ГП с трассировкой — устройство и принцип работы

Несмотря на все ухищрения, для быстрых расчетов трассировки все также требуется мощное вычислительное оборудование. Поэтому видеокарты, поддерживающие ее, оснащаются тысячами шейдерных процессоров и специализированными вычислительными блоками — RT-ядрами.

Шейдерные процессоры выполняют арифметические операции, в то время как RT-ядра разработаны и оптимизированы именно для операций трассировки лучей.

Внутри RT-ядер находится два вычислительных движка. Первым начинает работу движок, занимающийся поиском пересечений лучей с объемами-коробками BVH.

Когда находится самая маленькая коробочка, пересекающая луч, в дело вступает второй движок. Он ищет пересечения лучей с полигонами.

Как и шейдерные процессоры, RT-ядра работают параллельно друг с другом. На современных видеокартах это позволяет обрабатывать несколько миллиардов лучей в секунду, а общий счет выполненных операций при этом достигает триллионов. Например, NVIDIA GeForce RTX 3090 родом из 2022 года выполняет за одну секунду до 36 триллионов операций. Тогда как самый мощный суперкомпьютер 2000 года, полагающийся на грубую вычислительную мощность центральных процессоров, за то же время осуществлял лишь 12,3 триллиона.

Чем отличается трассировка лучей

Трассировка пути — наиболее продвинутый способ получения компьютерных изображений. Но из-за ее высоких требований в играх пока более распространена обычная трассировка лучей. Оба способа имеют схожую основу, но трассировка лучей обеспечивает меньшую реалистичность освещения взамен на гораздо более скромные требования к оборудованию.

Для реализации трассировки лучей существует несколько техник. Рассмотрим две самые распространенные. Первый вариант схож с трассировкой пути, но имеет некоторые упрощения. Сначала для моделей сцены создаются дубликаты низкого разрешения с малым количеством полигонов.

Кадр с этими моделями просчитывается вне экрана, чтобы получить карту освещенности поверхностей. А затем полученная карта накладывается на кадр высокого разрешения, выводимый на экран.

Это позволяет хорошо интерполировать непрямое освещение, не прибегая к огромному количеству вычислений. Данный способ является одним из методов трассировки, который используется системой освещения Lumen в графическом движке Unreal Engine 5. Второй вариант техники называется трассировкой лучей в экранном пространстве. Тут используется совершенно другой подход на основе трех составляющих: изображения, полученного с помощью традиционного рендеринга, карты глубины кадра и карты нормалей. Из отрендеренного изображения берется информация о цвете объектов. Карта глубины показывает, насколько далеко они находятся от камеры.

В свою очередь, карта нормалей сообщает, в какую сторону полигоны отражают свет.

Когда в процессе трассировки луч попадает на отражающую поверхность, его дальнейшее распространение продолжается в соответствии с этой информацией. Например, попав в озеро, лучи отразились в сторону деревьев — значит на поверхности озера появится искаженное изображение последних.

Главная проблема подобного подхода в том, что он может использовать только отрендеренные кадры с экрана. То есть, когда деревья исчезнут из поля зрения игрока, пропадет и их отражение в озере. Такую технику трассировки лучей используют многие игры прошлых лет, в том числе — Cyberpunk 2077.

Трассировка пути — продвинутая технология построения изображений в компьютерной графике. Она широко применяется для создания реалистичных сцен в фильмах, и все больше становится популярной в новых играх для ПК и консолей. Как работает эта технология, и в чем ее отличия от более распространенной трассировки лучей?

Что такое трассировка пути

Компьютерная графика, используемая в современном кинематографе, основана на одной из техник трассировки лучей — трассировке пути (Path Tracing). Этот алгоритм появился в далеком 1986 году, но из-за своей сложности лишь спустя 30 лет начал массово использоваться для создания графики в фильмах.

Чтобы понять, почему все это время трассировка пути оставалась неосуществимой, ознакомимся с основами построения подобной картинки. Сначала 3D-художники вручную моделируют форму объектов в сцене, а программное обеспечение для рендера разбивает их на мелкие треугольники — полигоны.

Затем на модели накладываются текстуры, которые симулируют материалы определенного цвета и типа — например, шероховатые, гладкие или стеклянные.

Готовые объекты и источники света: солнце, небо, фонари, размещаются в нужных положениях на 3D-сцене. После этого добавляется виртуальная камера и запускается процесс рендеринга — благодаря ему картинка в кадре визуализируется в виде привычного 2D-изображения.

С помощью трассировки пути имитируются отражения света от различных материалов. К примеру, попав на матовую красную черепицу крыши, часть света ей будет поглощена, а другая часть — отразится красным. Отраженный свет от каждого объекта попадает в виртуальную камеру, внося свой вклад в создание изображения.

Для образования каждой точки конечной картинки осуществляется несколько тысяч подобных расчетов. А для формирования одного кадра изображения с разрешением 4К их потребуется несколько миллиардов.

Именно из-за этого долгое время создание изображений с использованием трассировки пути было очень медленным процессом. Например, в 2016 году рендерингом фильмов «Зверополис» и «Моана» занималась ферма из тысяч серверов, которые производили вычисления в течении нескольких месяцев — и это всего для двух часов анимации.

