Was ist Path Tracing und Ray Tracing? Und warum verbessern sie Grafiken?

Wenn Sie auch nur den kleinsten Blick darauf geworfen haben in letzter Zeit in Richtung Spiele- und Grafiknachrichten, dann haben Sie die neuesten und neuesten Nachrichten gehört größtes Schlagwort: Raytracing. Möglicherweise haben Sie auch ein ähnliches Geräusch gehört Wort namens Pfadverfolgung. Und Ihnen könnte völlig verziehen werden, wenn Sie nicht vollständig sind Verstehen, was einer der Prozesse ist.

Eine einfache Erklärung ist, dass beide Wege Tracing und Raytracing sind grafische Techniken, die ein realistischeres Aussehen ermöglichen Bilder auf Kosten von deutlich mehr Rechenleistung. Da ist ein Minecraft-Video auf YouTube, das die besonderen Aspekte von Ray demonstriert Verfolgung auf eine klare Art und Weise, zeigt aber auch die Belastung für ein System.

Wenn dies die einzige Erklärung ist, die Sie brauchen, großartig! Aber wenn Sie tief graben und herausfinden möchten, wie jede Technik funktioniert und warum GPU-Hardware-Unternehmen ein kleines Vermögen für Ray-Tracing-fähige berechnen Karten, lesen Sie weiter.

Rasterisierung und Computergrafik

Jedes Bild, das Sie auf einem Computerbildschirm sehen, wurde nicht als dieses Bild gestartet. Es beginnt entweder als Raster oder als Vektorbild. Ein Rasterbild besteht aus einer Sammlung schattierter Pixel.

Ein Vektorbild basiert auf mathematischen Formeln, die bedeuten, dass das Bild nahezu unbegrenzt vergrößert werden kann. Der Nachteil von Vektorbildern ist, dass genauere Details schwer zu erreichen sind. Vektorbilder werden am besten verwendet, wenn nur wenige Farben benötigt werden.

Die Hauptstärke der Rasterung ist ihre Geschwindigkeit, insbesondere im Vergleich zu Techniken wie Ray Tracing. Ihre GPU oder Grafikprozessor, wird das Spiel anweisen, ein 3D-Bild aus kleinen zu erstellen Formen, meist Dreiecke. Diese Dreiecke werden in einzelne Pixel umgewandelt und durchlaufen Sie dann einen Shader, um das auf dem Bildschirm angezeigte Bild zu erstellen.

Rasterisierung war die erste Option für Videospielgrafiken lassen sich aufgrund der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit aber schon lange nicht mehr verarbeiten Die derzeitige Technologie stößt immer weiter an ihre Grenzen Techniken sind nötig, um ins nächste Level vorzudringen. Hier ist ray Rückverfolgung kommt herein.

Raytracing sieht viel realistischer aus als Rasterung, wie das Bild unten zeigt. Schauen Sie sich die Reflexionen auf der Teekanne und der Löffel.

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Was ist Raytracing?

Auf Oberflächenebene ist Ray Tracing eine Überbegriff, der alles aus einer einzigen Kreuzung von Licht und Objekt zu Fotorealismus abzuschließen. In dem heute gebräuchlichsten Kontext Raytracing bezieht sich jedoch auf eine Rendering-Technik, die einem Strahl von folgt Licht (in Pixel) von einem Sollwert und simuliert, wie es reagiert, wenn es begegnet Objekten.

Nehmen Sie sich einen Moment Zeit und schauen Sie auf die Wand des Raum, in dem Sie sich befinden. Befindet sich eine Lichtquelle an der Wand oder wird Licht reflektiert? die Mauer aus einer anderen Quelle? Ray verfolgt Grafiken würde an Ihrem Auge beginnen und Folge deiner Sichtlinie zur Wand und folge dann dem Pfad des Lichts von die Wand zurück zur Lichtquelle.

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Das obige Diagramm zeigt, wie das geht funktioniert. Der Grund für die simulierten "Augen" (die Kamera in diesem Diagramm) soll die GPU entlasten.

Warum? Ray Tracing ist nicht ganz neu. Eigentlich gibt es das schon eine ganze Weile. Pixar verwendet Ray-Tracing-Techniken, um viele seiner Filme zu erstellen. Bei den von Pixar erzielten Auflösungen sind jedoch hochauflösende Grafiken Bild für Bild zeitaufwendig.

Viel von Zeit. Einige Bilder in Monster Universität dauerte jeweils 29 Stunden. Toy Story 3 dauerte durchschnittlich 7 Stunden pro Bild, wobei einige Bilder laut einer Geschichte von 2010 39 Stunden brauchten Verdrahtet.

