Ray tracing to technologia renderowania grafiki w grach, która symuluje zachowanie światła w rzeczywistym świecie poprzez śledzenie ścieżki promieni świetlnych. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod renderowania, ray tracing oblicza, jak promienie światła odbijają się od powierzchni, załamują przez materiały przezroczyste i tworzą cienie, co zapewnia znacznie bardziej realistyczny wygląd gry. Technologia ta zapewnia naturalne odbicia, miękkie cienie i globalne oświetlenie, które wcześniej były osiągalne tylko w prerenederowanych animacjach.
Czym jest technologia ray tracing i jak zmienia grafikę w grach?
Ray tracing to metoda renderowania grafiki, która symuluje fizyczne zachowanie światła poprzez śledzenie ścieżki promieni świetlnych w wirtualnym środowisku. Zamiast stosować uproszczenia tradycyjnych technik renderowania, ray tracing oblicza, jak promienie światła wchodzą w interakcję z obiektami w grze, uwzględniając odbicia, załamania i rozproszenia.
W tradycyjnym renderowaniu, nazywanym rasteryzacją, gry używają wielu sztuczek i przybliżeń do symulowania efektów świetlnych. Na przykład, odbicia są często tworzone za pomocą wcześniej wyrenderowanych tekstur (tzw. cubemapów), a cienie są generowane przy użyciu map cieni, które nie zawsze dokładnie odzwierciedlają kształt obiektów.
Ray tracing natomiast radykalnie zmienia sposób, w jaki światło działa w grach, zapewniając:
- Realistyczne odbicia, które dynamicznie zmieniają się wraz z ruchem kamery i obiektów
- Fizycznie poprawne cienie z miękkimi krawędziami
- Naturalne przenikanie światła przez półprzezroczyste materiały
- Globalne oświetlenie, gdzie światło odbija się od powierzchni i wpływa na oświetlenie innych obiektów
Różnica jest szczególnie widoczna w scenach z wieloma źródłami światła, lustrzanymi powierzchniami czy wodą. Gry z ray tracingiem oferują znacznie bardziej fotorealistyczny wygląd, zbliżony do filmów CGI, które od lat korzystają z tej technologii (ale w prerenederowanej formie).
Jak ray tracing symuluje realistyczne światło i cienie w grach?
Ray tracing symuluje realistyczne światło i cienie w grach poprzez algorytmiczne śledzenie ścieżki promieni świetlnych od źródła (lub od kamery w kierunku źródła) i obliczanie ich interakcji z obiektami w scenie. Proces ten uwzględnia prawa fizyki dotyczące rozchodzenia się światła, dzięki czemu efekty wizualne są znacznie bardziej realistyczne niż w tradycyjnych metodach renderowania.
Podstawowy proces ray tracingu w grach wygląda następująco:
- Emisja promieni – algorytm wysyła wirtualne promienie światła ze źródeł światła lub (częściej dla efektywności) od kamery w kierunku sceny
- Detekcja przecięć – system wykrywa, gdzie promienie przecinają się z obiektami w wirtualnym świecie
- Obliczanie odbić i załamań – dla każdego przecięcia, promień może się odbić, załamać lub zostać częściowo pochłonięty, w zależności od właściwości materiału
- Rekurencja – promienie wtórne (odbite lub załamane) są dalej śledzone, tworząc drzewo promieni
- Akumulacja wyników – informacje ze wszystkich promieni są zbierane, aby określić końcowy kolor piksela
W praktyce pełny ray tracing byłby zbyt obliczeniowo kosztowny dla gier w czasie rzeczywistym, dlatego współczesne implementacje stosują szereg optymalizacji:
- Hybrydowe renderowanie – łączenie tradycyjnej rasteryzacji z ray tracingiem dla wybranych efektów
- Denoising – techniki redukcji szumu, pozwalające uzyskać dobre rezultaty przy mniejszej liczbie promieni
- Ray tracing BVH (Bounding Volume Hierarchy) – struktury danych przyspieszające obliczenia przecięć promieni z obiektami
- Temporal accumulation – wykorzystanie informacji z poprzednich klatek do poprawy jakości bieżącej klatki
Dzięki tym technikom gry mogą selektywnie stosować ray tracing do najbardziej widocznych efektów, takich jak odbicia, cienie, okluzja otoczenia (ambient occlusion) czy globalne oświetlenie.
Jakie karty graficzne obsługują ray tracing?
Ray tracing w grach jest obsługiwany głównie przez karty graficzne z dedykowanymi rdzeniami do obliczeń związanych ze śledzeniem promieni. Obecnie dwaj główni producenci – NVIDIA i AMD – oferują układy graficzne z obsługą ray tracingu, choć ich implementacje i wydajność różnią się między sobą.
Karty graficzne NVIDIA RTX:
- Seria RTX 3000 (Ampere): RTX 3050, 3060, 3060 Ti, 3070, 3070 Ti, 3080, 3080 Ti, 3090, 3090 Ti
- Seria RTX 4000 (Ada Lovelace): RTX 4060, 4060 Ti, 4070, 4070 Ti, 4080, 4090
- Seria RTX 2000 (Turing): RTX 2060, 2060 SUPER, 2070, 2070 SUPER, 2080, 2080 SUPER, 2080 Ti
Karty NVIDIA wykorzystują dedykowane rdzenie RT (Ray Tracing) oraz rdzenie Tensor, które odpowiadają za obliczenia ray tracingu i wspomagają je poprzez AI denoising.
