Co je Ray Tracing (RT)
Dlouho očekávaná nová generace grafických karet Turing společnosti NVIDIA byla veřejnosti před nedávnem konečně představena a pokud jste se jejich prezentace účastnili také, jistě vám neuniklo, že tato prezentace se nesla především v duchu Ray Tracingu, tedy té nejpokročilejší techniky vykreslování 3D světa vůbec. Než se tedy podíváme na nově představené grafické karty samotné, nejdříve si alespoň ve stručnosti něco řekněme právě o Ray Tracingu, který nás navíc bude v dnešním článku docela dost často provázet. Předem jen upozorňuji, že pro dobré pochopení této problematiky je následující výklad technik rasterizace i Ray Tracingu možná až nezdravě zjednodušen.
Takže co to vlastně ten Ray Tracing vůbec je a jak se liší od současného modelu rasterizace?
Rasterizace
Rasterizace je proces, při kterém se vytvořený třírozměrný svět převádí do „plochého“ dvourozměrného světa, reprezentovaného monitorem vašeho počítače. Veškeré 3D objekty scény jsou tedy pomocí transformačních matic nejdříve převedeny (promítnuty) do plochého rastru a následně je pak jednotlivým pixelům (fragmentům) tohoto rastru vypočítána barva. Finální barva fragmentu je tedy určována v době, kdy byly 3D objekty převedeny do plochého rastru a veškeré 3D informace o jednotlivých objektech již ztraceny.
Plochý rastr a hlubka reprezentovaná v z-buffer
Pouze jednoduchou rasterizací by však výsledný obraz vypadal příliš ploše a nevěrohodně a tak postupem času, jak grafické karty i procesory získávaly na výkonu, do rasterizace vývojáři přidávali další vizuální techniky simulující vizuální efekty, které jsou jinak v reálném světě způsobeny rozptýlením světla, jeho odrazem či lomem. Tyto techniky pak do her přinesly takové efekty jako stíny, odrazy či nepřímé osvětlení a výsledný obraz ve hrách se tak stal více realistickým. Vždy to však byly jen jakési triky vývojářů, které pouze simulovaly (někdy dobře, jindy zas hůře) skutečný vzhled objektů z různých materiálů ve světle reálného světa.
Dodání těchto efektů, které ve hrách zajišťují onu hru světla a stínů však vyžaduje od vývojářů nejen nemalé pracovní úsilí, ale také dokonalé odborné znalosti, bez kterých by tyto efekty nikdy do svých her implementovat nemohli.
Ray Tracing
Ray Tracing oproti klasické rasterizaci vytváří realistické osvětlení tak, že vlastně simuluje fyzické chování paprsku světla. RT vypočítává dráhu paprsku, kterou by se světlo mělo ubírat, pokud by se paprsek pohyboval směrem od očí diváka skrz celou 3D scénu. Při průchodu scénou se totiž tento paprsek může od materiálů různých 3D objektů odrážet (odrazy), může být zablokován (stíny) může jimi být také úplně pohlcen (absorbován), nebo jimi může naopak procházet (průhlednost) či se v nich lomit (refrakce). Pokud je paprsek od povrchu odražen, musí se vypočítat jeho další dráha a kolize s dalšími objekty 3D scény. Všechny tyto interakce paprsku s objekty jsou pak zkombinovány a na jejich základě vypočítána konečná barva pixelu, která se zobrazí na monitoru vašeho počítače. Pomocí RT tak můžeme získat „přirozenou cestou“ prakticky realistický vzhled objektů z různých materiálů, včetně oněch vizuálních efektů, které si v případě klasické rasterizace museli vývojáři pracně implementovat
sami.
Obrázek zdroj: scratchapixel.com
Nevýhodou Ray Tracingu je pak nutnost disponovat ohromným výpočetním výkonem, který je zapotřebí ke real-time sledování všech paprsků a jejich kolizí s materiály 3D objektů ve scéně. Takovým výkonem dosud žádná grafická karta nedisponovala, ale časy se mění a my se tak dostáváme k další části prezentace, kdy byly představeny nové grafické karty GeForce RTX 2080 Ti, RTX 2080 a RTX 2070, a které to mají vše změnit.