Ray Tracing در بازی‌های ویدیویی چیست؟ | اصطلاحات گرافیکی

ری تریسینگ یا به صورت دقیق‌تر، رهگیری بلادرنگ پرتو (Real-Time Ray Tracing) ترندی جدید در حوزه گرافیک است که تا همین اواخر قادر به پیاده‌سازی در بازی‌های ویدیویی نبود. این تکنولوژی تا چندسال قبل صرفاً در انحصار جهان فیلم‌سازی هالیوود قرار داشت و برای مدت‌های طولانی برای تولید تصاویر کامپیوتری در انیمیشن و افکت‌های بصری استفاده می‌شد.

با این حال چند سالی است که این تکنولوژی به دنیای ورود پیدا کرده است و در بازی‌های نسل نهمی نقش پررنگی را به خود اختصاص می‌دهد. از این رو در این سری از مقالات سخت افزاری ویجیاتو به این مفهوم این تکنولوژی و خروجی آن در بازی‌های ویدئویی بپردازیم.

ری تریسینگ چیست؟

رهگیری بلادرنگ پرتو (Real-Time Ray Tracing) یا ری تریسینگ یک تکنولوژی پیشتاز به جهت بهبود نورپردازی است. این تکنولوژی پیش از این در صنعت مدیا، سینما وانیمیشن سازی به کررات استفاده می‌شد.

این تکنولوژی با ردیابی اشعه در زمان واقعی، می‌تواند نورپردازی درون بازی را بسیار واقعی‌تر جلوه دهد. علت این است که این فناوری کارت گرافیک را قادر می‌سازد تا مسیر پرتوهای مجازی نور را ردیابی کند. بدین ترتیب با دقت بیشتری نحوه تعامل با اشیا موجود در محیط را شبیه سازی کند. در نتیجه تصویری که با تکنولوژی ری تریسینگ تولید می‌شود، واقعی‌تر و عمیق‌تر خواهد بود.

ری تریسینگ چطور کار می‌کند؟

در دنیای واقعی، هر آن چیزی که می‌بینیم نتیجه برخورد نور به اشیای مقابل چشم ماست. درجات مختلف نوری که اشیا دریافت می‌کنند، بازتاب می‌دهند یا می‌شکنند، تعیین‌کننده اینست که آن شی چطور در چشم ما دیده می‌شود. رهگیری پرتو اساساً همین پروسه به صورت برعکس است و نامی که برای آن انتخاب شده، معنای دقیق را می‌رساند.

این نام به متد ساخت تصویری کامپیوتری اشاره دارد که با «رهگیری» مسیر نور از یک چشم خیالی یا دوربین تا شی حاضر در تصویر کار می‌کند. این روش به مراتب از رهگیری تمام پرتوهایی که توسط منبع نور ساطع می‌شوند موثر است. این موضوع بدان دلیل است که پردازش هر پرتویی که قرار نیست در میدان دید بیننده باشد، قدرت کامپیوتری را هرز می‌برد.

یک الگوریتم ری تریسینگ المان‌هایی مانند متریال‌ها و منابع نوری را حساب می‌کند. برای مثال، اگر دو توپ بسکتبال با یک سایه مشابه از رنگ نارنجی داشته باشیم و اگر یکی از آن‌ها از جنس چرم باشد و دیگر از جنس پلاستیک، یه شکلی یکسان دیده نمی‌شوند؛ زیرا نور با هر یک از این سطوح به شکل متفاوتی تعامل می‌کند.

هرچیزی که براق‌تر باشد، مانند فلز یا پلاستیک سخت، نور را بازتاب می‌دهد و اشیای نزدیک را با نور غیرمستقیم روشن می‌کند. اشیایی که در مسیر یک پرتو نور قرار گرفته باشند، از خود سایه به جا می‌گذارند. و یک ماده شفاف یا نیمه شفاف مانند شیشه یا آب هم نور را می‌شکند. برای مثال مانند زمانی که یک مداد بعد از قرار گرفتن درون یک لیوان آب، شکسته به نظر می‌رسد.

