Ray Tracing چیست؟ با نحوه عملکرد Ray Tracing آشنا شوید

تکامل فناوری پیشرفت‌هایی را در تجربه بصری به ارمغان می‌آورد، اما همچنین از گرافیک به زندگی تبدیل می‌شود،  فناوری جدید Ray Tracing nvidia  پاسخی است به این پیشرفت زمانی که این شرکت  خط تولید کارت‌های گرافیک را راه‌اندازی کرد. گرافیک نسل جدید مبتنی بر معماری تورینگ. بنابراین Ray Tracing چیست ؟ چرا می گویند این فناوری آینده است؟ بیایید با WebTech360 در این مقاله آشنا شویم

Ray Tracing چیست؟

Ray Tracing  یک تکنیک رندر (رندر) نور با پیروی از پرتوهای نور است (trace به معنای تعقیب، ray به معنای پرتوهای نور است). شما می‌توانید این تکنیک را تصور کنید که چگونه به خورشید نگاه می‌کنید، ردیابی اینکه پرتوهای آن به کجا برخورد می‌کنند، به چه اجسامی برخورد می‌کنند و چگونه به اجسام اطراف می‌تابد. ردیابی پرتو آن فرآیند را اما در یک محیط دیجیتال بازسازی می کند.

به عبارت دیگر، ردیابی پرتو ، نور جذب شده، بازتابیده، پراکنده و پراکنده شده توسط هر جسم در محیط را ردیابی می کند و نه تنها برای پرتوی از نور خورشید، بلکه برای هر منبع نور دیگری نیز اعمال می شود. (مثلا: 2 لامپ در اتاق بازی، سوسو زدن آتش شومینه در بازی، منبع نور مصنوعی هنگام رندر سه بعدی ثابت است...).

در حال حاضر، معماری تورینگ با Ray Tracing هنوز یک علامت سوال بزرگ است که انتظار می رود نقطه عطف انقلابی در بازار پردازنده گرافیکی باشد، احتمالاً چنین محصولاتی در آینده در اکثر رایانه های شخصی دیده می شود یا خیر، یا قیمت آنقدر بالا است که افراد کمی می توانند آن را داشته باشند و از آن استفاده کنند؟

پاسخ دادن به آن دشوار است، زیرا اگرچه مقالات و نقدهایی برای دو سری GeForce RTX 2080 FE و GeForce RTX 2080 Ti FE وجود دارد ، اما هنوز باید منتظر بمانیم، حتی برای بازی هایی که از فناوری بالایی پشتیبانی می کنند. در اینجا ray است. ردیابی علاوه بر این، کارت های گرافیک حرفه ای Quadro نیز به این فناوری جدید مجهز شده اند: Quadro RXT 8000، Quadro RXT 6000، Quadro RXT 5000، Quadro RXT 4000.

ردیابی اشعه چگونه کار می کند

هدف از ردیابی اشعه ایجاد نور واقعی تر و سایه طبیعی تر است و سری RTX NVIDIA حداقل در دموهای راه اندازی به نتایج چشمگیری دست یافته است . یک اتاق چوبی با یک پنجره باز تقریباً کل اتاق را هنگام استفاده از نورپردازی سنتی روشن می کند و هنگامی که ردیابی پرتو روشن است، مکان هایی با نور مستقیم روشن تر از گوشه های تاریک اتاق خواهند بود. انویدیا همچنین نشان داد که چگونه شعله‌های آتش در Battlefield V می‌توانند شخصیت‌های بازی را تسخیر کنند و درهای ماشین را بسیار واقع‌بینانه بسوزانند.

نور نه تنها بر روشنایی تأثیر می گذارد، بلکه بر رنگ، عمق و سایه ها نیز تأثیر می گذارد. بنابراین وقتی نورپردازی نزدیک به زندگی واقعی شبیه سازی می شود، بقیه عناصر نیز به خوبی انجام می شوند. سایه‌بان‌ها در بازی فعلی کاملاً خشن و واضح به نظر می‌رسند و فاقد تغییر جزئی بین تکه‌های روشن و تاریک هستند و ردیابی پرتو قطعه‌ای است که این امکان را فراهم می‌کند.

الگوریتم ردیابی اشعه 

ایجاد یک شبیه سازی از دنیای واقعی یک کار بسیار پیچیده است. این شامل عوامل بسیاری است، مانند تعداد بی نهایت پرتوهای نور، سطوح بازتابنده، عبور از اجسام، همه بر اساس خواص مولکولی هر جسم، بدون ذکر گرانش و فعل و انفعالات فیزیکی. شبیه سازی چنین چیزی «بی نهایت» تنها با استفاده از منابع محدود رایانه فعلی کاملاً نامتناسب و غیرممکن است.

ما راه حل مسئله فوق را "تصحیح سازی" می نامیم، به جای پرداختن به تعداد بی نهایت فوتون، پردازش با چند ضلعی ها آغاز می شود. چند ضلعی های بیشتر به معنای سرعت پردازش سریع تر است و شطرنجی سازی اینجاست تا آن میلیون ها چند ضلعی را به یک تصویر خاص تبدیل کند.

