Wat is raytracing? Ontdek hoe Ray Tracing werkt

De evolutie van technologie brengt doorbraken in de visuele ervaring, maar ook van de graphics tot leven,  nvidia's nieuwe Ray Tracing- technologie  is het antwoord op die ontwikkeling wanneer het bedrijf de lijn van grafische kaarten  lanceert.Nieuwe generatie graphics gebaseerd op hun Turing-architectuur. Dus wat is Ray Tracing ? Waarom zeggen dat dit de technologie van de toekomst is? Laten we het in dit artikel uitzoeken met WebTech360

Wat is raytracing?

Ray Tracing  is een techniek om licht weer te geven (weergeven) door lichtstralen te volgen (trace betekent jagen, ray betekent lichtstralen). Je kunt je deze techniek voorstellen, zoals hoe je naar de zon kijkt, waarbij je volgt waar de stralen inslaan, welke objecten ze raken en hoe deze op de omringende objecten schijnt. Ray tracing bootst dat proces na, maar dan in een digitale omgeving.

Met andere woorden, ray tracing volgt het licht dat wordt geabsorbeerd, gereflecteerd, verstrooid en verstrooid door elk object in de omgeving, en is niet alleen van toepassing op een lichtstraal van de zon, maar op elke andere lichtbron (bijvoorbeeld: 2 gloeilampen). in de speelkamer, het flikkerende vuur van de open haard in het spel, de kunstmatige lichtbron is vast bij het weergeven van 3D...).

Momenteel is de Turing-architectuur met Ray Tracing nog steeds een groot vraagteken, naar verwachting een revolutionair keerpunt van de GPU-markt, dergelijke producten zullen waarschijnlijk in de toekomst op de meeste pc's te zien zijn of niet, of is de prijs zo hoog dat weinig mensen het kunnen bezitten en gebruiken?

Het is moeilijk te beantwoorden, want hoewel er artikelen en recensies zijn geweest voor de twee GeForce RTX 2080 FE- en GeForce RTX 2080 Ti FE-series, moeten we nog wachten, zelfs voor games die geavanceerde technologie ondersteunen. van de kaart, hier is ray traceren. Daarnaast zijn ook Quadro professionele grafische kaarten uitgerust met deze nieuwe technologie: Quadro RXT 8000, Quadro RXT 6000, Quadro RXT 5000, Quadro RXT 4000.

Hoe raytracing werkt

Het doel van ray tracing is om meer realistische verlichting en natuurlijkere schaduwen te creëren, en de RTX- serie van NVIDIA heeft indrukwekkende resultaten behaald, althans in de lanceringsdemo's. Een houten kamer met een open raam zal bijna de hele kamer verlichten bij gebruik van traditionele verlichting, en wanneer ray tracing is ingeschakeld, zullen plaatsen met direct licht helderder zijn dan in de donkere hoeken van de kamer. NVIDIA liet ook zien hoe de vlammen in Battlefield V een personage in de game kunnen achtervolgen en autodeuren heel realistisch kunnen verschroeien.

Licht heeft niet alleen invloed op de verlichting, maar ook op kleur, diepte en schaduwen. Dus wanneer de verlichting dicht bij het echte leven wordt gesimuleerd, zijn de rest van de elementen ook goed gedaan. De shaders in de huidige game zien er nogal hard en helder uit, zonder de lichte overgang tussen de lichte en donkere plekken, en ray tracing is het stuk dat dit mogelijk maakt.

Ray Tracing-algoritme 

Het creëren van een simulatie van de echte wereld is een zeer complexe onderneming. Het omvat vele factoren, zoals een oneindig aantal lichtstralen, reflecterende oppervlakken, het passeren van objecten, allemaal gebaseerd op de moleculaire eigenschappen van elk object, om nog maar te zwijgen van de zwaartekracht en fysieke interacties. Het simuleren van zoiets "oneindig" met alleen de eindige bronnen van de huidige computer is volkomen onevenredig en onmogelijk.

We noemen een oplossing voor het bovenstaande probleem "rasterisatie", in plaats van een oneindig aantal fotonen te behandelen, begint de verwerking met polygonen. Meer polygonen betekent een snellere verwerkingssnelheid, en rasteren is hier om die miljoenen polygonen om te zetten in een specifieke afbeelding.

