или ином виде. Подробнее о них см. в разделе "Быстрая трассировка лучей".