Формирование изображения

Для начала ознакомимся с принципом создания изображения при трассировке пути. Этот алгоритм относится к виду вычислений, которые очень хорошо распараллеливаются: точки картинки независимы друг от друга, поэтому тысячи лучей для каждой из них можно рассчитывать одновременно.

Если показать на картинке траектории всех лучей, которые просчитываются для этой сцены, то она заполнится огромным количеством линий. Поэтому рассмотрим данный процесс на примере одной точки. Первый луч испускается из ее центра и попадает на полигон какого-либо объекта в кадре.

Базовый цвет точки формируется с помощью нескольких лучей, которые попадают рядом с центральным — для этого все их цвета усредняются. Подобные лучи называются первичными.

В результате такого подхода формируется изображение с правильной перспективой.

Глобальное освещение

Мы рассмотрели, как цвет полигонов передается точкам виртуального кадра. Но для получения реалистичной сцены нужно просчитать глобальное освещение объектов — ведь яркость и оттенок цвета каждой точки зависит именно от него.

Для этой цели комбинируются два вида расчетов: прямого (Direct) и непрямого (Indirect) освещения. При первом виде вычислений просчитываются лучи непосредственно от источников освещения — солнца, неба и ламп. Они называются теневыми.

Теневые лучи отражаются от всех объектов сцены, попутно приобретая характер и окраску от их материалов. Таким образом все поверхности, на которые попадает прямое освещение, становятся источниками непрямого. Отраженный свет проникает во все области кадра. В том числе в те, которые закрыты преградами от лучей прямого освещения. На примере ниже можно увидеть, как освещенная зеленая точка на стене отражает свой свет на синюю точку столба, находящуюся в тени.

Этот луч, проходящий между двумя точками, называют вторичным. Если при первом отражении он снова попадет в тень, то от него будут просчитаны дополнительные лучи. Так будет продолжаться либо до попадания на освещенную прямым светом точку, либо до достижения лимита отскоков, при котором дальнейший поиск траектории луча прекращается.

Вместе с траекториями лучей от источников прямого освещения это создает большое количество вычислений. Например, в кадре ниже для получения 20 первичных лучей необходимо рассчитать почти сотню вторичных и теневых.

Благодаря непрямому освещению реалистично просчитывается не только изменение яркости точек, но и их взаимное влияние на цвет друг друга. К примеру, если расположить рядом со столбом красный воздушный шар, то за счет непрямого освещения в его оттенок окрасится и тень от столба.

Не менее важно и то, что направление распространения вторичных лучей зависит от свойств материала объекта. Если он идеально гладкий, то угол падения луча будет равен углу его отражения — благодаря этому поверхность будет выглядеть зеркальной. А от шероховатого материала того же цвета лучи будут отражаться в случайные стороны — из-за этого он, как и положено, будет отображаться матовым.

В случае, если материалом выступает стекло, то будет просчитываться не только отражение света, но еще и его преломление при прохождении насквозь.

Сложность трассировки пути зависит от количества источников света, количества лучей на точку и предельно допустимого числа их дополнительных отскоков. У сцены из первого примера с замком используется четыре источника света, тысяча лучей на точку и 12 отскоков. Чтобы визуализировать один ее кадр в 4К, нужно просчитать примерно 400 миллиардов лучей.

А для создания всего одной секунды такого видео их понадобится просчитать уже около триллиона. Именно поэтому в течение нескольких десятилетий трассировка пути для фильмов считалась невозможной.

Чтобы достичь приемлемой производительности, в современных играх трассировка пути реализована намного проще — один-два луча на точку и от одного до четырех отскоков. Но даже при таких параметрах и базовом разрешении Full HD для комфортной игры каждую секунду видеокарте понадобится просчитывать около полумиллиарда лучей.

Иерархия ограничивающих объемов

Еще одна ключевая трудность при трассировке пути — узнать, на какой именно полигон луч из точки попадает первым, чтобы определить ее основной цвет. В случае, если полигонов десятки или сотни, можно воспользоваться вычислением траектории луча с помощью математических уравнений. Но в современных сценах их миллионы, поэтому этот способ потребует огромных вычислительных ресурсов. Чтобы упростить данный процесс, используется иерархия ограничивающих объемов (Bounding Volume Hierarchy, BVH). При таком подходе сцена разделяется на виртуальные объемы-коробки, в каждой из которых оказывается одинаковое количество полигонов.

Коробки делятся надвое до тех пор, пока в каждой из них не останется всего несколько полигонов (обычно от 4 до 32). В нашем примере сцена состоит из трех миллионов полигонов, которые «раскладываются» в полмиллиона небольших коробочек.

Положение каждой коробки в пространстве выровнено строго по осям координат. Когда луч начинает свое путешествие из точки, его направление сравнивается с координатами первой пары больших коробок. Коробка, которую он не пересекает, исключается из расчетов — как и все более мелкие, на которые она поделена.

Затем направление луча сравнивается с координатами двух меньших коробок, на которые разделена исходная. И так до тех пор, пока луч не достигнет самой маленькой коробки.

В виду ограничения фотоматериалов

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...