تتبع الأشعة: ما هو وكيف يعمل على تحسين ألعاب الفيديو الخاصة بك

ضربت Nvidia بقوة في عام 2018. من خلال تقديمهابطاقات الرسومات GeForce RTX الخاصة بهالقد أظهرت الشركة المصنعة الطريق لصناعة بأكملها. الآن بدعم منبلاي ستيشن 5وآخرونأجهزة إكس بوكس ​​​​سلسلة X|S، التتبع الأشعةتم اعتمادها أيضًا بواسطة AMD وهي بمثابة تقنية أساسية.

التتبع الأشعةهل هناك تقنية يجب مراعاتها عند شراء جهاز كمبيوتر محمول أو بطاقة رسوميات؟ وقبل كل شيء، ما هوتتبع الأشعة؟ وهذا بالضبط ما سنحاول استكشافه من خلال هذه المقالة.

ما هو تتبع الأشعة؟

قبل الخوض في التفاصيل وتبسيطها قدر الإمكان، فإنتتبع الأشعةهي تقنية تتيح محاكاة مسار الضوء وتفاعلاته مع البيئة، أي تغيراته فيما يتعلق بالظواهر والأشياء الفيزيائية؛ ولا سيما تأثيرات الانعكاس والانكسار، ولكن أيضًا الظلال وغيرها من الظواهر البصرية الأكثر تعقيدًا.

السينما وألعاب الفيديو: عالمان يجتمعان باستمرار

لم تكن هذه التقنية جديدة حقًا، فقد طورها آرثر أبيل، وهو مهندس في شركة آي بي إم، في عام 1969. وبعد طريق طويل مليء بالمزالق، لا سيما بسبب التكلفة التي ولدتها، استقرت هذه التقنية ببطء في السينما قبل أن تصبح ديمقراطية بفضل استوديوهات بيكسار في عام 2006 مع فيلم الرسوم المتحركة سيارات. منذ ذلك الحين، اعتمدت صناعة السينما هذه التقنية لإنتاج مشاهد أكثر واقعية ومؤثرات خاصة. فلماذاتتبع الأشعةألم تصل في وقت سابق في ألعاب الفيديو لدينا؟ لسبب وجيه هو أن العملية تتطلب جهدًا كبيرًا من حيث القدرة الحاسوبية. تمتلك الاستوديوهات التي تستخدمها موارد كبيرة لتنفيذها. في الواقع، يتم حساب كل إطار مسبقًا باستخدام "مزارع العرض" (أجهزة الكمبيوتر العملاقة في الأساس) بعد إنشاء المشهد، بينماتتبع الأشعةلا يزال مرتبطًا بخوارزميات أخرى مثلتتبع المسارأورسم خرائط الفوتون.

نحن ندرك أن الأمر نفسه لا يمكن أن ينطبق على ألعاب الفيديو التي يجب تشغيلها في الوقت الفعلي، باستثناء المشاهد السينمائية، فهذا أمر بديهي. تكون الملاحظة أكثر إثارة للدهشة لأن معدل الإطارات في السينما أقل بكثير. عندما يبث الفيلم 24 إطارًا في الثانية، ستستهدف اللعبة 60 إطارًا في الثانية، أو حتى 120 أو أكثر. وفي أفضل الأحوال، يجب على شريحة الرسومات حساب كل صورة في أقل من 16 مللي ثانية. فكيف بحق الجحيمهل تمكنت Nvidia من تنفيذتتبع الأشعة*وحسابها في الوقت الحقيقي؟

في مكان ما بين الوهم والواقعية، الظلال والأضواء

تقديم خط الأنابيب والتنقيط

لفهم كيفية عمل تتبع الشعاع، يجب عليك أولاً إلقاء نظرة على عرض الرسوم والطريقة التي كان يعمل بها الضوء من قبل. بدون تفصيل مسار العرض بأكمله، من الضروري مناقشة التنقيط، المستخدم لعرض كائنات ثلاثية الأبعاد على الشاشة والتي، من جانبها، تقتصر على بعدين. ونعم، شاشاتنا، وحتى سماعات الواقع الافتراضي لدينا، تعرض فقط صورة ثنائية الأبعاد.

تستخدم خوارزميات التنقيط الإحداثيات التي يتم إنتاجها خلال المراحل المتوازية للعرض ثلاثي الأبعاد لتحويل الصورة المتجهة إلى صورة نقطية، وبعبارة أخرى، البدائيات الهندسية... إلى خطوط من وحدات البكسل التي يتم تخزينها بعد ذلك فيالمخزن المؤقت للإطارقبل إرسالها إلى الشاشة. هذا بكل بساطة، لأنه على الرغم من أن هذه العملية تسمح لك "برسم" كائن وألوان على الشاشة، إلا أنها تتطلب تعديلات عديدة بالتوازي لإنشاء بيئة واقعية. أولاً، يحتوي على خاصية منع التعرج، ورسم الخرائط، والتصفية متباينة الخواص، وبالطبع تطبيق الظلال مع التظليل والأضواء والانعكاسات الأخرى.

