Ray tracing a upscaling v hrách: Ako moderné grafické technológie menia herný zážitok
Herná grafika sa za posledné roky posunula výrazne dopredu. To, čo bolo kedysi dostupné iba v technologických demách alebo filmových efektoch, je dnes súčasťou mnohých moderných hier. Dve z najvýraznejších technológií, ktoré tento vývoj reprezentujú, sú ray tracing a upscaling.
Ray tracing sa snaží realistickejšie simulovať správanie svetla. Upscaling naopak pomáha zvýšiť výkon tým, že hra vyrenderuje obraz v nižšom rozlíšení a následne ho pomocou inteligentných algoritmov rekonštruuje do vyššieho rozlíšenia.
Na prvý pohľad ide o dve odlišné technológie. V praxi však často fungujú spoločne. Ray tracing zvyšuje grafickú kvalitu, no zároveň výrazne zaťažuje hardvér. Upscaling môže časť tejto záťaže kompenzovať a umožniť hráčom využívať pokročilé grafické efekty pri vyššej snímkovej frekvencii.
Čo je ray tracing?
Ray tracing, po slovensky sledovanie lúčov, je technika renderovania, ktorá simuluje pohyb svetelných lúčov v hernom svete.
V reálnom svete svetlo vychádza zo zdroja, odráža sa od povrchov a vytvára tiene, odlesky a osvetlenie. Ray tracing sa snaží tento proces napodobniť v počítačovej grafike.
Tradičné renderovanie často používa takzvanú rasterizáciu. Ide o veľmi efektívnu techniku, ktorá je základom v počítačoch už desaťročia. Rasterizácia dokáže vytvárať pôsobivé obrazy, no mnohé svetelné efekty musia byť vytvorené pomocou rôznych aproximácií a predpočítaných dát.
Ray tracing pristupuje k svetlu realistickejšie.
V závislosti od konkrétnej hry môže ray tracing ovplyvňovať:
- tiene,
- odrazy,
- globálne osvetlenie,
- ambient occlusion,
- osvetlenie interiérov,
- svetlo odrážajúce sa od rôznych povrchov,
- priehľadné materiály,
- vodu a sklo.
Najmodernejšie hry môžu využívať ray tracing na viacero častí obrazu naraz. Vtedy sa hovorí o pokročilom ray tracingu alebo path tracingu.
Ray-traced tiene
Jedným z najčastejších využití ray tracingu sú tiene.
Pri klasickom renderovaní sa tiene často vytvárajú pomocou shadow maps alebo iných techník. Tie môžu vyzerať veľmi dobre, ale majú určité obmedzenia.
Ray-traced tiene dokážu presnejšie simulovať:
- smer tieňa,
- jeho mäkkosť,
- vzdialenosť od objektu,
- prekrývanie viacerých svetelných zdrojov.
Výsledkom môže byť prirodzenejšie osvetlenie scény.
Rozdiel je najvýraznejší v hrách, ktoré používajú veľké množstvo dynamických svetiel. Napríklad pri prechode okolo pouličných lámp, svetiel automobilov alebo explózií môžu ray-traced tiene pôsobiť prirodzenejšie než tradičné riešenia.
Ray-traced odrazy
Odrazy patria medzi efekty, pri ktorých je ray tracing často veľmi dobre viditeľný.
Tradičné hry využívajú napríklad screen-space reflections. Táto technológia dokáže vytvoriť odraz objektov, ktoré sa práve nachádzajú na obrazovke.
Problém nastáva v momente, keď sa objekt nachádza mimo záberu kamery. Vtedy ho screen-space technológia nemôže zobraziť v odraze.
Ray tracing dokáže tento problém riešiť tým, že sleduje lúče svetla a zisťuje, čo sa nachádza v smere odrazu.
To môže byť viditeľné napríklad na:
- mokrých uliciach,
- sklenených budovách,
- kovových povrchoch,
- vode,
- lesklých podlahách.
Vďaka tomu môže herný svet pôsobiť konzistentnejšie. Odraz totiž nemusí byť obmedzený iba na objekty, ktoré sú priamo viditeľné v zábere.
Globálne osvetlenie a realistickejšie svetlo
Jedným z najväčších prínosov ray tracingu je globálne osvetlenie.
Predstavme si miestnosť s otvoreným oknom. Slnečné svetlo vstúpi dovnútra a odrazí sa od podlahy alebo stien. V reálnom svete tento odrazený lúč osvetľuje ďalšie časti priestoru.
Ray tracing dokáže takéto správanie svetla simulovať realistickejšie.
