Αν έχετε ρίξει έστω και την παραμικρή ματιά στις ειδήσεις παιχνιδιών και γραφικών τελευταία, τότε έχετε ακούσει την πιο πρόσφατη και σπουδαιότερη λέξη: ray tracing. Μπορεί επίσης να έχετε ακούσει μια παρόμοια λέξη που ακούγεται που ονομάζεται ανίχνευση διαδρομής. Και θα μπορούσατε να σας συγχωρέσουν εντελώς που δεν καταλαβαίνετε πλήρως ποια είναι η μία από τις δύο διαδικασίες.

Μια απλή εξήγηση είναι ότι τόσο η ανίχνευση διαδρομής όσο και η ανίχνευση ακτίνων είναι γραφικές τεχνικές που έχουν ως αποτέλεσμα πιο ρεαλιστικές εικόνες με κόστος πολύ μεγαλύτερης υπολογιστικής ισχύος. Υπάρχει ένα βίντεο του Minecraft στο YouTube που δείχνει τις ιδιαίτερες πτυχές της ανίχνευσης ακτίνων με σαφή τρόπο, αλλά επίσης δείχνει την πίεση που ασκεί σε ένα σύστημα.

Αν αυτή είναι η μόνη εξήγηση που χρειάζεστε, τέλεια! Αλλά αν θέλετε να σκάψετε βαθιά και να μάθετε πώς λειτουργεί κάθε τεχνική και γιατί οι εταιρείες υλικού GPU χρεώνουν μια μικρή περιουσία για κάρτες με δυνατότητα ανίχνευσης ακτίνων, διαβάστε παρακάτω.

Ραστεροποίηση και Γραφικά Υπολογιστών

Οποιαδήποτε εικόνα βλέπετε να εμφανίζεται σε οθόνη υπολογιστή δεν ξεκίνησε ως αυτή η εικόνα. Ξεκινά είτε ως ράστερ είτε ως διανυσματική εικόνα. Μια εικόνα ράστερ αποτελείται από μια συλλογή σκιασμένων pixel.

Μια διανυσματική εικόνα βασίζεται σε μαθηματικούς τύπους που σημαίνουν ότι η εικόνα μπορεί να αυξηθεί σε μέγεθος σχεδόν επ' αόριστον. Το μειονέκτημα των διανυσματικών εικόνων είναι ότι είναι δύσκολο να επιτευχθούν ακριβέστερες λεπτομέρειες. Οι διανυσματικές^(Vector) εικόνες χρησιμοποιούνται καλύτερα όταν χρειάζονται μόνο λίγα χρώματα.

Το κύριο πλεονέκτημα της ραστεροποίησης είναι η ταχύτητά του, ειδικά σε σύγκριση με τεχνικές όπως η ανίχνευση ακτίνων. Η GPU ή η μονάδα επεξεργασίας γραφικών, θα πει στο παιχνίδι να δημιουργήσει μια τρισδιάστατη εικόνα από μικρά σχήματα, συνήθως τρίγωνα. Αυτά τα τρίγωνα μετατρέπονται σε μεμονωμένα εικονοστοιχεία και στη συνέχεια τοποθετούνται μέσα από ένα σκίαστρο για να δημιουργήσουν την εικόνα που βλέπετε στην οθόνη.

Η ραστεροποίηση είναι η καλύτερη επιλογή για γραφικά βιντεοπαιχνιδιών για μεγάλο χρονικό διάστημα λόγω της ταχύτητας επεξεργασίας τους, αλλά καθώς η τρέχουσα τεχνολογία αρχίζει να έρχεται σε αντίθεση με τα όριά της, χρειάζονται πιο προηγμένες τεχνικές για να μπουν στο επόμενο επίπεδο. Εκεί μπαίνει το ray tracing.

Η ανίχνευση ακτίνων^(Ray) φαίνεται πολύ πιο ρεαλιστική από την ραστεροποίηση, όπως δείχνει η παρακάτω εικόνα. Κοιτάξτε τις αντανακλάσεις στο μπρίκι και το κουτάλι.