وبالتالي يتم إنشاء القوام والألوان والاتجاه والموضع في الفضاء والخصائص الأخرى للأشياء وفقًا لرؤية المطورين. الإضاءة "خيالية"، وتعتمد فقط على الحسابات النظرية التي تحدد طريقة لعب الظلال والأضواء التي سيتم تطبيقها وفقًا لاتجاه الكائنات وموضعها. لقد تطورت الرسومات على مر السنين، مع أنسجة يمكنها تقليد الانعكاس على سبيل المثال، ولكن نظرًا لأن مصادر الضوء ثابتة، كان لا يزال من الصعب التعامل مع العرض الواقعي. والحقيقة أن هناك عنصرًا أساسيًا آخر يجب أخذه بعين الاعتبار، فخلافًا للسينما، يقوم اللاعب بتحريك كاميرته من زوايا مشاهدة مختلفة، وفي أغلب الحالات يُطلب منه أيضًا تعديل بيئته؛ ثم يفقد الوهم "سحره" بسرعة كبيرة.

كيف يعمل تتبع الأشعة؟

يجلب تتبع الأشعة هذه الديناميكية التي كانت مفقودة بشدة في ألعاب الفيديو، سواء بالنسبة للعناوين التي تعتمد بشكل كبير على الواقعية أو للألعاب الأخرى ذات الكون والخيال الأكثر غرابة وأقل توافقًا مع الواقع. ولإضفاء هذه الطبيعة على الصورة، من الضروري أن نأخذ في الاعتبار الظواهر الفيزيائية التي نواجهها في العالم الحقيقي.

ومن أجل تقليد سلوك الموجات بأمانة، وهو أمر مستحيل مع التنقيط، تقوم خوارزميات تتبع الشعاع "بإلقاء الأشعة" - الفوتونات - من الكاميرا وليس نحوها. وبالتالي يتحرك مسار الأشعة نحو الخارج، وتتفاعل الحزم مع بيئتها والأشياء والأسطح الأخرى، ويمكن أن ترتد بقدر ما هو ضروري ومحاكاة ظواهر الانكسار أو الانعكاس أو حتى الحيود.

تتيح هذه التقنية الحد من حسابات المتجهات غير الضرورية نظرًا لأن الفوتونات هنا تتحرك في الاتجاه المعاكس. الأشعة الوحيدة المحسوبة هي تلك التي تبدأ من وجهة نظر المشاهد، وهو اقتصاد دانتي مقارنة بنموذج حيث يجب حساب كل شعاع يأتي من مصدر ضوئي واحد أو أكثر.

بالفعل منذ بداية التسعينيات، تم تنفيذ شكل مبسط من هذه التقنية، وهذا هوصب الأشعة. الفكرة بسيطة: قم بتتبع شعاع من الكاميرا باتجاه الجسم لإنشاء نموذج، وهو تأثير ثلاثي الأبعاد من بيئة ثنائية الأبعاد. لقد فهمت، هذه هي بدايات ألعاب الفيديو كما نعرفها اليوم، مع Wolfenstein 3D وDoom، لتقود بعد ذلك بقليل إلى أشكال أكثر إنجازًا على سبيل المثال مع Quake أو Myst أو Alone in the Dark.

يذهب تتبع الشعاع إلى أبعد من ذلك بكثير: فهو يوفر إمكانية إرسال الأشعة بشكل متكرر، أي أنه في كل مرة يضرب فيها شعاع جسمًا ما، سيتم إسقاط شعاع واحد أو أكثر في اتجاهات أخرى، مع الأخذ في الاعتبار طبيعة الجسم وسطحه. وملمسه ولونه وما إلى ذلك.

تتبع الأشعة والحساب في الوقت الحقيقي: ثورة

قدمت بنية Turing في عام 2018 بواسطة Nvidia، نوعًا جديدًا من وحدات الحوسبة إلى جانب Tensor Cores وCUDA Cores. هذه هي نوى RT، المخصصة لتسريع وإدارة حسابات تتبع الأشعة في الوقت الفعلي. لقد حققت بنية Ampère نجاحًا كبيرًا بعد عامين، وذلك بفضل مستويات الأداء الأفضل والتكنولوجيا الأكثر نضجًا بالفعل. لا تزال Nvidia اليوم تتقدم بخطوة على AMD، والتي استغرقت بعض الوقت قبل رسم وتنفيذ تتبع الأشعة باستخدام بنية RDNA 2 الخاصة بها، ومع ذلك، ليس هناك شك في أن Reds عادوا بسرعة إلى المسار الصحيح وأن المعركة تبدو ضيقة لسنوات يأتي.