Weil der Film die Reflexion illustriert von Licht von jeder Oberfläche, um den grafischen Stil zu kreieren, zu dem jeder gekommen ist Wissen und lieben, die Arbeitsbelastung ist fast unvorstellbar. Durch die Begrenzung der Raytracing Techniken nur, was das Auge sehen kann, können Spiele die Technik nutzen ohne dass Ihr Grafikprozessor zu einem (wörtlichen) Zusammenbruch kommt.

Schauen Sie sich das Bild unten an.

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Das ist kein Foto, obwohl es echt aussieht. Es ist ein Raytracing-Bild. Versuchen Sie sich vorzustellen, wie viel Energie erforderlich ist, um ein Bild zu erstellen, das so aussieht. Ein Strahl kann ohne viel Mühe verfolgt und verarbeitet werden, aber was ist, wenn dieser Strahl von einem Objekt abprallt?

Ein einzelner Strahl kann in 10 Strahlen umgewandelt werden, und diese 10 können in 100 umgewandelt werden, und so weiter. Der Anstieg ist exponentiell. Nach einem Punkt zeigen Bounces und Reflexionen jenseits des Tertiären und Quartären eine abnehmende Rendite. Mit anderen Worten, sie benötigen viel mehr Energie zum Berechnen und Anzeigen, als sie wert sind. Um ein Bild rendern zu können, muss irgendwo eine Grenze gezogen werden.

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Ray Tracing Beispiel

Stellen Sie sich nun vor, Sie würden das 30- bis 60-mal machen zweite. Dies ist die Energiemenge, die für die Verwendung von Raytracing-Techniken erforderlich ist Spiele. Es ist auf jeden Fall beeindruckend, oder?

Die Erreichbarkeit von Grafikkarten fähig der Strahlverfolgung wird im Laufe der Zeit steigen, und schließlich wird diese Technik werden so schnell verfügbar wie 3D-Grafiken. Im Moment ist Ray Tracing jedoch gilt immer noch als der neueste Stand der Computergrafik. Wie funktioniert der Pfad? Rückverfolgung ins Spiel kommen?

Was ist die Pfadverfolgung?

Die Pfadverfolgung ist eine Art der Strahlverfolgung. Es fällt unter diesen Dach, aber wo Ray Tracing ursprünglich theoretisiert wurde 1968 kam die Spurensuche erst 1986 auf den Plan (und die Ergebnisse waren nicht so dramatisch wie jetzt.)

Denken Sie an die exponentielle Zunahme der Strahlen zuvor erwähnt? Die Pfadverfolgung bietet eine Lösung dafür. Wenn Pfad verwendet wird Beim Rendern erzeugen die Strahlen nur einen einzigen Strahl pro Bounce. Die Strahlen Folgen Sie nicht einer festgelegten Linie pro Sprung, sondern schießen Sie nach dem Zufallsprinzip ab Richtung.

Der Pfadverfolgungsalgorithmus nimmt dann a zufällige Abtastung aller Strahlen, um das endgültige Bild zu erstellen. Dies führt zu einer Probenahme eine Vielzahl von unterschiedlichen Beleuchtungsarten, insbesondere aber globale Beleuchtung.

Eine interessante Sache bei der Pfadverfolgung ist dass der Effekt durch den Einsatz von Shadern nachgebildet werden kann. Ein Shader-Patch erschien vor kurzem für einen Nintendo Switch-Emulator, der es den Spielern ermöglichte emulieren pfadverfolgte globale Beleuchtung in Titeln wie Die Legende von Zelda: Atem der Wildnis und Super Mario Odyssey. Die Effekte sehen zwar gut aus, sind aber nicht so vollständig als echte Pfadverfolgung.

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Pfadverfolgung ist nur eine Form von Strahl Verfolgung. Während es als der beste Weg, um Bilder zu rendern, gefeiert wurde, Pfadverfolgung kommt mit seinen eigenen Mängeln.

Letztendlich ergeben sowohl die Pfadverfolgung als auch die Strahlverfolgung absolut schöne Bilder. Nachdem die Hardware von Geräten für den Endverbraucher einen Punkt erreicht hat, an dem Raytracing in Echtzeit in Videospielen möglich ist, steht die Branche vor dem Durchbruch, der fast so beeindruckend ist wie der Schritt von 2D- zu 3D-Grafiken.

Es wird jedoch noch einige Zeit dauern - mindestens einige Jahre -, bis die erforderliche Hardware als „erschwinglich“ eingestuft wird. Ab sofort kosten sogar die erforderlichen Grafikkarten weit über 1.000 US-Dollar.

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