Výsledkom môže byť:
- prirodzenejšie osvetlenie interiérov,
- realistickejšie farebné odrazy,
- lepšie prechody medzi svetlom a tieňom,
- prirodzenejšie osvetlenie scén.
Ak sa napríklad červené svetlo odrazí od červenej steny, môže ovplyvniť osvetlenie okolitého priestoru. Takéto efekty boli v minulosti často vytvárané manuálne alebo pomocou predpočítaných svetelných dát.
Ray tracing umožňuje dynamickejšie reagovať na zmeny v hernom svete.
Prečo ray tracing tak výrazne znižuje FPS?
Ray tracing je výpočtovo náročný.
Moderné grafické karty síce obsahujú špecializované jednotky určené na výpočty ray tracingu, no stále ide o technológiu, ktorá môže výrazne zvýšiť nároky na GPU.
Pri zapnutí ray tracingu môže dôjsť k poklesu:
- priemernej FPS,
- minimálnej FPS,
- plynulosti obrazu,
- celkového výkonu grafickej karty.
Rozdiel závisí od konkrétnej hry a použitej technológie.
Najnáročnejší je path tracing, ktorý simuluje ešte väčšie množstvo svetelných interakcií. Výsledkom môže byť výrazne realistickejšie osvetlenie, ale zároveň aj podstatne vyššie hardvérové nároky. A práve tu vstupuje do hry upscaling.
Čo je upscaling?
Upscaling je technológia, ktorá umožňuje vykresľovať hru v nižšom internom rozlíšení a následne obraz rekonštruovať do vyššieho rozlíšenia.
Predstavme si, že hráč používa 4K monitor.
Bez upscalingu môže hra renderovať obraz v natívnom rozlíšení 3840 × 2160 pixelov.
Pri použití upscalingu môže hra interné vyrenderovanie znížiť napríklad na nižšie rozlíšenie a následne výsledný obraz rekonštruovať do 4K.
Výhodou je, že grafická karta musí vypočítať menej pixelov.
To môže výrazne zvýšiť výkon.
Prečo je upscaling taký dôležitý?
Rozlíšenie 4K obsahuje približne štyrikrát viac pixelov ako 1080p.
To znamená, že vykresľovanie obrazu vo vysokom rozlíšení je výrazne náročnejšie.
Upscaling umožňuje nájsť kompromis medzi:
kvalitou obrazu a výkonom.
Hra môže napríklad renderovať obraz v nižšom internom rozlíšení, no výsledný obraz môže byť stále dostatočne ostrý a detailný.
Moderné technológie upscalingu navyše nefungujú iba ako jednoduché zväčšenie obrazu.
Používajú pokročilé algoritmy, ktoré analyzujú:
- aktuálny obraz,
- predchádzajúce snímky,
- pohyb objektov,
- vektory pohybu,
- detaily scény.
Na základe týchto informácií sa pokúšajú rekonštruovať obraz vo vyššej kvalite.
NVIDIA DLSS
DLSS, teda Deep Learning Super Sampling, patrí medzi najznámejšie technológie moderného upscalingu.
Jej princíp spočíva vo využití umelej inteligencie a špecializovaných Tensor jadier v podporovaných grafických kartách.
DLSS môže pomôcť:
- zvýšiť FPS,
- zachovať vysokú kvalitu obrazu,
- znížiť zaťaženie GPU,
- kompenzovať výkonový dopad ray tracingu.
Jednou z najväčších výhod DLSS je temporálna rekonštrukcia. Technológia neanalyzuje iba aktuálny frame, ale využíva aj informácie z predchádzajúcich snímok.
To jej umožňuje rekonštruovať detaily, ktoré by pri obyčajnom zmenšení a zväčšení obrazu nebolo možné zachovať.
DLSS však môže mať aj určité nedostatky.
Pri nesprávnej implementácii sa môžu objaviť:
- ghosting,
- rozmazanie pohybujúcich sa objektov,
- artefakty,
- blikanie jemných detailov.
Kvalita preto závisí nielen od samotnej technológie, ale aj od konkrétnej implementácie v hre.
AMD FSR
AMD FSR je ďalšia významná technológia upscalingu.
Jednou z jej veľkých výhod je širšia kompatibilita s rôznym hardvérom.
FSR môže byť dostupné aj na grafických kartách od rôznych výrobcov.
To je dôležité, pretože hráč nie je vždy viazaný na jeden konkrétny ekosystém.
FSR prešlo vývojom a modernejšie verzie využívajú pokročilejšie metódy temporálnej rekonštrukcie.