Kortom, het maakt 2D-prototypes en geeft deze weer op een vooraf gebouwde 3D-wereld. Daarin kunnen 2D-afbeeldingen gemaakt van polygonen het hele scherm bedekken wanneer ze van dichtbij worden bekeken, maar kunnen slechts een paar pixels bedekken wanneer ze van een afstand worden bekeken, waardoor pixels, texturen en principes van licht worden gecreëerd. Eén techniek kan natuurlijk niet de hele klus dekken.

Verschillende technieken zoals Z-buffer (een secundaire buffer die de diepte van elke pixel bijhoudt) versnellen het proces en creëren een tool die de miljoenen gegenereerde polygonen zichtbaar, sorteerbaar en zo efficiënt mogelijk maakt. Dit kan miljoenen of zelfs miljarden berekeningen per frame vergen die alleen moderne GPU's met verwerkingssnelheden van teraflops aankunnen.

Raytracing benadert het bovenstaande probleem anders dan R- asterisatie , historisch gezien bestaat het nu al zo'n 50 jaar. Turner Whitted werkt momenteel voor NVIDIA , in het verleden schetste hij hoe recursieve tracking kan worden berekend, wat resulteert in indrukwekkende beelden, waaronder schaduwen, reflecties en meer. Het wordt natuurlijk een stuk ingewikkelder dan rasteren.

Ray tracing omvat het detecteren van de richting van een straal (meestal een lichtstraal) wanneer deze in de 3D-wereld wordt geprojecteerd. Stel dat u een object wilt bouwen, het eerste is om de lichtstralen te bepalen die de polygoon volgen die het object vormt, en vervolgens rekening te houden met de mogelijke lichtbronnen, de eigenschappen van de polygoon zoals het materiaal, plat of gebogen oppervlak , kortom, lichtstralen optellen of aftrekken.

Dit proces wordt vervolgens herhaald voor alle andere lichtbronnen, inclusief licht dat wordt gereflecteerd door objecten in de scène. Het is zo complex dat er veel formules nodig zijn om ray tracing mogelijk te maken, zelfs voor transparante, semi-transparante oppervlakken, bijvoorbeeld glas of water . Alles moet een limiet van kunstmatige reflectie hebben, want zelfs een straal kan niet al het oneindige aantal fotonen detecteren.

Het meest gebruikte ray tracing-algoritme, volgens NVIDIA , is BVH Traversal: Bounding Volume Hierarchy Traversal dat het proces versnelt door objecten in zones te verdelen voor verwerking, met andere woorden "verdeel en heers".

U kunt verwijzen naar het konijnenmodel van NVIDIA dat het BVH-algoritme gebruikt, dat elk niveau lokaliseert, de delen in blokken verdeelt, kleiner en kleiner totdat het algoritme resulteert in een korte lijst polygonen, en vervolgens de taak van ray tracing.

De hoeveelheid werk om dit werk te doen met software op de CPU of GPU is echter te hoog. Een alternatief is RT-core, elke RT-core heeft een ingebouwd BVH-structuuralgoritme, waardoor het werk 10 keer sneller kan verwerken dan CUDA-core.

Daarnaast moet ook worden vermeld hoeveel lichtstralen er op een pixel worden gedetecteerd, slechts één straal leidt tot tientallen of honderden berekeningen, maar hoe meer stralen worden gevolgd, hoe lichter het werk en hoe hoger de productiviteit. Bedrijven zoals Pixar gebruiken ook ray tracing-technologie om animaties te maken.

Een film van 90 minuten met een framesnelheid van 60 FPS vereist 324.000 afbeeldingen, die elk enkele uren nodig hebben om de stralen te berekenen die elke pixel volgen. Hoe gaat NVIDIA zo'n real-time equivalent bereiken? Ik noemde het uiterlijk van RT-kernen hierboven, maar alsof dat niet genoeg is, is het antwoord dat Tensor-kernen alleen beschikbaar zijn in Turing-architectuur. Voor een eenvoudig voorbeeld, met een werklast van FP16, bereiken Tensor-kernen 114 TFLOPS, terwijl FP32 en CUDA slechts 14,2 TFLOPS hebben.