Τι είναι το Ray Tracing;

Σε επίπεδο επιφάνειας, η ανίχνευση ακτίνων είναι ένας γενικός όρος που σημαίνει τα πάντα, από μια ενιαία διασταύρωση φωτός και αντικειμένου έως πλήρη φωτορεαλισμό. Ωστόσο, στο πιο συνηθισμένο πλαίσιο που χρησιμοποιείται σήμερα, η ανίχνευση ακτίνων αναφέρεται σε μια τεχνική απόδοσης που ακολουθεί μια δέσμη φωτός (σε εικονοστοιχεία) από ένα σημείο ρύθμισης και προσομοιώνει πώς αντιδρά όταν συναντά αντικείμενα.

Αφιερώστε λίγο χρόνο και κοιτάξτε τον τοίχο του δωματίου στο οποίο βρίσκεστε. Υπάρχει πηγή φωτός στον τοίχο ή το φως αντανακλάται από τον τοίχο από άλλη πηγή; Τα γραφικά με ανίχνευση ακτίνων^(Ray) θα ξεκινούσαν από το μάτι σας και θα ακολουθούσαν την οπτική σας γραμμή στον τοίχο και στη συνέχεια θα ακολουθούσαν τη διαδρομή του φωτός από τον τοίχο πίσω στην πηγή φωτός.

Το παραπάνω διάγραμμα δείχνει πώς λειτουργεί αυτό. Ο λόγος για τα προσομοιωμένα "μάτια" (η κάμερα σε αυτό το διάγραμμα) είναι η μείωση του φορτίου στη GPU .

Γιατί; Λοιπόν, η ανίχνευση ακτίνων δεν είναι καινούργια. Στην πραγματικότητα υπάρχει εδώ και αρκετό καιρό. Η Pixar^(Pixar) χρησιμοποιεί τεχνικές ανίχνευσης ακτίνων για να δημιουργήσει πολλές από τις ταινίες της, αλλά τα γραφικά υψηλής πιστότητας καρέ-καρέ στις αναλύσεις που επιτυγχάνει η Pixar χρειάζονται χρόνο.^(Pixar)

Πολλή^{(A lot)} ώρα. Κάποια καρέ στο Monsters University χρειάστηκαν 29 ώρες το καθένα. Το Toy Story 3^{(Toy Story 3 )} χρειάστηκε κατά μέσο όρο 7 ώρες ανά καρέ, με ορισμένα καρέ να διαρκούν 39 ώρες σύμφωνα με μια ιστορία του 2010 από το Wired.^{(Wired. )}

Επειδή η ταινία απεικονίζει την αντανάκλαση του φωτός από κάθε επιφάνεια για να δημιουργήσει το γραφικό στυλ που όλοι γνώρισαν και αγαπούσαν, ο φόρτος εργασίας είναι σχεδόν αδιανόητος. Περιορίζοντας τις τεχνικές ανίχνευσης ακτίνων μόνο σε αυτό που μπορεί να δει το μάτι, τα παιχνίδια μπορούν να χρησιμοποιήσουν την τεχνική χωρίς να προκαλέσουν (κυριολεκτική) κατάρρευση του επεξεργαστή γραφικών σας.

Ρίξτε μια ματιά στην παρακάτω εικόνα.

Δεν είναι φωτογραφία, παρά το πόσο αληθινή φαίνεται. Είναι μια εικόνα που ιχνηλατείται με ακτίνες. Προσπαθήστε να φανταστείτε πόση δύναμη απαιτείται για να δημιουργήσετε μια εικόνα που μοιάζει με αυτή. Μια ακτίνα μπορεί να εντοπιστεί και να υποβληθεί σε επεξεργασία χωρίς πολύ κόπο, αλλά τι γίνεται όταν αυτή η ακτίνα αναπηδά από ένα αντικείμενο;

Μια μεμονωμένη ακτίνα μπορεί να μετατραπεί σε 10 ακτίνες, και αυτές οι 10 μπορούν να μετατραπούν σε 100, και ούτω καθεξής. Η αύξηση είναι εκθετική. Μετά από ένα σημείο, οι αναπηδήσεις και οι αντανακλάσεις πέρα ​​από την τριτοβάθμια και την τεταρτοταγή εμφανίζονται φθίνουσες αποδόσεις. Με άλλα λόγια, απαιτούν πολύ περισσότερη ισχύ για τον υπολογισμό και την εμφάνιση από ό,τι αξίζουν. Για χάρη της απόδοσης μιας εικόνας, κάπου πρέπει να τεθεί ένα όριο.  

