Zapomnijcie o ray tracingu. NVIDIA pokazuje imponujące demo oparte na path tracingu

Jednym z największym przełomów w grafice komputerowej (jeśli nie największym) w ostatniej dekadzie jest bez wątpienia ray tracing, czyli śledzenie promieni w czasie rzeczywistym. Technologia ta od dawna wykorzystywana była w filmach, ale wraz z pojawieniem się DirectX Ray-Tracing firmy Microsoftu i NVIDIA RTX, trafiła w końcu do gier.

Pierwotna koncepcja „śledzenia promieni” dla obrazów 3D w rzeczywistości sięga XVI wieku, ale pierwszy opis tej idei w grafice komputerowej powstał w 1969 roku i zakładał bardzo prosty algorytm. Śledzenie promieni przechodziło różne ewolucje na przestrzeni lat, aż w 1986 roku Jim Kajiya przedstawił artykuł zatytułowany „Równanie renderowania i jego zastosowanie w grafice komputerowej”. Kajiya opisał sposób matematycznego obliczania fizycznych właściwości światła i to właśnie ta rewelacja odmieniła renderowanie trójwymiarowe.

NVIDIA chce uzyskać pełnowymiarowe kinowe śledzenie ścieżki w czasie rzeczywistym, a na GTC 2022 pokazała coś bardzo zbliżonego do tego efektu.

Kajiya opisał swoją metodę jako „śledzenie ścieżki” (path tracing) - można to uznać za ewolucję prostego ray tracingu, bo uzyskanie dobrej jakości wymaga w tym przypadku rzucenia miliardów promieni. Do niedawna uważano to za całkowicie niepraktyczne podejście do renderowania w czasie rzeczywistym, ale od ponad 15 lat było używane w filmach i innych grafikach komputerowych renderowanych offline - teraz zaś NVIDIA ma ambitny plan wprowadzenia tej technologii do gier wideo.

Zaletą śledzenia ścieżki jest to, że jest to „ujednolicony” algorytm renderowania. Oznacza to, że nie trzeba obliczać oddzielnych efektów świetlnych, takich jak okluzja otoczenia, odbicia, miękkie cienie i tak dalej. Całe oświetlenie odbywa się za pomocą algorytmu śledzenia ścieżki. Ma to również swoje wady, szczególnie przy próbie obliczania ścieżki śledzenia na nowoczesnych procesorach graficznych, które są w dużej mierze zoptymalizowane pod kątem tradycyjnych obciążeń związanych z rasteryzacją, ale ogólnie jest to ogromny skok jakości dla jakości obrazu i dla artystów.

Wykonywanie pełnego śledzenia ścieżki w czasie rzeczywistym nie jest całkowicie nowe, tak właśnie działa Quake II RTX, a dziesięć lat temu zespół Otoy Brigade zajmował się programowym śledzeniem ścieżki. Oba te podejścia prowadzą jednak do wielu kompromisów - Brigade ma ograniczenia co do interakcji ze światłem, które może modelować, podczas gdy Quake II RTX zawiera tylko bardzo proste sceny z podstawową geometrią i wykonuje maksymalnie dwa odbicia na promień przy zaledwie kilku światłach w każdej scenie.

NVIDIA chce uzyskać pełnowymiarowe kinowe śledzenie ścieżki w czasie rzeczywistym, a na GTC 2022 pokazała coś bardzo zbliżonego do tego efektu. Łącząc pakiety SDK RTXGI i RTXDI w spersonalizowany „renderer badawczy”, graficy z zielonego zespołu byli w stanie osiągnąć imponujące wyniki. Są to sceny z maksymalnie trzema miliardami trójkątów, które w pełni wykorzystują path tracing - bez rasteryzacji - są renderowane z „interaktywną” liczbą klatek na sekundę, mimo że renderer używa do trzydziestu odbić na promień. Niektóre z tych przykładowych scen mają aż pięćset tysięcy „świateł mesh”, czyli pojedynczych wielokątów, które są źródłami światła. Efekt jest zdecydowanie lepsze od tego, co widzimy we współczesnych grach wideo. 

Co istotne, technika może być zaimplementowana w przyszłych grach, ponieważ ten renderer wykorzystuje standardowe modele 3D i w pełni obsługuje animowane siatki, fizykę i efekty przetwarzania końcowego, tak jak każdy inny standardowy renderer 3D. By tak się stało, trzeba będzie jednak nieco poczekać, gdyż raczej nie ma szans na tak dużą złożoność scen w grach — większość działa ledwo w 30 klatkach na sekundę na karcie GeForce RTX 3090, ale te techniki renderowania są już dostępne dla programistów. Osoby pracujące w Unreal Engine mogą również pobierać wtyczki binarne do zestawu narzędzi deweloperskich. Specjaliści NVIDII przyznają jednak, że jest jeszcze wiele do zrobienia, zanim path tracing będzie mógł całkowicie zastąpić rasteryzowane renderery.