Kaj je Ray Tracing?
Z vidika računalniške grafike je Ray Tracing tehnika upodabljanja, ki simulira fizične lastnosti svetlobe, ki igram prinaša realistično osvetlitev, sence in učinke. Posnema, kako se žarek svetlobe odbije od predmetov od nastavljene točke, kar ponazarja odboj svetlobe z vsake površine. Celoten postopek pa izboljša kakovost slike, kar gledalcem daje bolj poglobljeno izkušnjo. Tehnika se že dolgo uporablja v 3D filmih in sčasoma je našla pot v računalniških igrah na visoki ravni, ki zagotavljajo vizualne učinke kinematografske kakovosti. Ray Tracing je v svetu iger na srečo spremenil igre in je prednostna tehnika upodabljanja kot rastrizacija, ki ima omejitve pri upodabljanju pravih barv predmetov.
Ray Tracing v grafičnih procesorjih Nvidia
Kot vodilni proizvajalec grafičnih kartic je Nvidia vedno drzno eksperimentirala z novimi načini za izboljšanje vizualne kakovosti svojih izdelkov. Septembra 2018 je Nvidia izdala grafične kartice s funkcijami Ray Tracing. Nvidijina arhitektura Turing je prvi grafični procesor z namensko strojno opremo ali jedri RT za obdelavo Ray Tracing v realnem času.
Kaj so RT jedra?
Sledenje žarkom je običajno rezervirano za aplikacije, ki niso v realnem času, ker je računalniški čas, potreben za obdelavo operacije sledenja žarkom, veliko daljši od drugih vizualnih učinkov. Nvidia je naredila preboj z vključitvijo strojne opreme v svoje arhitekturne zasnove z edinim namenom računalništva sledenja žarkom v realnem času. Ta dodatna strojna oprema, znana kot RT Cores, je bila predstavljena v grafičnih karticah RTX, ki temeljijo na Nvidiji, Turing. To je bila tudi prva potrošniška grafična kartica na svetu s podporo za sledenje žarkom na ravni strojne opreme
RT-jedra izračunajo barve slikovnih pik, ko žarek svetlobe potuje od ene točke do druge. Postopek postane bolj zapleten, če obstaja veliko virov svetlobe. Poleg tega je zaradi številnih procesov, povezanih s sledenjem žarkov, kot so Ray Casting, Path Tracing, BVH (Hierarchy Bounding Volume Hierarchy) in Denoising Filtering, računalniško intenzivna tehnika. BVH je najbolj dolgotrajen del izračunov sledenja žarkom, RT-jedra pa pospešujejo prehod BVH za sledenje žarkom v realnem času. Poleg RT-jeder obstaja še en niz strojne opreme v grafičnih procesorjih Nvidia, ki igrajo vlogo pri zagotavljanju sledenja žarkom v realnem času. Tensorska jedra, zasnovana za pospeševanje umetne inteligence, prav tako pomagajo pri odpravljanju hrupa v realnem času in pospešijo oddajanje žarkov.
Grafične kartice Nvidia s podporo za sledenje žarkom
Kartice Nvidia z RT-jedri so velik korak za svetovno priznanega proizvajalca grafičnih kartic. To pa temelji na strojni opremi in prejšnje izdaje grafičnih kartic nimajo takšnih funkcij. Ker je sledenje žarkom zelo privlačno za potrošnike, je Nvidia to funkcijo omogočila tudi starejšim grafičnim karticam. Ker starejše arhitekture v svoje zasnove ne vključujejo RT-jeder, je Nvidia omogočila upodabljanje sledenja žarkom prek gonilnikov, pripravljenih za igre.
Grafične kartice Nvidia s sledenjem žarkov na ravni strojne opreme
Prva generacija RT-jeder je bila predstavljena v Nvidijini seriji RTX 20. RTX 2080 je bil prvi v seriji RTX 20, ki je predstavil Turingovo arhitekturo. Nato so mu sledili RTX 2080 Ti, RTX 2070 in RTX 2060. V ponudbi je tudi Titan RTX.
Septembra 2020 je Nvidia predstavila Turingovega naslednika, Ampere, ki predstavlja drugo generacijo RT-jeder. Ampere vsebuje ogromne nadgradnje pri RT-jedrih in tenzorskih jedrih, kar povečuje hitrost RT-Core na 58 RT-TFLOPS, kar je 1,7-krat višje od Turingovega, kar zagotavlja veliko hitrejše upodabljanje sledenja žarkom in izboljšuje kakovost slike. Podobno ima Ampere več kot dvakrat večjo stopnjo Tensorskih jeder kot Turing s 238 Tensor-TFLOPS. Ampere je jedro druge generacije grafičnih procesorjev RTX; serija RTX 30 vključuje razrede Titan RTX 3090, RTX 3080, RTX 3070 in najnovejšo različico RTX 3060.
Grafične kartice Nvidia s sledenjem žarkov na ravni programske opreme
Nvidia je naredila še en preboj, saj je omogočila sledenje žarkom v izbranih grafičnih karticah brez namenskih jeder RT. To je dobra novica za igralce, ki uporabljajo starejše modele, ki še ne razmišljajo o nadgradnji grafičnih kartic, vendar želijo doživeti vizualne prednosti tehnike sledenja žarkom. Grafične kartice GeForce GTX 1060 6 GB in novejše lahko zdaj uživajo v zmogljivostih sledenja žarkom prek DirectX Raytracing (DXR). Spodaj je seznam kartic Nvidia, ki omogočajo sledenje žarkom prek DXR:
- GeForce GTX 1660 Ti
- GeForce GTX 1660
- Nvidia Titan Xp (2017)
- Nvidia Titan X (2016)
- GeForce GTX 1080 Ti
- GeForce GTX 1080
- GeForce GTX 1070 Ti
- GeForce GTX 1070
- GeForce GTX 1060 6 GB
Zaradi pomanjkanja namenske strojne opreme za sledenje žarkom lahko kartice GTX ponujajo le osnovne učinke sledenja žarkom. Jedra senčnikov obravnavajo izračune sledenja žarkom, ta dodatna obremenitev za jedra senčnikov pa bo vplivala na zmogljivost grafičnega procesorja. Kljub temu lahko igralci z zmožnostjo sledenja žarkov doživijo privlačnejšo vizualno izkušnjo.
Prihodnost sledenja žarkov v Nvidiji
Učinkovitost Ampereja je po podvojitvi Turingovih stopenj obdelave že več kot zadovoljiva. Čeprav je še svež iz pečice, se že govori o njegovem nasledniku, Lovelaceu. Pri tej novi arhitekturi GPU lahko pričakujemo nov razvoj izračunov sledenja žarkom. Podobno se pričakuje tudi nova generacija grafičnih kartic RTX. Prihodnost sledenja žarkom je svetla, saj Nvidia še naprej razvija arhitekture grafičnih procesorjev, ki bi zadovoljile lakoto potrošnikov po boljši igralni izkušnji.