Karty graficzne AMD Radeon RX:
- Seria RX 6000 (RDNA 2): RX 6400, 6500 XT, 6600, 6600 XT, 6650 XT, 6700 XT, 6750 XT, 6800, 6800 XT, 6900 XT, 6950 XT
- Seria RX 7000 (RDNA 3): RX 7600, 7700 XT, 7800 XT, 7900 XT, 7900 XTX
AMD wykorzystuje Ray Accelerators (akceleratory promieni) zintegrowane w swoich jednostkach obliczeniowych.
Karty Intel Arc z architekturą Alchemist (A380, A580, A750, A770) również obsługują ray tracing poprzez tak zwane jednostki Xe-Cores z Ray Tracing Units.
Warto podkreślić, że efektywność ray tracingu zależy nie tylko od samej obecności dedykowanych rdzeni, ale także od ich liczby i wydajności. Karty z wyższych segmentów cenowych zazwyczaj oferują znacznie lepszą wydajność w ray tracingu niż modele podstawowe.
Jak ray tracing wpływa na wydajność gier?
Ray tracing znacząco wpływa na wydajność gier, zazwyczaj powodując spadek liczby klatek na sekundę (FPS) o 30-50% w porównaniu z tradycyjnym renderowaniem bez tej technologii. Jest to spowodowane ogromną złożonością obliczeniową śledzenia promieni światła w czasie rzeczywistym, nawet przy wykorzystaniu dedykowanych rdzeni RT.
Wpływ ray tracingu na wydajność zależy od kilku czynników:
- Liczba i typ efektów ray tracingu włączonych w grze (odbicia, cienie, globalne oświetlenie)
- Rozdzielczość renderowania
- Złożoność sceny (liczba obiektów, źródeł światła)
- Model i generacja karty graficznej
Aby złagodzić wpływ ray tracingu na wydajność, producenci kart graficznych wprowadzili technologie skalowania obrazu wspomagane przez sztuczną inteligencję:
NVIDIA DLSS (Deep Learning Super Sampling) – wykorzystuje sztuczną inteligencję do renderowania gry w niższej rozdzielczości, a następnie inteligentnego powiększania obrazu do docelowej rozdzielczości. DLSS 3 dodatkowo wprowadza generowanie klatek przez AI, co znacząco zwiększa licznik FPS.
AMD FSR (FidelityFX Super Resolution) – alternatywna technologia skalowania, działająca na szerszym spektrum kart graficznych, również wykorzystująca zaawansowane algorytmy do poprawy jakości obrazu renderowanego w niższej rozdzielczości.
Intel XeSS – podobna technologia dla kart graficznych Intel Arc.
Dzięki tym technologiom gracze mogą cieszyć się ray tracingiem przy zachowaniu akceptowalnej liczby klatek na sekundę. Na przykład, wykorzystanie DLSS w trybie Wydajność może zwiększyć liczbę FPS o 70-100%, rekompensując z nawiązką spadek wydajności spowodowany włączeniem ray tracingu.
W jakich grach ray tracing wygląda najlepiej?
Ray tracing prezentuje się najlepiej w grach, które zostały zaprojektowane z myślą o tej technologii lub otrzymały kompleksowe aktualizacje implementujące różne aspekty śledzenia promieni. Oto produkcje, w których efekty ray tracingu robią największe wrażenie:
Cyberpunk 2077 – prawdopodobnie najbardziej zaawansowana implementacja ray tracingu w grach. Wykorzystuje ray tracing do odbić, cieni, globalnego oświetlenia i okluzji otoczenia. Nocne miasto Night City z neonami, mokrymi ulicami i szklanymi wieżowcami to idealne środowisko do prezentacji możliwości tej technologii.
Minecraft z RTX – pozornie prosta graficznie gra stała się pokazem mocy ray tracingu. Globalne oświetlenie, kolorowe cienie rzucane przez półprzezroczyste bloki i realistyczne odbicia w wodzie całkowicie zmieniają wygląd gry.
Metro Exodus Enhanced Edition – specjalna wersja gry wykorzystująca wyłącznie ray tracing do oświetlenia (bez tradycyjnych map światła). Oferuje imponujące efekty w zakresie globalnego oświetlenia, szczególnie w zamkniętych przestrzeniach z dynamicznym oświetleniem.
Control – gra Remedy Entertainment wykorzystuje ray tracing do tworzenia fotorealistycznych odbić na licznych powierzchniach szklanych i marmurowych w budynku Najstarszego Domu. Efekt jest szczególnie widoczny w obszarach z wodą i lustrami.
Inne gry z imponującym ray tracingiem to:
- Dying Light 2 – realistyczne odbicia i globalne oświetlenie
- Spider-Man Remastered – odbicia na mokrych ulicach i szklanych fasadach drapaczy chmur
- Forza Horizon 5 – fotorealistyczne odbicia na karoseriach samochodów
- Portal RTX – remasterowana wersja klasycznej gry z kompleksowym ray tracingiem
- Alan Wake 2 – zaawansowane efekty świetlne w mrocznym, atmosferycznym środowisku
Różnica między włączonym a wyłączonym ray tracingiem jest najbardziej widoczna w scenach z wieloma źródłami światła, odbiciami i półprzezroczystymi materiałami. Szczególnie nocne sceny miejskie z neonami, mokrymi nawierzchniami i szklanymi powierzchniami pozwalają w pełni docenić możliwości tej technologii.
Ray tracing stale ewoluuje, a deweloperzy uczą się coraz lepiej wykorzystywać jego możliwości, co zapowiada jeszcze bardziej imponujące efekty wizualne w przyszłych grach.