لقد ارتبطت Nvidia أيضًا بتتبع الأشعة لدرجة أنه ليس من غير المألوف أن نسمع العديد من اللاعبين اليوم يستخدمون اسم "RTX" للإشارة إلى التكنولوجيا. كما رأينا، فإن تتبع الأشعة (RT) هو أسلوب يمكن استخدامه في العديد من المجالات بخلاف ألعاب الفيديو. RTX هي علامة تجارية مسجلة بواسطة Nvidia، وهي عبارة عن منصة تدمج تقنيات مختلفة، بدءًا من تتبع الأشعة، ولكن أيضًا التعلم الآلي والتنقيط. كما أنه يدمج واجهات برمجة التطبيقات (APIs) ومجموعات تطوير البرامج (SDKs)، وهي ميزات لتسريع مسار العرض. يمكننا أن نستشهد بـ OptiX وDirectX وVulkan لتتبع الأشعة، وPhysX وFleX وCUDA لنمذجة تفاعلات الكائن/البيئة.

والسؤال الذي يهمنا الآن هو كيف أصبحت الحوسبة في الوقت الحقيقي ممكنة. هل أصبحت بطاقات الرسومات من الجيل التالي بنفس قوة أجهزة الكمبيوتر العملاقة في استوديو هوليوود؟

لقد أتاحت معماريات Turing وAmpere، إلى جانب تقنيات الحساب في الوقت الفعلي وتقليل دقة نقش الرقائق (وتوسيع حجمها)، لأول مرة في عام 2018 الاستفادة من وحدات معالجة الرسومات السائدة مع الأداء الكافي للتعامل معها تتبع الأشعة. منذ ذلك الحين، استخدمت العديد من الألعاب تتبع الأشعة، كما تم تطوير التقنيات بهدف تقليل متطلبات الموارد، وبالتالي الانخفاض الحتمي في معدل الإطارات عند تنشيط تتبع الأشعة.

بين مقاطع الفيديو التجريبية والعرض داخل اللعبة، هناك عالم من الاختلاف. في الحقيقة، الإمكانيات المتاحة للمطورين عديدة، لكنهم مجبرون على اتخاذ خيارات من أجل إنتاج مشاهد وبيئات سلسة تمامًا وعدم التضحية بمعدل الإطارات. في معظم الحالات، يتم استخدام تتبع الشعاع في مناطق محددة، تلك التي تساهم بشكل كبير في جعل المشهد واقعيًا، بينما يستمر التنقيط في العمل بالكفاءة المعروفة به، وقبل كل شيء، من خلال طلب قوة حاسوبية أقل بكثير.

كلما زاد عدد الأشعة التي نستخدمها لكل بكسل، كلما كانت الصورة أفضل وكلما زادت تكلفة الحسابات. يتمثل الحل الوسط الجيد في استخدام مرشحات تقليل الضوضاء، والتي يتم تسريعها بفضلالتعلم الآليمع RT Cores لـ Nvidia. الهدف هو توفير وقت العرض من خلال تحديد الأشعة الأكثر أهمية فقط، مع الاستمرار في إنشاء صورة عالية الجودة.

بعض الأمثلة

كما ذكرنا أعلاه، يتم العثور على تتبع الأشعة في "الأجزاء" في ألعاب الفيديو الخاصة بنا. ويكون استخدامه بخيلا في بعض الأحيان، وفي أحيان أخرى يكون أكثر اكتمالا. سنجد بشكل رئيسي تتبع الأشعة على العناصر التي تضفي الواقعية على المشهد، خاصة بالنسبة إلى:

• إنشاء ظلال وانعكاسات بسيطة
• محاكاة الإضاءة المباشرة (Direct Illumination)
• محاكاة الإضاءة غير المباشرة (الإضاءة العالمية)
• الجمع بين الإضاءة المباشرة وغير المباشرة لإنشاء مشاهد كاملة (Full Ray Tracing)
• إنشاء بيئة صوتية (نحن نتحدث عن تتبع الأشعة الصوتية)

تعد لعبة Cyberpunk 2077 إحدى الألعاب التي تستخدم تقنية تتبع الأشعة أكثر من غيرها، وهي عرض حقيقي لهذه التقنية. من الصعب الانخراط في لعبة الاختلافات السبعة، حيث يقوم تتبع الشعاع بتحويل الصورة بالكامل.

