Was ist Raytracing? Erfahren Sie, wie Ray Tracing funktioniert

Die Weiterentwicklung der Technologie bringt Durchbrüche im visuellen Erlebnis, aber auch in der Grafik zum Leben. Die  neue Ray Tracing- Technologie von Nvidia  ist die Antwort auf diese Entwicklung, wenn das Unternehmen  die Grafikkartenlinie auf den Markt bringt . Grafiken der neuen Generation basierend auf ihrer Turing-Architektur. Was ist Raytracing ? Warum sollte man sagen, dass dies die Technologie der Zukunft ist? Finden wir es mit WebTech360 in diesem Artikel heraus

Was ist Raytracing?

Ray Tracing  ist eine Technik zum Rendern (Rendering) von Licht durch Verfolgung von Lichtstrahlen (Trace bedeutet Verfolgen, Ray bedeutet Lichtstrahlen). Sie können sich diese Technik so vorstellen, wie Sie in die Sonne schauen und verfolgen, wo ihre Strahlen auftreffen, welche Objekte sie treffen und wie sie auf die umliegenden Objekte scheint. Raytracing stellt diesen Prozess wieder her, allerdings in einer digitalen Umgebung.

Mit anderen Worten: Raytracing verfolgt das von jedem Objekt in der Umgebung absorbierte, reflektierte, gestreute und gestreute Licht und gilt nicht nur für einen Lichtstrahl der Sonne, sondern für jede andere Lichtquelle (z. B. 2 Glühbirnen). im Spielzimmer, das flackernde Feuer des Kamins im Spiel, die künstliche Lichtquelle ist beim Rendern von 3D fixiert...).

Derzeit ist die Turing-Architektur mit Ray Tracing noch ein großes Fragezeichen, es wird erwartet, dass sie einen revolutionären Wendepunkt auf dem GPU-Markt darstellt. Solche Produkte werden in Zukunft wahrscheinlich in den meisten PCs zu sehen sein. Oder nicht, oder ist der Preis so hoch? Nur wenige Menschen können es besitzen und nutzen?

Das ist schwer zu beantworten, denn obwohl es Artikel und Testberichte zu den beiden Serien GeForce RTX 2080 FE und GeForce RTX 2080 Ti FE gibt , müssen wir selbst auf Spiele, die High-Tech unterstützen, noch warten Nachverfolgung. Darüber hinaus sind auch professionelle Quadro-Grafikkarten mit dieser neuen Technologie ausgestattet: Quadro RXT 8000, Quadro RXT 6000, Quadro RXT 5000, Quadro RXT 4000.

So funktioniert Raytracing

Das Ziel von Raytracing besteht darin, eine realistischere Beleuchtung und natürlichere Schattierungen zu erzeugen, und die RTX- Serie von NVIDIA hat zumindest in den Launch-Demos beeindruckende Ergebnisse erzielt. Ein Holzraum mit offenem Fenster erhellt bei Verwendung herkömmlicher Beleuchtung fast den gesamten Raum, und wenn Raytracing aktiviert ist, sind Orte mit direktem Licht heller als in den dunklen Ecken des Raumes. NVIDIA zeigte außerdem sehr realistisch, wie die Flammen in Battlefield V einen Charakter im Spiel heimsuchen und Autotüren versengen können.

Licht beeinflusst nicht nur die Beleuchtung, sondern auch Farbe, Tiefe und Schatten. Wenn also die Beleuchtung realitätsnah simuliert wird, kommen auch die restlichen Elemente gut zur Geltung. Die Shader im aktuellen Spiel sehen ziemlich hart und klar aus, es fehlt der leichte Übergang zwischen den hellen und dunklen Flecken, und Raytracing ist der Teil, der dies ermöglicht.

Raytracing-Algorithmus 

Eine Simulation der realen Welt zu erstellen ist ein sehr komplexes Unterfangen. Es umfasst viele Faktoren, wie eine unendliche Anzahl von Lichtstrahlen, reflektierende Oberflächen, das Durchdringen von Objekten, alles basierend auf den molekularen Eigenschaften jedes Objekts, ganz zu schweigen von der Schwerkraft und physikalischen Wechselwirkungen. Eine solche „unendliche“ Sache nur mit den endlichen Ressourcen des aktuellen Computers zu simulieren, ist völlig unverhältnismäßig und unmöglich.

Eine Lösung für das obige Problem nennen wir „Rasterisierung“. Anstatt sich mit einer unendlichen Anzahl von Photonen zu befassen, beginnt die Verarbeitung mit Polygonen. Mehr Polygone bedeuten eine schnellere Verarbeitungsgeschwindigkeit, und die Rasterung dient dazu, diese Millionen von Polygonen in ein spezifisches Bild umzuwandeln.

