В мире компьютерной графики путь от 3D-моделей к ярким 2D-изображениям, которые мы видим на наших экранах, зависит от двух основных методов рендеринга: трассировки лучей и растеризации. Каждый метод привносит уникальный подход, формируя качество, реалистичность и производительность визуализированных изображений.
Трассировка лучей тщательно имитирует поведение света, формируя потрясающий реализм посредством детализированных теней, отражений и преломлений. Хотя традиционно она требует вычислительных ресурсов, достижения в области аппаратного обеспечения и алгоритмов делают трассировку лучей в реальном времени всё более доступной.
С другой стороны, растеризация предлагает проверенный временем подход, быстро преобразующий 3-мерную геометрию в 2-мерные пиксельные изображения. Эта техника очень эффективна, однако она не может обеспечивать тот же уровень фотореализма, которого может достичь трассировка лучей.
В этой статье мы погрузимся в основы этих двух методов рендеринга, исследуя их сильные и слабые стороны, а также каждую из их отдельных ролей в компьютерной графике. Независимо от того, являетесь ли вы новичком, желающим понять свой первый GPU, энтузиастом, стремящимся получить больше знаний, или профессионалом в отрасли, понимание того, как работают трассировка лучей и растеризация, является ключом к навигации в развивающемся ландшафте рендеринга цифровой графики.
Что такое растеризация
Растеризация – это фундаментальная техника в компьютерной графике, которая используется для преобразования трёхмерных объектов в двухмерные изображения, которые могут отображаться на экранах. Цвет и глубина каждого пикселя рассчитываются на основе текстур, освещения и затенения.
Растеризация необходима для рендеринга в реальном времени в таких приложениях, как видеоигры, из-за её эффективности и скорости, использующей параллельную вычислительную мощность современных графических процессоров для эффективной обработки больших объемов данных. Концепция растровой графики, которая лежит в основе растеризации, стала заметной с развитием ранних систем буферизации кадров в 1960-х и 1970-х годах. С тех пор эта техника рендеринга стала основой большинства современных систем трёхмерной графики и имеет решающее значение для преобразования сложных геометрических данных в видимое изображение на экране.
В двух словах, растеризация преобразует 3D-фигуры в 2D-изображения, разбивая фигуры на треугольники, отображая эти треугольники на пиксельной сетке экрана и раскрашивая каждый пиксель по мере необходимости. Этот метод быстрый и эффективный, что делает его идеальным для приложений реального времени, таких как видеоигры.
Растеризация предлагает несколько ключевых преимуществ, которые делают её предпочтительным выбором для многих задач рендеринга графики. Во-первых, она, как правило, быстрее других методов рендеринга, поскольку напрямую преобразует формы в пиксели.
Ещё одним существенным преимуществом является аппаратная оптимизация. Современные графические процессоры высоко оптимизированы для растеризации, что приводит к эффективному рендерингу и максимально использует доступные аппаратные возможности.
Кроме того, растеризация выигрывает от широкой поддержки в графических API, таких как DirectX и OpenGL. Эта обширная поддержка означает, что разработчики имеют доступ к надёжному набору инструментов и библиотек, с которыми можно работать.
Эффективность растеризации позволяет визуализировать изображения в реальном времени. Однако, в отличие от трассировки лучей, растеризация испытывает трудности с созданием высокореалистичных эффектов, таких как отражения, преломления и тени, что является одним из её основных недостатков.
Другим существенным ограничением является сложность, связанная с достижением расширенных визуальных эффектов. Для создания этих эффектов часто требуются сложные шейдеры, которые может быть трудно реализовать и они могут существенно влиять на производительность, добавляя слои сложности к процессу рендеринга.
Растеризация также может страдать от проблем со сглаживанием, что приводит к неровным краям на объектах. Хотя методы сглаживания могут уменьшить эти артефакты, они не всегда надежны и иногда могут вносить свой собственный набор проблем, одновременно оказывая значительное негативное влияние на производительность.
Обзор трассировки лучей: что такое трассировка лучей
Трассировка лучей – это передовая технология рендеринга в компьютерной графике, которая имитирует физическое поведение света для создания высокореалистичных изображений. Она включает в себя отслеживание траекторий отдельных световых лучей при их взаимодействии с различными поверхностями в виртуальной сцене. Вычисляя цвет, интенсивность и направление световых лучей на основе физических свойств и законов оптики, трассировка лучей может воспроизводить детализированные и фотореалистичные визуальные эффекты.
Процесс трассировки лучей при рендеринге реалистичных сцен
Процесс трассировки лучей начинается с проецирования лучей из глаза наблюдателя (или камеры) через каждый пиксель на плоскости изображения.
Эти «первичные лучи» проникают в сцену и пересекаются с объектами, где происходят следующие шаги:
- Расчёт пересечения: алгоритм определяет, где лучи пересекаются с поверхностями. Эффективные структуры данных, такие как иерархии ограничивающих объёмов (BVH) и kd-деревья, часто используются для ускорения этих расчетов.