Τώρα φανταστείτε να το κάνετε αυτό 30 έως 60 φορές το δευτερόλεπτο. Αυτή είναι η ποσότητα ισχύος που απαιτείται για τη χρήση τεχνικών ανίχνευσης ακτίνων σε παιχνίδια. Είναι σίγουρα εντυπωσιακό, σωστά;

Η δυνατότητα πρόσβασης καρτών γραφικών με δυνατότητα ανίχνευσης ακτίνων θα αυξάνεται όσο περνά ο καιρός και τελικά αυτή η τεχνική θα γίνει τόσο εύκολα διαθέσιμη όσο και τα τρισδιάστατα γραφικά. Προς το παρόν, ωστόσο, η ανίχνευση ακτίνων εξακολουθεί να θεωρείται η αιχμή των γραφικών υπολογιστών. Πώς λοιπόν μπαίνει στο παιχνίδι η ανίχνευση μονοπατιών;

Τι είναι η ανίχνευση διαδρομής;

Η ανίχνευση διαδρομής^(Path) είναι ένας τύπος ανίχνευσης ακτίνων. Εμπίπτει κάτω από αυτή την ομπρέλα, αλλά εκεί που η ιχνηλάτηση ακτίνων θεωρητικοποιήθηκε αρχικά το 1968, η ιχνηλάτηση μονοπατιών εμφανίστηκε στη σκηνή μέχρι το 1986 (και τα αποτελέσματα δεν ήταν τόσο δραματικά όσο τώρα.)

Θυμάστε την εκθετική αύξηση των ακτίνων που αναφέρθηκε προηγουμένως; Η ανίχνευση διαδρομής^(Path) παρέχει μια λύση σε αυτό. Όταν χρησιμοποιείται η ανίχνευση διαδρομής για απόδοση, οι ακτίνες παράγουν μόνο μία ακτίνα ανά αναπήδηση. Οι ακτίνες δεν ακολουθούν μια καθορισμένη γραμμή ανά αναπήδηση, αλλά μάλλον εκτοξεύονται σε τυχαία κατεύθυνση.

Στη συνέχεια, ο αλγόριθμος ανίχνευσης διαδρομής λαμβάνει μια τυχαία δειγματοληψία όλων των ακτίνων για να δημιουργήσει την τελική εικόνα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δειγματοληψία μιας ποικιλίας διαφορετικών τύπων φωτισμού, αλλά κυρίως του παγκόσμιου φωτισμού.

Ένα ενδιαφέρον πράγμα σχετικά με την ανίχνευση διαδρομής είναι ότι το εφέ μπορεί να εξομοιωθεί με τη χρήση shaders. Πρόσφατα εμφανίστηκε ένα patch shader για έναν εξομοιωτή Nintendo Switch που επέτρεπε στους παίκτες να μιμηθούν τον παγκόσμιο φωτισμό που έχει εντοπιστεί σε τίτλους όπως το The Legend of Zelda: Breath of the Wild^{(The Legend of Zelda: Breath of the Wild)} και το Super Mario Odyssey. Αν και τα εφέ φαίνονται ωραία, δεν είναι τόσο ολοκληρωμένα όσο η αληθινή ανίχνευση διαδρομής.

Η ανίχνευση διαδρομής^(Path) είναι μόνο μια μορφή ανίχνευσης ακτίνων. Ενώ χαιρετίστηκε ως ο καλύτερος τρόπος απόδοσης εικόνων, η ανίχνευση διαδρομής έχει τα δικά της ελαττώματα.