Kurz gesagt: Es werden 2D-Prototypen erstellt und in einer vorgefertigten 3D-Welt gerendert. Darin können 2D-Bilder aus Polygonen bei Betrachtung aus der Nähe den gesamten Bildschirm abdecken, bei Betrachtung aus der Ferne jedoch möglicherweise nur wenige Pixel, wodurch Pixel, Texturen und Lichtprinzipien entstehen. Natürlich kann eine Technik nicht die gesamte Aufgabe abdecken.

Verschiedene Techniken wie der Z-Puffer (ein sekundärer Puffer, der die Tiefe jedes Pixels verfolgt) beschleunigen den Prozess und schaffen ein Werkzeug, das die Millionen generierter Polygone sichtbar, sortierbar und so effizient wie möglich verarbeitet. Dies kann Millionen oder sogar Milliarden Berechnungen pro Frame erfordern, die nur moderne GPUs mit Verarbeitungsgeschwindigkeiten von Teraflops bewältigen können.

Raytracing geht das oben genannte Problem anders an als die Rasterisierung , historisch gesehen gibt es es nun schon seit etwa 50 Jahren. Turner Whitted arbeitet derzeit für NVIDIA und skizzierte in der Vergangenheit, wie rekursives Tracking berechnet werden kann, was zu beeindruckenden Bildern mit Schatten, Reflexionen und mehr führt. Natürlich wird es viel komplizierter sein als die Rasterung.

Beim Raytracing wird die Richtung eines Strahls (normalerweise eines Lichtstrahls) erkannt, wenn dieser in die 3D-Welt projiziert wird. Angenommen, Sie möchten ein Objekt bauen, müssen Sie zunächst die Lichtstrahlen bestimmen, die dem Polygon folgen, aus dem das Objekt besteht, und dann die möglichen Lichtquellen und die Eigenschaften des Polygons wie Material, flache oder gekrümmte Oberfläche berücksichtigen , kurz gesagt, Lichtstrahlen addieren oder subtrahieren.

Dieser Vorgang wird dann für alle anderen Lichtquellen wiederholt, einschließlich des von Objekten in der Szene reflektierten Lichts. Es ist so komplex, dass viele Formeln nötig sind, um Raytracing auch für transparente, halbtransparente Oberflächen, z. B. Glas oder Wasser, zu ermöglichen . Alles muss eine Grenze der künstlichen Reflexion haben, denn selbst ein Strahl kann nicht alle unendlich vielen Photonen erfassen.

Der laut NVIDIA am häufigsten verwendete Raytracing-Algorithmus ist BVH Traversal: Bounding Volume Hierarchy Traversal , der den Prozess beschleunigt, indem Objekte für die Verarbeitung in Zonen eingeteilt werden, mit anderen Worten „Teile und herrsche“.

Sie können sich auf das Kaninchenmodell von NVIDIA beziehen, das den BVH-Algorithmus verwendet, der jede Ebene lokalisiert, die Teile in immer kleiner werdende Blöcke unterteilt, bis der Algorithmus eine kurze Liste von Polygonen ergibt, und dann die Aufgabe des Raytracing übernimmt.

Allerdings ist der Arbeitsaufwand bei der Durchführung dieser Arbeiten mit Software auf der CPU oder GPU zu hoch. Eine Alternative ist der RT-Kern. Jeder RT-Kern verfügt über einen integrierten BVH-Strukturalgorithmus, wodurch er Aufgaben zehnmal schneller verarbeiten kann als der CUDA-Kern.

Darüber hinaus muss auch erwähnt werden, wie viele Lichtstrahlen auf einem Pixel erfasst werden. Nur ein Strahl führt zu Dutzenden oder Hunderten von Berechnungen. Je mehr Strahlen jedoch verfolgt werden, desto einfacher wird die Arbeit und desto höher ist die Produktivität. Auch Unternehmen wie Pixar nutzen Raytracing-Technologie zur Erstellung von Animationen.

Ein 90-minütiger Film mit einer Bildrate von 60 FPS erfordert 324.000 Bilder, von denen jedes mehrere Stunden in Anspruch nimmt, um die Strahlen zu berechnen, die jedes Pixel verfolgen. Wie wird NVIDIA ein solches Echtzeitäquivalent erreichen? Ich habe oben das Auftreten von RT-Kernen erwähnt, aber als ob das nicht genug wäre, lautet die Antwort: Tensor-Kerne sind nur in der Turing-Architektur verfügbar. Als einfaches Beispiel: Bei einer Arbeitslast von FP16 erreichen Tensor-Kerne 114 TFLOPS, während FP32 und CUDA nur 14,2 TFLOPS haben.