به طور خلاصه، نمونه های اولیه دوبعدی را ایجاد می کند و آنها را در یک دنیای سه بعدی از پیش ساخته شده ارائه می کند. در آن، تصاویر دوبعدی ساخته شده از چند ضلعی می توانند کل صفحه را در صورت مشاهده از نزدیک پوشش دهند، اما ممکن است تنها چند پیکسل را در صورت مشاهده از راه دور پوشش دهند، در نتیجه پیکسل ها، بافت ها و اصول نور ایجاد می شود. البته یک تکنیک نمی تواند کل کار را پوشش دهد.

تکنیک‌های مختلفی مانند Z-buffer (یک بافر ثانویه که عمق هر پیکسل را ردیابی می‌کند) روند را سرعت می‌بخشد و ابزاری ایجاد می‌کند که میلیون‌ها چند ضلعی تولید شده را قابل مشاهده، مرتب‌سازی و تا حد امکان کارآمد می‌کند. این می‌تواند به میلیون‌ها یا حتی میلیاردها محاسبات در هر فریم نیاز داشته باشد که فقط پردازنده‌های گرافیکی مدرن با سرعت پردازش ترافلاپس از عهده آن بر می‌آیند.

ردیابی پرتو ، به مشکل فوق متفاوت از ستاره سازی R می پردازد ، از نظر تاریخی حدود 50 سال است که وجود داشته است. Turner Whitted در حال حاضر برای NVIDIA کار می کند ، در گذشته نحوه محاسبه ردیابی بازگشتی را ترسیم می کند که منجر به تصاویر چشمگیر از جمله سایه ها، بازتاب ها و موارد دیگر می شود. البته، این بسیار پیچیده تر از شطرنجی سازی خواهد بود.

ردیابی پرتو شامل تشخیص جهت پرتو (معمولاً یک پرتو نور) هنگام پرتاب آن به دنیای سه بعدی است. فرض کنید می‌خواهید یک شی بسازید، اولین کار این است که پرتوهای نوری را که چند ضلعی تشکیل‌دهنده جسم را دنبال می‌کنند، تعیین کنید، سپس منابع نور احتمالی، ویژگی‌های چند ضلعی مانند ماده، سطح صاف یا منحنی را در نظر بگیرید. به طور خلاصه، پرتوهای نور را اضافه یا کم کنید.

سپس این فرآیند برای هر منبع نوری دیگر، از جمله نور منعکس شده از اشیاء در صحنه، تکرار می شود. آنقدر پیچیده است که برای امکان ردیابی اشعه حتی برای سطوح شفاف و نیمه شفاف، مانند شیشه یا آب ، به فرمول های زیادی نیاز است . همه چیز باید حدی از بازتاب مصنوعی داشته باشد، زیرا حتی یک پرتو هم نمی تواند تعداد بی نهایت فوتون را تشخیص دهد.

متداول‌ترین الگوریتم ردیابی پرتوی، طبق NVIDIA ، BVH Traversal: Bounding Volume Hierarchy Traversal است که با منطقه‌بندی اشیا برای پردازش، به عبارت دیگر «تقسیم و غلبه»، فرآیند را سرعت می‌بخشد.

می‌توانید به مدل خرگوش NVIDIA مراجعه کنید که از الگوریتم BVH استفاده می‌کند، که هر سطح را بومی‌سازی می‌کند، قطعات را به بلوک‌های کوچک‌تر و کوچک‌تر تقسیم می‌کند تا زمانی که الگوریتم به چند ضلعی فهرست کوتاه منجر شود، و سپس کار ردیابی پرتو را به دست می‌آورد.

با این حال، میزان کاری که باید هنگام انجام این کار با نرم افزار روی CPU یا GPU انجام دهید، بسیار زیاد است. یک جایگزین، هسته RT است، هر هسته RT دارای الگوریتم ساختار BVH داخلی است، که باعث می شود کار را 10 برابر سریعتر از هسته CUDA پردازش کند.

علاوه بر این، همچنین باید ذکر شود که چه تعداد پرتو نور بر روی یک پیکسل تشخیص داده می شود، فقط یک پرتو منجر به ده ها یا صدها محاسبه می شود، اما هر چه پرتوهای بیشتری ردیابی شوند، کار سبک تر و بهره وری بالا خواهد بود. شرکت هایی مانند پیکسار نیز از فناوری ردیابی پرتو برای ایجاد انیمیشن استفاده می کنند.

یک فیلم 90 دقیقه ای با نرخ فریم 60 فریم در ثانیه به 324000 تصویر نیاز دارد که محاسبه پرتوهایی که هر پیکسل را ردیابی می کنند، چندین ساعت طول می کشد. چگونه NVIDIA می‌خواهد به چنین معادلی بی‌درنگ دست یابد؟ من در بالا به ظاهر هسته های RT اشاره کردم، اما اگر این کافی نیست، پاسخ این است که هسته های Tensor فقط در معماری تورینگ موجود هستند. برای مثال ساده، با در نظر گرفتن حجم کاری FP16، هسته های Tensor به 114 TFLOPS می رسند در حالی که FP32 و CUDA تنها 14.2 TFLOPS دارند.

