Что такое трассировка лучей в играх? Все, что вам нужно знать о большом графическом скачке

Не так давно 4A Games, создатель удивительно реалистичных игр Metro, выпустила видеоролик с использованием технологии RTX от Nvidia на примере METRO: EXODUS. Это графическое нововведение является большим и уверенным шагом вперед в вопросах трассировки лучей. Но что это все это значит?

За завесой тайны

Начнем с самого начала. Во-первых, рендеринг-трассировка лучей – это один из базовых видов визуализации, который применяется в фильмах и разных видах дизайна: от промышленности до архитектуры. То есть то, что вы видите на сайтах в качестве фотографий техники – это именно 3d рендер.

Суть технологии сводится к тому, что компьютер моделирует физическое поведение света путем расчета траектории условно отдельных фотонов света, то есть если луч падает на какой-то объект, то он либо в нем преломляется, либо от него отражается под тем или иным углом. В итоге получается некая трасса этого луча света, отсюда и название «трассировка луча».

Это компьютерное изображение, созданное Enrico Cerica с использованием OctaneRender, показывает лучи, тени и отражения на сложной поверхности пола

Проблема только в том, что лучей необходимо очень много и для каждого из них нужно многократно рассчитывать каждое соударение луча с препятствиями. Это, по сути, несложная математическая задача. Вначале нужно посчитать, в каком месте луч ударяется об уже имеющийся объект, то есть посчитать коллизию, далее на основе заданных свойств надо произвести дальнейшие математические преобразования.

Упрощенная схема трассировки лучей

Например, имеется матовая поверхность с определенной заданной условной шероховатостью, но при этом не абсолютно шероховатая, и от нее луч с определенной вероятностью отклоняется на некоторый угол, отличный от угла падения. Надо учитывать, что если объект имеет свойство бесконечно гладкого, то угол падения равен углу отражения. Если же свойства поверхности говорят о матовости, то математически это реализуется отклонением угла отражения от угла падения.

В жизни это так и есть, поверхность почти всегда не абсолютно гладкая. Поэтому, когда свет попадает в ту или иную точку, он отражается относительно места поверхности, которое может быть так или иначе повернуто относительно плоскости, кажущейся нам ровной, а соседний луч отражается уже в совершенно другую сторону. Таким образом, становится совершенно ясно, что нет никакого смысла делать модели объектов сверх полигональными, поэтому неровности задаются свойствами поверхности. Результат при этом аналогичен реальному рассеиванию света от матовых поверхностей.

Сейчас в играх используют объект, который выглядит обмазанным чем-то вроде глазури. Несомненно, все встречали в играх странные стены и полы, выглядящие так, будто измазаны какой-то слизью. Так вот, с трассировкой лучей так делать не надо – поверхности могут рассеивать свет совершенно естественно. Это отлично показано в деморолике, здесь расположен ряд площадок от максимально зеркальных до максимально матовых.

Особенно заметно, что в матовых площадках отражение сильно зависит от близости объекта к поверхности. То есть, чем объект дальше от поверхности, тем он сильнее становится размытым. Это важное свойство, которое в жизни мы даже не замечаем, хотя оно есть.

Но самое важное – это тени. Нет ничего более некачественного, чем тени в любых играх.

Это, как правило, просто проекции объектов, имеющие резкие неестественные края. Однако есть более качественные, по игровым меркам, тени. Это мягкие варианты с линией перехода, то есть тень и полутень.

Чтобы создать мягкие тени или диффузные отражения (например, те, которые вы видите в матовом металле, например), необходимы более совершенные методы трассировки лучей

Проблема только в том, что в жизни это так не работает. Если источник света не точечный и не бесконечно удаленный, то величина полутени зависит от соотношения удаления источника света от объекта и удаления объекта от его тени. То есть окантовка полутени в разных ее местах может быть шире или уже, особенно когда речь идет о крупных источниках света.

Например, свет от окна в пасмурную погоду дает настолько мягкие тени, что если в двух метрах от этого окна поставить объект размером существенно меньше, то на его основании можно увидеть четкую тень и полутень, а от верхней части объекта тени может и вовсе не быть, а полутень не будет иметь четких границ. В играх с традиционной растеризацией такого не встречается.