Αλλά τελικά, τόσο η ανίχνευση διαδρομής όσο και η ανίχνευση ακτίνων καταλήγουν σε απολύτως όμορφες εικόνες. Τώρα που το υλικό σε μηχανές καταναλωτικής ποιότητας έχει φτάσει σε σημείο που η ανίχνευση ακτίνων είναι δυνατή σε πραγματικό χρόνο στα βιντεοπαιχνίδια, η βιομηχανία είναι έτοιμη να κάνει μια σημαντική ανακάλυψη που είναι σχεδόν τόσο εντυπωσιακή όσο το βήμα από τα 2D στα 3D γραφικά.

Ωστόσο, θα χρειαστεί ακόμη αρκετός χρόνος - τουλάχιστον αρκετά χρόνια - έως ότου το απαραίτητο υλικό να θεωρηθεί "προσιτό". Μέχρι στιγμής, ακόμη και οι απαραίτητες κάρτες γραφικών κοστίζουν πολύ πάνω από 1.000 $.

What is Path Tracing and Ray Tracing? And Why do They Improve Graphics?

If you’ve taken even the slightest glance towards gaming and graphics news lately, then you’ve heard the latest and greatest buzzword: ray tracing. Υou might also have heard а similar-sounding word called path tracing. And you could be totally forgiven for not fully undеrstanding what either one of the proceѕses is.

A simple explanation is that both path tracing and ray tracing are graphical techniques that result in more realistic-looking images at the cost of significantly more computational power. There is a Minecraft video on YouTube that demonstrates the particular aspects of ray tracing in a clear way, but also illustrates the stress it puts on a system.

If that’s the only explanation you need, great! But if you want to dig deep and find out how each technique works and why GPU hardware companies are charging a small fortune for ray tracing-capable cards, read on.

Rasterization and Computer Graphics

Any image you see displayed on a computer screen did not start out as that image. It begins as either a raster or a vector image. A raster image is composed of a collection of shaded pixels.

A vector image is based on mathematical formulas that mean the image can be increased in size almost indefinitely. The downside of vector images is that more precise details are difficult to achieve. Vector images are best used when only a few colors are needed.

The main strength of rasterization is its speed, especially in comparison to techniques like ray tracing. Your GPU, or graphics processing unit, will tell the game to create a 3D image out of small shapes, most often triangles. These triangles are turned into individual pixels and then put through a shader to create the image you see on screen.

Rasterization has been the go-to option for video game graphics for a long time due to how quickly it can be processed, but as current technology begins to bump against its limits more advanced techniques are needed ot break through to the next level. That’s where ray tracing comes in.

Ray tracing looks far more realistic than rasterization, as the image below illustrates. Look at the reflections on the tea pot and the spoon.

What is Ray Tracing?

At the surface level, ray tracing is an umbrella term that means everything from a single intersection of light and object to complete photorealism. In the most common context used today, however, ray tracing refers to a rendering technique that follows a beam of light (in pixels) from a set point and simulates how it reacts when it encounters objects.

Take a moment and look at the wall of the room you’re in. Is there a light source on the wall, or is light reflected off the wall from another source? Ray traced graphics would start at your eye and follow your line of sight to the wall, and then follow the path of light from the wall back to the light source.

The diagram above illustrates how this works. The reason for the simulated “eyes” (the camera in this diagram) is to lessen the load on the GPU.

Why? Well, ray tracing isn’t brand-new. It’s actually been around for quite some time. Pixar uses ray tracing techniques to create many of its movies, but high-fidelity, frame-by-frame graphics at the resolutions Pixar achieves take time.

A lot of time. Some frames in Monsters University took a reported 29 hours each. Toy Story 3 took an average of 7 hours per frame, with some frames taking 39 hours according to a 2010 story from Wired.

Because the film illustrates the reflection of light from every surface to create the graphical style everyone has come to know and love, the work load is almost unimaginable. By limiting ray tracing techniques to only what the eye can see, games can utilize the technique without causing your graphics processor to have a (literal) meltdown.

Take a look at the image below.

That’s not a photograph, despite how real it looks. It’s a ray-traced image. Try to imagine how much power is required to create an image that looks like this. One ray can be traced and processed without much trouble, but what about when that ray bounces off an object?