يقوم التحكم أيضًا بالكثير لتوضيح فوائد تتبع الأشعة. صورنا المقارنة تتحدث عن نفسها، لدرجة أن المشهد بدون تتبع الشعاع سيبدو "فارغًا" تقريبًا.

يتم قياس استخدام تتبع الشعاع بشكل أكبر باستخدام The Medium ويقتصر على الانعكاسات والظلال. ومع ذلك، فإنه يمكن في الواقع تغيير المشهد.

يستخدم Doom Eternal بعض تأثيرات الانعكاس فقط، وهو ما لا يمنعه من إضفاء القليل من الروح الإضافية على الصورة.

الارتقاء (DLSS وFSR)، العلاج المعجزة؟

الحل الآخر لتوفير العمليات الحسابية يأتي من تقنيات تسمى DLSS لـ Deep Learning Super Sampling في Nvidia وFSR لـ FidelityFX Supersolution في AMD، تتكون هاتان التقنيتان من عرض اللعبة بدقة أقل قبل وضعها على نطاق واسع، في تعريف العرض. يتم تنفيذ العملية باستخدام الخوارزميات والشبكات العصبية لـ DLSS، حيث تتكون من ترقية مكانية أكثر تقليدية بكثير لـ FSR.

الاهتمام الأساسي هو التعويض عن الخسارة في معدل الإطارات الناتجة عن الحسابات المخصصة لتتبع الأشعة. يمكن أن يكون الارتقاء أكثر أو أقل أهمية، والهدف هو إيجاد الحل الوسط الصحيح بين الجودة والأداء اعتمادًا على اللعبة والتعريف. لكن الترقية يمكن أن تقدم أيضًا الكثير من الفوائد للألعاب التي لا تحتوي على تتبع للأشعة! على الأقل هذه هي رغبة Nvidia التي تسمح الآن بتنفيذ DLSS الخاص بها على عناوين مختلفة، وهو نهج فاضل يحتاج مع ذلك إلى إضفاء الطابع الديمقراطي عليه. يعد FSR مفتوح المصدر ومن الناحية المنطقية أقل تعقيدًا في التنفيذ من قبل المطورين. تقدم الحرباء أيضًا طريقة تعتمد على القياس المكاني: Nvidia Image Scaling. أقل كفاءة من DLSS، وتتميز بكونها متوافقة مع غالبية الألعاب حيث يتم دمج هذه الوظيفة مباشرة في برامج تشغيل الرسومات.

تتبع الأشعة الصوتية: ما هو بالضبط؟

الصوت، مثل الضوء، عبارة عن موجة تنتقل عبر الفضاء. فلماذا لا نطبق تقنية تتبع الأشعة على الصوت؟ يبدو هذا أكثر تماسكًا لأن المشكلة مشابهة لمشكلة الضوء في اللعبة: في العالم الحقيقي، يختلف الصوت اعتمادًا على موقعنا، والأسطح التي يرتد عليها، أو حتى اعتمادًا على طبيعة الأشياء التي يرتد بها. يتفاعل.

وبالتالي فإن الفكرة الجيدة وراء تتبع الأشعة الصوتية تتكون من استخدام نفس الخوارزميات، ولكن هذه المرة لمحاكاة انتقال الموجات الصوتية في الفضاء، بهدف الاقتراب من الصوت ثلاثي الأبعاد وتعزيز الانغماس. ومرة أخرى، يتعلق الأمر هنا بجلب المزيد من الواقعية.

تم تنفيذ أول تطبيق معروف لتتبع الأشعة الصوتية بواسطة استوديو Playground Games مع Forza Horizon 5، على Xbox Series X. ثم يتكيف هدير المحركات في الوقت الفعلي مع بيئة اللاعب. للقيام بذلك، كان على المطورين تحديد الخصائص الفيزيائية للعديد من العناصر. على سبيل المثال، لا تنتشر الاهتزازات بنفس الطريقة في النفق أو الشارع أو الطريق السريع، بينما لا تمتص جميع المواد الصوت أو تعيده بنفس الطريقة. وأخيرًا، ليس من الضروري حساب المسار الكامل للموجة، ولكن فقط تلك التي تؤثر على المستمع.

على الرغم من أن المفهوم يبدو جذابًا على الورق لتحسين تجربة اللاعب، إلا أنه لا يزال يواجه تحديات، مثل حلول البرامج المحيطية الأخرى، مع الأجهزة التي يستخدمها اللاعبون. هل يستطيع المستمع حقًا اكتشاف الاختلافات باستخدام سماعات الرأس للمبتدئين، أو من خلال مكبرات الصوت الخاصة بالتلفزيون؟

*هذا الرابط لمحتوى الشريك.

هل تعلم؟ تتيح لك أخبار Google اختيار الوسائط الخاصة بك. لا تفوتفراندرويدوآخروننوميراما.