V závislosti od konkrétnej verzie a hry môže FSR ponúknuť výrazné zvýšenie výkonu.
Výsledná kvalita však môže byť odlišná od hry k hre.
Intel XeSS
XeSS je technológia upscalingu vyvinutá spoločnosťou Intel.
Podobne ako iné moderné riešenia využíva temporálne dáta a v niektorých prípadoch aj akceleráciu pomocou špecializovaného hardvéru.
Cieľom je zvýšiť výkon pri zachovaní čo najlepšej kvality obrazu. XeSS je zaujímavé najmä tým, že sa snaží fungovať v širšom hardvérovom ekosystéme.
Upscaling nie je to isté ako obyčajné zväčšenie obrazu
Je dôležité rozlišovať medzi klasickým upscalingom a modernou rekonštrukciou obrazu.
Jednoduché zväčšenie obrazu vezme existujúce pixely a pokúsi sa ich roztiahnuť na väčšiu plochu.
Moderný upscaling však využíva oveľa viac informácií.
Môže analyzovať:
- predchádzajúce snímky,
- pohyb kamery,
- pohyb objektov,
- geometrické dáta,
- hĺbku scény.
Výsledkom môže byť obraz, ktorý vyzerá výrazne lepšie než jednoduché zväčšenie nízkeho rozlíšenia.
Ako spolu ray tracing a upscaling fungujú?
Ray tracing zvyšuje grafickú kvalitu, ale znižuje výkon.
Upscaling znižuje množstvo práce, ktorú musí GPU vykonať.
Preto sa tieto technológie často používajú spoločne.
Príklad:
Bez ray tracingu a bez upscalingu
Hra môže bežať na 4K rozlíšení s vysokým FPS.
S ray tracingom
Grafická karta musí vypočítavať ďalšie svetelné lúče, odrazy a tiene.
FPS môže výrazne klesnúť.
S ray tracingom a upscalingom
Hra vyrenderuje obraz v nižšom internom rozlíšení a následne ho rekonštruuje do vyššieho rozlíšenia.
Výsledkom môže byť:
- výrazne lepšie osvetlenie,
- realistickejšie odrazy,
- vyššia kvalita tieňov,
- zároveň vyšší výkon než pri natívnom 4K.
Toto je jeden z hlavných dôvodov, prečo sa moderné grafické technológie často používajú v kombinácii.
Frame Generation: ďalší krok vo vývoji
Moderné technológie idú ešte ďalej.
Frame Generation dokáže vytvárať dodatočné snímky medzi reálne vyrenderovanými snímkami.
Predstavme si, že grafická karta vyrenderuje:
- Frame A
- Frame B
Technológia sa pokúsi vytvoriť nový snímok medzi nimi.
Výsledkom môže byť vyššia zobrazovaná snímková frekvencia.
Je však dôležité pochopiť, že vytvorený frame nie je úplne rovnaký ako klasicky vyrenderovaný frame.
Preto môžu byť dôležité:
- základné FPS,
- latencia,
- kvalita pohybových vektorov,
- implementácia v hre.
Frame Generation je najefektívnejšia vtedy, keď má hra už sama o sebe dostatočne vysoký základný výkon.
Ak je základná snímková frekvencia príliš nízka, vyšší počet zobrazovaných FPS nemusí automaticky znamenať lepší pocit z ovládania.
Ako tieto technológie ovplyvňujú kvalitu obrazu?
Moderné grafické technológie prinášajú veľké výhody, ale nie sú bez kompromisov.
Výhody
Lepšie osvetlenie
Ray tracing dokáže vytvárať realistickejšie svetelné interakcie.
Realistickejšie odrazy
Objekty môžu byť viditeľné v odrazoch aj vtedy, keď sa nenachádzajú priamo v zábere.
Vyšší výkon
Upscaling môže výrazne znížiť množstvo pixelov, ktoré musí GPU natívne vyrenderovať.
Lepšie využitie hardvéru
Moderné grafické karty môžu využívať špecializované jednotky pre AI, ray tracing a ďalšie výpočty.
Nevýhody
Grafické artefakty
Upscaling môže niekedy vytvárať:
- ghosting,
- shimmering,
- rozmazanie,
- nestabilné jemné detaily.
Vyššia latencia
Niektoré technológie môžu ovplyvniť odozvu ovládania.
Závislosť od implementácie
Rovnaká technológia môže vyzerať výborne v jednej hre a horšie v inej.
Vyššie hardvérové nároky
Ray tracing môže byť veľmi náročný najmä vo vysokom rozlíšení.