Трассировка лучей – дело несложное, но лучей очень много, и, к сожалению, на текущий момент сделать все в режиме реального времени не получается. Дело в том, что в жизни лучи расходятся в совершенно разных направлениях. Идеально было бы, чтобы падающий луч разделялся на бесконечное количество лучей, суммарная яркость которых была бы зависима от свойства отражающего объекта и начальной яркости падающего луча.

Для уменьшения нагрузки можно ограничивать число лучей, число соударений, но эти ограничения приводят к тому, что на картинке получаются куцые куски тени и неестественно яркие пятна от источников света. То есть, недостаточный объем данных приводит к появлению шума, и вся сложность состоит в том, что нельзя один раз просчитать сцену и дальше менять в ней только то, что изменяется от кадра к кадру, так как любой движущийся объект изменяет все маршруты всех лучей. От каждого движения камеры и объектов нужно “пересобирать” всю сцену заново, поэтому фильмы и создаются рендер-фермами и многочисленными серверами, которые непрерывно, по несколько месяцев, рендерят графику. Но, к сожалению, в реальном времени в играх такое сделать пока невозможно.

Поэтому встает вопрос, как же Nvidia и партнеры выкрутились из данной ситуации: чем они пожертвовали, чтобы добиться трассировки в реальном времени?

Две половинки одного целого

Если внимательно проследить, как поэтапно рендерится картинка, то можно увидеть, что где-то после пятой интеграции сами тени и свет уже  едва заметно меняются. Становится понятно, где, что и как будет выглядеть в финальном виде. Для этого в принципе и нужен в софте real-time, чтобы можно было покрутить источники света, понять где будут какие-то блики и затем запустить финальную отрисовку. Остается узнать, как по мутной картинке можно понять финальный кадр. На самом деле компьютер сначала моделирует исходную зашумленную картинку, затем анализирует ее и на основе полученных данных рисует уже другую – итоговую. Как показала практика, такой подход проще в плане ресурсных затрат.

По сути, прогрессивный скачок в развитии трассировки в реальном времени – это создание алгоритмов, позволяющих оценить картинку по зашумленному состоянию и дорисовать его до нормального. Это и есть ключевое новшество. Все остальное широко использовалось и раньше. Для многих визуализаторов есть плагины для GPU отрисовки и OpenGL, поддерживаемые любой видеокартой, совместимой с OpenGL.

Сегодня утверждается, что подобная техника убирания шумов работает только на тендерных ядрах в будущих картах от Nvidia. Но на самом деле эту технологию массово показали только сейчас, а появилась она, судя по всему, в прошлом году, так как в октябре, на одном из мероприятий, Unity показала эту самую технологию по удалению шума в трассировке в реальном времени.

Хитрость в том, что далеко не все объекты участвуют в трассировке лучей так, как должны. В связи с этим затронем тему глобального освещения – самый ресурсозатратный механизм трассировки. В жизни любой предмет, на который падает свет, отражает часть этого света. Например, если направить источник света на зеленую стену, то все освещение станет зеленым, потому что зеленая стена плохо поглощает свет.

Отражение лучей света от поверхности

В деморолике такого эффекта не было. Вместо светоотражения и изменения световой картины кадра в зависимости от источника света, все пространство заполнили яркими картинками, от чего свет и кажется динамичным. На самом же деле разработчики не применяли трассировку лучей на такие детали как дымка и языки пламени.

Дело в том, что лучи света нужно просчитывать независимо от того, попадут они на объекты или нет. То есть, добавление большого количества источников света – это довольно сложная задача для расчетов трассировки. Кроме того, еще ни в одном техно-демо не встречаются объекты, которые имитировали бы прозрачные предметы.

Когда мы увидим выгоду?

Исходя из описанных выше критериев (мутность картинки и трассировка не всех объектов),  можно сказать, что графика в играх еще не может выглядеть так детально и реалистично, как в кино.

Однако, прогресс несомненно есть. Во-первых, отражения теперь делать проще, не нужно создавать карты тени и света – все это решается трассировкой. Во-вторых, появилось хоть какое-то подобие рассеянных отражений. В-третьих, освещение и тени объектов значительно улучшились. Все вместе позволяет утверждать, что это можно считать ключевой технологией в играх, которая не сдаст своих позиций в ближайшие десять лет.

Текст: Алексей Харитонов, QA, Bytex