Čo je Ray Tracing?
Z hľadiska počítačovej grafiky je Ray Tracing technikou vykresľovania, ktorá simuluje fyzické vlastnosti svetla a prináša do hier realistické osvetlenie, tiene a efekty. Napodobňuje, ako sa lúč svetla odráža od predmetov od stanoveného bodu, čo ilustruje odraz svetla od každého povrchu. Celý tento proces naopak zvyšuje kvalitu obrazu a prináša divákom pohlcujúcejší zážitok. Táto technika sa už dlho používa v 3D filmoch a nakoniec sa našla aj v počítačových hrách na vysokej úrovni, ktoré poskytujú vizuálne efekty v kinematografickej kvalite. Ray Tracing v hernom svete zmenil hru a je preferovanou technikou vykresľovania pred rasterizáciou, ktorá má obmedzenia pri vykresľovaní skutočných farieb objektov.
Ray Tracing v GPU Nvidia
Ako popredný výrobca grafických kariet spoločnosť Nvidia vždy odvážne experimentovala s novými spôsobmi zlepšovania vizuálnej kvality svojich produktov. Od septembra 2018 Nvidia uvádza na trh grafické karty s funkciami Ray Tracing. Architektúra Turing od spoločnosti Nvidia je prvým dizajnom GPU s vyhradeným hardvérom alebo RT jadrami na spracovanie Ray Tracing v reálnom čase.
Čo sú jadrá RT?
Ray Tracing je zvyčajne vyhradený pre aplikácie, ktoré nie sú v reálnom čase, pretože výpočtový čas potrebný na spracovanie operácie sledovania lúča je oveľa dlhší ako iné vizuálne efekty. Nvidia urobila prielom integráciou hardvéru do svojich architektonických návrhov s jediným cieľom-vypočítať sledovanie lúčov v reálnom čase. Tento pridaný hardvér, známy ako RT Cores, bol slávnostne otvorený v grafických kartách RTX spoločnosti Nvidia založených na Turingu. Bola to tiež prvá spotrebiteľská grafická karta na svete s podporou sledovania lúčov na hardvérovej úrovni
RT-jadrá vypočítavajú farby pixelov pri prechode svetelného lúča z jedného bodu do druhého. Keď je k dispozícii veľké množstvo svetelných zdrojov, proces je zložitejší. Niekoľko procesov zahrnutých v sledovaní lúčov, ako napríklad Ray Casting, Path Tracing, BVH (Bounding Volume Hierarchy) a Denoising Filtering, z neho robí výpočtovo náročnú techniku. BVH je časovo najnáročnejšia časť výpočtov sledovania lúčov a jadrá RT urýchľujú prechod BVH na sledovanie lúča v reálnom čase. Okrem jadier RT je v GPU Nvidia ďalší súbor hardvéru, ktorý hrá úlohu pri poskytovaní sledovania lúčov v reálnom čase. Tensorové jadrá, navrhnuté pre akceleráciu umelej inteligencie, tiež pomáhajú pri odstraňovaní šumu v reálnom čase a urýchľujú vrhanie lúčov.
Grafické karty Nvidia s podporou sledovania lúčov
Karty Nvidia s RT Cores sú pre svetovo presláveného výrobcu grafických kariet veľkým skokom. Je to však hardvérové a predchádzajúce vydania grafických kariet takéto funkcie nemajú. Pretože sledovanie lúčov je pre zákazníkov veľmi príťažlivé, Nvidia sprístupnila túto funkciu aj starším grafickým kartám. Pretože staršie architektúry neobsahujú RT Cores vo svojich návrhoch, Nvidia umožnila vykresľovanie sledovania lúčov pomocou ovládačov pripravených na hru.
Grafické karty Nvidia s hardvérovým sledovaním lúčov
Prvá generácia jadier RT bola predstavená v sérii Nvidia RTX 20. RTX 2080 bol prvým zo série RTX 20, ktorý predviedol Turingovu architektúru. Potom nasledovali RTX 2080 Ti, RTX 2070 a RTX 2060. V rade je aj Titan RTX.
V septembri 2020 predstavila spoločnosť Nvidia Turingovho nástupcu Ampere, ktorý obsahuje druhú generáciu jadier RT. Ampere ponúka obrovské vylepšenia frekvencií RT-jadier a tenzorových jadier, ktoré zvyšujú frekvenciu RT-Core na 58 RT-TFLOPS, 1,7-krát vyšších ako v prípade Turingovho, čo poskytuje oveľa rýchlejšie vykresľovanie sledovania lúčov a zvyšuje kvalitu obrazu. Rovnako tak Ampere má viac ako dvojnásobok rýchlosti Tensorových jadier oproti Turingu s 238 Tensor-TFLOPS. Ampere je jadrom druhej generácie GPU RTX; séria RTX 30 obsahuje Titan triedy RTX 3090, RTX 3080, RTX 3070 a najnovšie vydaný RTX 3060.
Grafické karty Nvidia so softvérovým sledovaním lúčov na úrovni softvéru
Nvidia urobila ďalší prielom tým, že umožnila sledovanie lúčov na vybraných grafických kartách bez vyhradených jadier RT. Je to dobrá správa pre hráčov používajúcich staršie modely, ktorí zatiaľ neuvažujú o aktualizácii grafických kariet, ale chcú zažiť vizuálne výhody techniky sledovania lúčov. Grafické karty GeForce GTX 1060 6 GB a vyššie si teraz môžu užiť možnosti sledovania lúčov prostredníctvom DirectX Raytracing (DXR). Nasleduje zoznam kariet Nvidia, ktoré umožňujú sledovanie lúča prostredníctvom DXR:
- GeForce GTX 1660 Ti
- GeForce GTX 1660
- Nvidia Titan Xp (2017)
- Nvidia Titan X (2016)
- GeForce GTX 1080 Ti
- GeForce GTX 1080
- GeForce GTX 1070 Ti
- GeForce GTX 1070
- GeForce GTX 1060 6 GB
Vzhľadom na nedostatok špecializovaného hardvéru na sledovanie lúčov môžu karty GTX ponúkať iba základné efekty sledovania lúčov. Jadrá shadera zvládajú výpočty sledovania lúčov a toto dodatočné pracovné zaťaženie jadier shadera ovplyvní výkon GPU. Napriek tomu, s možnosťami sledovania lúčov, môžu hráči zažiť atraktívnejší vizuálny zážitok.
Budúcnosť sledovania lúčov v Nvidii
Výkon Ampere je už viac ako uspokojivý po zdvojnásobení rýchlosti spracovania Turinga. Napriek tomu, že je ešte stále čerstvý z rúry, už sa hovorí o jeho nástupcovi Lovelace. V tejto novej architektúre GPU môžeme očakávať nový vývoj vo výpočtoch sledovania lúčov. Rovnako sa očakáva, že sa už pracuje na novej generácii grafických kariet RTX. Budúcnosť sledovania lúčov vyzerá svetle, pretože Nvidia pokračuje vo vývoji architektúr GPU, ktoré by uspokojili hlad spotrebiteľa po lepšom hernom zážitku.