Je ray tracing vždy lepší?
Nie nevyhnutne.
Ray tracing môže priniesť veľké vizuálne zlepšenie, ale jeho prínos závisí od konkrétnej hry.
V niektorých tituloch môže byť rozdiel obrovský.
Najmä pri:
- realistických interiéroch,
- nočných scénach,
- mestách s množstvom svetiel,
- vode,
- sklenených povrchoch,
- mokrých cestách.
V iných hrách môže byť rozdiel taký malý, že si ho hráč takmer nevšimne.
Vtedy môže byť rozumnejšie uprednostniť vyššie FPS.
Ray tracing verzus FPS: Čo je dôležitejšie?
Odpoveď závisí od typu hry.
Singleplayer hry
V príbehových hrách môže byť ray tracing veľmi atraktívny.
Hráč má často viac času vnímať:
- atmosféru,
- svetlá,
- odrazy,
- detailné prostredie.
V takomto prípade môže byť vhodné obetovať časť FPS za lepšiu vizuálnu kvalitu.
Kompetitívne hry
V kompetitívnych hrách je často dôležitejšia:
- nízka latencia,
- stabilné FPS,
- rýchla odozva,
- konzistentný obraz.
Preto hráči často ray tracing vypínajú.
V hrách ako kompetitívne strieľačky môže byť stabilných 240 FPS užitočnejších než realistickejšie odrazy.
Čo je najlepšie nastavenie pre hráča?
Neexistuje jedno univerzálne nastavenie.
Ideálne nastavenie závisí od:
- grafickej karty,
- procesora,
- rozlíšenia monitora,
- obnovovacej frekvencie,
- typu hry,
- preferovanej kvality obrazu.
Vo všeobecnosti však platí:
Pre 1080p
Upscaling môže byť menej ideálny pri agresívnych nastaveniach, pretože základné rozlíšenie je už pomerne nízke.
Pre 1440p
Upscaling môže ponúknuť veľmi dobrý kompromis medzi kvalitou a výkonom.
Pre 4K
Upscaling môže byť mimoriadne užitočný, pretože natívne 4K je veľmi náročné na výkon.
Pri zapnutom ray tracingu môže byť kvalitný upscaling prakticky nevyhnutný na dosiahnutie plynulého hrania.
Budúcnosť hernej grafiky
Vývoj smeruje k čoraz realistickejšiemu renderovaniu.
Budúce hry budú pravdepodobne kombinovať:
- rasterizáciu,
- ray tracing,
- path tracing,
- umelú inteligenciu,
- upscaling,
- frame generation.
Namiesto toho, aby bola každá časť obrazu vypočítaná tradičným spôsobom, bude sa stále viac využívať kombinácia klasických algoritmov a AI rekonštrukcie.
Vývojári tak môžu vytvárať vizuálne komplexnejšie svety bez toho, aby bol výkon úplne závislý od natívneho renderovania každého jedného pixelu.
Záver
Ray tracing a upscaling patria medzi najdôležitejšie technológie modernej hernej grafiky.
Ray tracing prináša realistickejšie:
- osvetlenie,
- tiene,
- odrazy,
- globálne svetelné efekty.
Jeho nevýhodou sú však vysoké hardvérové nároky.
Upscaling tento problém pomáha riešiť tým, že znižuje množstvo práce potrebnej na vytvorenie výsledného obrazu.
Technológie ako DLSS, FSR a XeSS dokážu zvýšiť výkon a zároveň zachovať vysokú kvalitu obrazu.
Najväčšou výhodou moderného herného renderovania preto nie je jedna konkrétna technológia, ale ich kombinácia.
Ray tracing môže vytvoriť realistickejší svet. Upscaling môže pomôcť udržať hru plynulú. Frame Generation môže ďalej zvýšiť zobrazovanú snímkovú frekvenciu.
Výsledkom je herný zážitok, ktorý by bol ešte pred niekoľkými rokmi technologicky veľmi náročný alebo úplne nemožný.
Najdôležitejšie však stále zostáva nájsť správny kompromis medzi kvalitou obrazu, výkonom a odozvou ovládania.
Pre jedného hráča bude najdôležitejšie natívne 4K a maximálna kvalita obrazu. Iný uprednostní ray tracing s upscalingom. Kompetitívny hráč môže radšej vypnúť všetky náročné efekty a hrať pri maximálnom FPS.
Moderné technológie preto neznamenajú, že existuje iba jedno správne nastavenie. Dávajú hráčom viac možností, ako si prispôsobiť herný zážitok vlastnému hardvéru a preferenciám.