Aber warum reicht der Tensor-Kern für Raytracing aus? Es ist KI und selbstlernend, mit anderen Worten, es ist die Deep-Learning-Super-Sampling-Funktion, die es dem Spiel ermöglicht, mit einer niedrigeren Auflösung ohne AA zu rendern, dann übernimmt der Tensor-Kern den Frame und wirkt sich darauf aus, Anti-Aliasing für eine höhere Auflösung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass große Namen der Rendering-Branche in Raytracing eingestiegen sind, wie Epic, UE, Unity 3D und EA Frostbite. Microsoft hat DirectX Ray sogar speziell für Raytracing entwickelt. Mit RTX ist das wirklich ein großer Sprung in der Computergrafik-Branche, natürlich ist er noch nicht abgeschlossen und innerhalb der nächsten zehn Jahre die RTX 2080 Ti als Mainstream auf den Markt bringen zu können, ist komplett. Vielleicht.

Raytracing-Technologie auf den neuesten Grafikkarten von NVIDIA

Bei der aktuellen Grafiktechnologie von NVIDIA und praktisch der gesamten Branche geht es darum, Licht und das Verhalten von Licht in einer bestimmten Szene auf einfachere Weise zu simulieren, die als Rasterisierung bezeichnet wird. Wie ein Maler malt, werden Objekte Schicht für Schicht von hinten nach vorne gerendert, sodass Objekte im Vordergrund Objekte im Hintergrund verdecken.

Anzeigeunterschied zwischen herkömmlichem Raster (links) und Raytracing (rechts).

Dieser Ansatz wird jedoch beim Rendern der Reflexion schwierig sein, da die Rastertechnik das Licht nicht verfolgen und rendern kann. Es wird häufig in Echtzeitszenen eingesetzt, da die aktuelle Hardware nicht ausreicht, um die Bewegung komplexer Szenen, beispielsweise in Videospielen oder 3D-Animationen, zu simulieren.

Unterdessen rekonstruiert Raytracing das Verhalten von Licht, wenn es auf Oberflächen, Materialien und sich bewegende Objekte trifft.

Licht, das durch eine Szene dringt, kann gerendert und komplexer dargestellt werden. Mit Raytracing können Sie simulieren, wie Lichtstrahlen mit Objekten interagieren, und so in Echtzeit realistische Reflexionen, Brechungen und Streueffekte erzeugen. Raytracing kann sogar Refraktoren und Reflektoren erkennen und anzeigen, die Lichtquelle in der Szene visualisieren und sogar die Farbe des Lichts, nachdem es das Motiv durchdrungen hat.

Tatsächlich wurde diese Technik in der Praxis bei Filmen wie „Monsters University“ von Pixar und „Iron Man“ von Marvel eingesetzt. Damals wurde es jedoch von professionellen Benutzern verwendet, doch jetzt wurde es auch für allgemeine Benutzer verfügbar gemacht – etwas, das vorher unmöglich war.

Dies kann zu Recht als eine Leistung von NVIDIA bezeichnet werden, da Raytracing eine enorme Rechenleistung erfordert. Jensen Huang, CEO von NVIDIA, sagte, es sei „der größte Sprung, den wir jemals in einer Generation gemacht haben (GPU-Karten).“

NVIDIAs Lösung des Problems besteht darin, die neue Turing-Architektur in den neu veröffentlichten GPUs zu verwenden. Diese Architektur soll das Verarbeitungsproblem lösen. Die dedizierten Raytracing-Kerne sind außerdem mit Tensor-Kernen ausgestattet, die mithilfe von KI auf den „Echtzeit“-Teil des Bildes schließen können – das rechenintensivste Problem dieser Technik. Somit sind die GPUs in der Lage, 6x schneller zu emulieren als die vorherige Pascal-Plattform (auf GTX 1080Ti).

Dies ist wirklich ein großer Sprung in der Grafiktechnologie und es ist spannend zu glauben, dass Studios und Einzelpersonen nun in der Lage sein werden, den Einsatz dieser Raytracing-Technik auf Anwendungen in Animationen, Wissenschaftsspielen und Simulationen auszudehnen.

Hoffentlich wird die Ray Tracing- Technologie immer weiter entwickelt, dann werden wir eine noch schönere Bildqualität erleben, aber derzeit ist es für Sie wirklich schwierig, Ray Tracing für andere Benutzer zu erleben. schreckliche Spiele, weil sie riesige Software erfordern. Wenn Sie Ratschläge zur Ray Tracing-Gaming-Konfiguration benötigen, wenden Sie sich bitte an WebTech360 .

Synthetisiert aus: Genk.vn