Maar waarom is de kern van Tensor voldoende voor ray tracing? Het is AI en zelflerend, met andere woorden, het is de Deep Learning Super Sampling-functie waarmee de game met een lagere resolutie kan worden weergegeven zonder AA, waarna de Tensor-kern het frame zal overnemen en beïnvloeden, anti-aliasing voor een hogere resolutie.

Concluderend, grote namen in de rendering-industrie zijn in ray tracing gestapt, zoals Epic, UE, Unity 3D, EA Frostbite. Microsoft heeft zelfs DirectX Ray speciaal gemaakt voor ray tracing. Met RTX is dit echt een grote sprong voorwaarts in de grafische computerindustrie, natuurlijk is het nog niet compleet en binnen de komende tien jaar kan de RTX 2080 Ti als mainstream in de markt worden gezet.

Ray Tracing-technologie op de nieuwste grafische kaarten van NVIDIA

De huidige grafische technologie van NVIDIA en vrijwel de hele branche gaat over het simuleren van licht en het gedrag van licht in een bepaalde scène, op een eenvoudigere manier, genaamd Rasterisatie. Zoals een schilder schildert, worden objecten laag voor laag weergegeven, van achteren naar voren, zodat objecten op de voorgrond objecten op de achtergrond verdoezelen.

Geef het verschil weer tussen conventioneel raster (links) en ray tracing (rechts).

Deze aanpak zal echter moeilijk zijn bij het weergeven van de reflectie, omdat de rastertechniek het licht niet kan volgen en weergeven. Het wordt vaak gebruikt in real-time scènes omdat de huidige hardware niet voldoende is om de beweging van complexe scènes te simuleren, bijvoorbeeld in videogames of 3D-animaties.

Ondertussen reconstrueert ray tracing het gedrag van licht wanneer het oppervlakken, materialen en bewegende objecten raakt.

Licht terwijl het door een scène gaat, kan worden weergegeven en complexer worden gemaakt. Met ray tracing kunt u simuleren hoe lichtstralen interageren met objecten, waardoor realistische reflecties, brekingen en verstrooiingseffecten in realtime worden gecreëerd. Ray tracing kan zelfs refractors en reflectoren detecteren en weergeven, de lichtbron in de scène visualiseren en zelfs de kleur van het licht nadat het door het onderwerp is gegaan.

In feite is deze techniek in de praktijk gebruikt, met films als Pixar's Monsters University, Marvel's Iron Man. Maar dat was toen het werd gebruikt door professionele gebruikers, maar nu is het naar algemene gebruikers gebracht - iets dat voorheen onmogelijk was.

Dit mag een huzarenstukje van NVIDIA genoemd worden omdat ray tracing enorm veel rekenkracht vraagt. NVIDIA CEO Jensen Huang zei dat het "de grootste sprong was die we ooit hebben gemaakt in een generatie (GPU-kaarten)."

NVIDIA's manier om het probleem op te lossen is door de nieuwe Turing-architectuur te gebruiken in de nieuw uitgebrachte GPU's. Deze architectuur is ontworpen om het verwerkingsprobleem op te lossen. De speciale ray tracing-kernen zijn ook uitgerust met Tensor-kernen, die AI kunnen gebruiken om het "realtime" deel van het beeld af te leiden - het meest rekenintensieve probleem van deze techniek. De GPU's kunnen dus 6x sneller emuleren dan het vorige Pascal-platform (op GTX 1080Ti).

Dit is echt een enorme sprong voorwaarts in grafische technologie en het is opwindend om te bedenken dat studio's en individuen het gebruik van deze ray tracing-techniek nu kunnen uitbreiden naar toepassingen in animatie, wetenschappelijke games en simulaties.

Hopelijk wordt de Ray Tracing- technologie steeds verder ontwikkeld, dan zullen we een nog mooiere beeldkwaliteit ervaren, maar op dit moment is het echt moeilijk voor je om Ray Tracing voor andere gebruikers te ervaren vreselijke games omdat ze enorme software vereisen. Neem contact op met WebTech360 als u advies nodig heeft over de spelconfiguratie van Ray Tracing .

Gesynthetiseerd uit: Genk.vn