دشواری‌های پیاده سازی رهگیری پرتو در صنعت گیم چیست؟

از آن جایی که رهگیری پرتو بر شبیه‌سازی حرکت نور در دنیای واقعی و رفتار آن هنگام تعامل با مواد و متریال‌های فیزیکی مبتنی است. یا به بیان دیگر، از قوانین فیزیک پیروی می‌کند، تصاویر کامپیوتری تولید شده از طریق رهگیری پرتو می‌توانند حقیقتاً فوتو رئالیستیک باشند. به همین خاطر است که این تکنیک به نُرمی در صنعت فیلم‌سازی تبدیل شده. اما یکی از نقاط ضعف رهگیری پرتو این بود که آنقدر کامپیوترها را به چالش می‌کشید که برای گرافیک‌ بازی‌های ویدیویی که به صورت بلادرنگ رندر می‌شوند، عملاً ناکارآمد به حساب می‌آمد.

برای رندر صحنه‌ای از یک بازی ویدیویی مدرن، کامپیوتر، جهان مجازی سه‌بعدی بازی را در مانیتوری که تصویر را به صورت دوبعدی نمایش می‌دهد نقشه‌برداری می‌کند. برای انجام این کار، کامپیوتر باید رنگ تمام پیکسل‌های موجود روی صفحه را تعیین کند و یک نمایشگر 1080p، بیش از ۲ میلیون پیکسل دارد.

پروسه با تاباندن کردن یک پرتو یا بیشتر از دوربین روی هر پیکسل آغاز می‌شود. در ادامه بررسی می‌شود که پرتوها هیچ پالیگانی را قطع می‌کند یا نه. اگر یک پرتو با یک پالیگان برخورد کند، الگوریتم از اطلاعاتی مانند رنگ مثلث و فاصله‌اش از دوربین استفاه می‌کند تا قادر به تعیین رنگ نهایی پیکسل باشد.

تفاوت ری تریسینگ با شطرنجی سازی در چیست؟

در مقابل، گرافیک کامپیوتری بلادرنگ برای چند دهه از پروسه‌ای به نام شطرنجی سازی (Rasterization) برای رندر استفاده می‌شد. اگرچه شطرنجی سازی هم نیازمند قدرت پردازشی فراوان است، پردازشگرهای گرافیکی مدرن کاملاً با این تکنیک سازگاری دارند. از این جهت، قادر به خواندن سریع پالیگان‌ها و تبدیل‌شان به پیکسل‌هایی با قابلیت سایه‌پردازی و نورپردازی هستند. با این همه وقتی نوبت به گرافیک فوتو رئالیستیک می‌رسد، تکنیک شطرنجی سازی با محدودیت‌های زیادی مواجه می‌شود.

طی سالیان متمادی، توسعه‌دهندگان بازی از تکنیک‌های هوشمندانه‌ای برای تولید المان‌های نورپردازی مانند بازتاب، سایه و نورانی‌سازی غیرمستقیم استفاده کرده‌اند. با این وجود پیاده‌سازی تمام این ترفندها صرفاً به این خاطر ضروری بود که ری تریسینگ هنوز به جایگزینی امکان‌پذیر تبدیل نشده بود. تکنولوژی جدیدتر استفاده‌ی همزمان از شطرنجی سازی و رهگیری پرتو است. در این روش وظایف رندر میان دو متد تقسیم می‌شود که از آن با نام رندر هیبریدی یاد می‌شود.

چه کارت گرافیک‌هایی از ری تریسینگ پشتیبانی می‌کنند؟

سری RTX انویدیا (Nvidia) اولین بار در سال ۲۰۱۸ و با بهره‌گیری از معماری تورینگ (Turing) معرفی شدند. این لاین جزو کارت‌های بالا رده (High-end) انویدیا محسوب می‌شوند. این کارت‌ها شامل فناوری‌های جدیدتری از حیث بصری و محاسبات هستند که به طبع قیمت آن‌ها را نیز در مقابل کارت‌های معمول بالا می‌برد.

در ماه آوریل همان سال نیز انویدیا درایور جدیدی منتشر کرد که پشتیبانی با پرفورمنس ضعیف‌تر از رهگیری پرتو را به برخی کارت‌های سری GTX می‌آورد. در مقابل سری کارت‌های گرافیک AMD تا مدت‌ها از قابلیت رهگیری پرتو پشتیبانی نمی‌کردند. با این حال در سال ۲۰۲۰ این شرکت نیز با معرفی سری Radeon Rays این ویژگی را به مجموعه کارت‌‌های بالارده‌ی خود آورد.

نتیجه گیری

تکنیک‌های پردازش تصویر یکی از ترندهای پررنگ صنعت مدیا و گیمینگ هستند که در سال‌های اخیر تغییر و تحولاتی اساسی به خود دیده‌اند. در این مقاله به معرفی تکنولوژی Ray Tracing پرداختیم و ویژگی‌های آن را برشمردیم.