A single ray can turn into 10 rays, and those 10 can turn into 100, and so on. The increase is exponential. After a point, bounces and reflections beyond tertiary and quaternary display diminishing returns. In other words, they require far more power to calculate and display than they are worth. For the sake of rendering an image, a limit has to be drawn somewhere.  

Now imagine doing that 30 to 60 times per second. That is the amount of power required to use ray tracing techniques in games. It’s certainly impressive, right?

The attainability of graphics cards capable of ray tracing will go up as time goes on, and eventually this technique will become as readily available as 3D graphics. For now, though, ray tracing is still considered the cutting-edge of computer graphics. So how does path tracing come into play?

What is Path Tracing?

Path tracing is a type of ray tracing. It falls under that umbrella, but where ray tracing was originally theorized in 1968, path tracing didn’t come onto the scene until 1986 (and the results were not as dramatic as those now.)

Remember the exponential increase in rays mentioned earlier? Path tracing provides a solution to that. When using path tracing for rendering, the rays only produce a single ray per bounce. The rays do not follow a set line per bounce, but rather shoot off in a random direction.

The path tracing algorithm then takes a random sampling of all of the rays to create the final image. This results in sampling a variety of different types of lighting, but especially global illumination.

An interesting thing about path tracing is that the effect can be emulated through the use of shaders. A shader patch appeared recently for a Nintendo Switch emulator that allowed players to emulate path traced global illumination in titles like The Legend of Zelda: Breath of the Wild and Super Mario Odyssey. While the effects look nice, they aren’t as complete as true path tracing.

Path tracing is just one form of ray tracing. While it was hailed as the best way to render images, path tracing comes with its own flaws.

But in the end, both path tracing and ray tracing result in absolutely beautiful images. Now that the hardware in consumer-grade machines has reached a point that ray tracing is possible in real-time in video games, the industry stands poised to make a breakthrough that’s almost as impressive as the step from 2D to 3D graphics.

However, it will still be some time—several years at least—before the necessary hardware will be considered “affordable.” As of now, even the necessary graphics cards cost well over $1,000.

Related posts

• Πώς να αναστρέψετε το κείμενο σε μια διαδρομή στο Illustrator

• 3 τρόποι για να τραβήξετε μια φωτογραφία ή ένα βίντεο σε ένα Chromebook

• Πώς να εντοπίσετε λογισμικό παρακολούθησης ή κατασκοπείας υπολογιστή και email

• Τεχνολογία επίπεδων οθονών απομυθοποιημένη: TN, IPS, VA, OLED και άλλα

• Πώς να ενεργοποιήσετε ή να απενεργοποιήσετε το Caps Lock στο Chromebook

• Δεν μπορείτε να προγραμματίσετε ένα Uber εκ των προτέρων; Δείτε τι πρέπει να κάνετε

• Πώς να δημιουργήσετε ένα διαφανές φόντο στο GIMP

• Το Discord δεν ανοίγει; 9 τρόποι για να διορθώσετε

• Πώς να χωρίσετε την οθόνη σε ένα Chromebook

• Πώς να εισαγάγετε Emoji στο Word, στα Έγγραφα Google και στο Outlook

• Πώς να χρησιμοποιήσετε το VLOOKUP στα Φύλλα Google

• Τι σημαίνουν BCC και CC; Κατανόηση της βασικής γλώσσας ηλεκτρονικού ταχυδρομείου

• Πώς να κατεβάσετε τα βίντεο Twitch

• Πώς να μεταδώσετε στην τηλεόραση Roku από υπολογιστή ή κινητό

• 8 τρόποι για να αυξήσετε το κοινό της σελίδας σας στο Facebook

• Τι είναι η αξιολόγηση επιβατών της Uber και πώς να την ελέγξετε

• Πώς να βρείτε αναμνήσεις στο Facebook

• 7 γρήγορες επιδιορθώσεις όταν το Minecraft συνεχίζει να καταρρέει

• Πώς να διορθώσετε ένα σφάλμα "Συναλλαγής σε εκκρεμότητα" του Steam

• Πώς να αλλάξετε τη γλώσσα στο Netflix