اما چرا هسته Tensor برای ردیابی پرتو کافی است؟ این ویژگی هوش مصنوعی و خودآموز است، به عبارت دیگر این ویژگی Deep Learning Super Sampling است که به بازی اجازه می‌دهد با وضوح پایین‌تری بدون AA رندر شود، سپس هسته Tensor به ارث می‌رسد و بر فریم تأثیر می‌گذارد، و برای وضوح بالاتر، آن را به حالت «Antialiasing» می‌برد.

در خاتمه، نام‌های بزرگ صنعت رندر مانند Epic، UE، Unity 3D، EA Frostbite وارد رهگیری پرتو شده‌اند. مایکروسافت حتی DirectX Ray را به طور خاص برای ردیابی اشعه ایجاد کرد. با RTX، این واقعا یک جهش بزرگ در صنعت گرافیک کامپیوتری است، البته هنوز کامل نشده است و در ده سال آینده بتوانیم RTX 2080 Ti را به عنوان یک جریان اصلی به بازار عرضه کنیم. شاید.

فناوری Ray Tracing در جدیدترین کارت‌های گرافیک NVIDIA

فناوری گرافیکی کنونی NVIDIA و تقریباً کل صنعت در مورد شبیه سازی نور و رفتار نور در یک صحنه معین، به روشی ساده تر به نام Rasterization است. مانند یک نقاش، اشیاء لایه به لایه، پشت به جلو رندر می شوند، بنابراین اشیاء در پیش زمینه، اشیاء را در پس زمینه پنهان می کنند.

نمایش تفاوت بین رستر معمولی (چپ) و ردیابی پرتو (راست).

با این حال، این رویکرد هنگام رندر انعکاس دشوار خواهد بود، زیرا تکنیک شطرنجی قادر به ردیابی و رندر نور نخواهد بود. اغلب در صحنه‌های بلادرنگ استفاده می‌شود، زیرا سخت‌افزار فعلی برای شبیه‌سازی حرکت صحنه‌های پیچیده کافی نیست، مثلاً در بازی‌های ویدیویی یا انیمیشن‌های سه بعدی.

در همین حال، ردیابی پرتو، رفتار نور را هنگام برخورد با سطوح، مواد و اجسام متحرک بازسازی می‌کند.

نور هنگام عبور از یک صحنه می تواند پیچیده تر و پیچیده تر رندر شود. با ردیابی پرتو، می‌توانید نحوه تعامل پرتوهای نور با اجسام را شبیه‌سازی کنید و بازتاب‌های واقعی، شکست‌ها و اثرات پراکندگی را در زمان واقعی ایجاد کنید. ردیابی پرتو حتی می‌تواند انکسارها، بازتابنده‌ها، منبع نور در صحنه و حتی رنگ نور را پس از عبور از سوژه به تصویر بکشد و نمایش دهد.

در واقع، این تکنیک در عمل با فیلم هایی مانند دانشگاه هیولاهای پیکسار، مرد آهنی مارول استفاده شده است. اما این زمانی بود که توسط کاربران حرفه ای استفاده می شد، اما اکنون برای کاربران عمومی آورده شده است - چیزی که قبلا غیرممکن بود.

این باید به عنوان یک شاهکار NVIDIA نامیده شود زیرا ردیابی پرتو به مقدار زیادی قدرت محاسباتی نیاز دارد. جنسن هوانگ، مدیر عامل انویدیا، گفت: این بزرگترین جهشی است که تا به حال در یک نسل (کارت های GPU) انجام داده ایم.

راه حل مشکل NVIDIA استفاده از معماری تورینگ جدید در GPUهای تازه منتشر شده است. این معماری برای حل مشکل پردازش طراحی شده است. هسته‌های ردیابی پرتوی اختصاصی نیز به هسته‌های Tensor مجهز شده‌اند که می‌توانند از هوش مصنوعی برای استنتاج بخش «زمان واقعی» تصویر استفاده کنند - مشکل محاسباتی فشرده این تکنیک. بنابراین پردازنده‌های گرافیکی می‌توانند 6 برابر سریع‌تر از پلتفرم پاسکال قبلی (در GTX 1080Ti) شبیه‌سازی کنند.

این واقعاً یک جهش بزرگ در فناوری گرافیک است و بسیار هیجان انگیز است که فکر کنیم استودیوها و افراد اکنون می توانند استفاده از این تکنیک ردیابی پرتو را به برنامه های کاربردی در انیمیشن، بازی های علمی و شبیه سازی گسترش دهند.

امیدواریم فناوری Ray Tracing بیشتر و بیشتر توسعه یابد، سپس کیفیت تصویر زیباتری را تجربه خواهیم کرد، اما در حال حاضر واقعاً برای شما دشوار است که Ray Tracing را برای سایر کاربران تجربه کنید. بازی های وحشتناک زیرا به نرم افزارهای عظیم نیاز دارند. اگر در مورد پیکربندی بازی Ray Tracing نیاز به مشاوره دارید، لطفاً با WebTech360 تماس بگیرید .

سنتز شده از: Genk.vn