- Затенение и освещение: когда луч попадаёт на поверхность, модели затенения (например, Фонга, Блинна-Фонга) вычисляют цвет в точке пересечения. Это включает прямое освещение от источников света, рассчитанное с использованием таких факторов, как модель отражения Ламберта для диффузных поверхностей и уравнения Френеля для отражающих и преломляющих поверхностей.
- Рекурсивная трассировка лучей: для захвата отражений и преломлений алгоритм порождает новые вторичные лучи (лучи отражения и лучи преломления) в точках пересечения. Эти лучи рекурсивно трассируются по сцене для выборки дополнительных взаимодействий, что позволяет создавать сложные визуальные явления, такие как каустика и реалистичный рендеринг стекла.
- Глобальное освещение: продвинутые методы трассировки лучей учитывают глобальное освещение, где лучи собирают непрямое освещение с других поверхностей. Такие методы, как трассировка пути и картирование фотонов, имитируют сложное взаимодействие света, отражающегося по всей сцене, что приводит к мягким теням, цветовым утечкам и фоновой окклюзии.
- Теневые лучи: для определения видимости источников света и создания точных теней теневые лучи отбрасываются от точек пересечения к источникам света. Если эти лучи достигают источников света без препятствий, точка освещается; в противном случае применяются тени.
Преимущества использования трассировки лучей
Трассировка лучей даёт значительные преимущества для высококачественного рендеринга, особенно в достижении фотореализма. Благодаря точной имитации поведения света, она создаёт изображения с реалистичными отражениями, преломлениями, тенями и глобальным освещением, точно отражая реальную фотографию.
В отличие от растеризации, трассировка лучей динамически адаптируется к изменениям условий освещения, обеспечивая реалистичные эффекты без предварительно вычисленных данных освещения. Она отлично подходит для рендеринга материалов со сложными свойствами, такими как полупрозрачность, анизотропия и зеркальность, что позволяет детально отображать тонкие эффекты, такие как рассеивание света через алмазы и дымка в матовом стекле.
Кроме того, трассировка лучей естественным образом поддерживает глубину резкости и размытость движения, повышая общую реалистичность сцены с помощью таких методов, как стохастическая выборка и временное наложение спектров.
Проблемы, связанные с трассировкой лучей
Несмотря на многочисленные преимущества, трассировка лучей создает ряд проблем. Её высокие вычислительные потребности требуют значительной вычислительной мощности и передовых параллельных вычислительных архитектур, таких как графические процессоры, оптимизированные для трассировки лучей, или специализированного оборудования, такого как технология RTX от NVIDIA.
Достижение производительности в реальном времени особенно сложно, особенно при более высоких разрешениях и со сложными сценами, часто требуя мощного и более дорогостоящего оборудования даже при использовании гибридных методов, которые объединяют растеризацию и трассировку лучей.
Использование памяти также вызывает беспокойство, поскольку алгоритмы трассировки лучей потребляют большие объёмы памяти для хранения структур ускорения, текстур и данных сцены. Кроме того, проблемы шума и выборки ещё больше усложняют процесс; такие методы, как трассировка пути, часто вносят шум, требуя сложных алгоритмов шумоподавления и адаптивной выборки для получения чистых результатов, что увеличивает вычислительную сложность и необходимость в специализированном оборудовании.
Трассировка лучей или растеризация: что лучше
При сравнении трассировки лучей и растеризации необходимо учитывать несколько факторов: скорость, требования к оборудованию, варианты использования и визуальный вывод.
Что касается требований к оборудованию и стоимости, растеризация эффективно работает на широком спектре оборудования, включая менее мощные графические процессоры, что делает её более доступной и экономичной. Однако, для трассировки лучей требуются продвинутые графические процессоры со специализированными ядрами трассировки лучей, такими как серии NVIDIA RTX или AMD RDNA, что приводит к более высоким системным затратам.
Выпуск серии GeForce RTX 20 от NVIDIA в 2018 году ознаменовал собой новое поколение рендеринга компьютерной графики. Работая на инновационной архитектуре Turing, она преобразила игровую и графическую индустрию, внедрив трассировку лучей в реальном времени и функции на основе искусственного интеллекта, такие как DLSS, которые повысили визуальную точность и стандарты производительности. Эти достижения обеспечили беспрецедентный уровень реализма и погружения в цифровой контент, существенно повлияв на игры, профессиональную визуализацию и различные творческие области.
Новейшие карты серии RTX 4000 оснащены усовершенствованной архитектурой NVIDIA Ada Lovelace, которая значительно расширяет возможности трассировки лучей за счет сочетания увеличенных ядер RT, ядер Tensor и ядер CUDA. Благодаря поддержке новейшей технологии DLSS 3.0 эти карты могут обрабатывать рабочие нагрузки трассировки лучей с беспрецедентной эффективностью, визуализируя сложные сцены с высоким уровнем реализма и уменьшенной задержкой, что делает их на сегодняшний день самыми способными видеокартами для приложений трассировки лучей в реальном времени.
Что касается вариантов использования и производительности, в играх растеризация предпочтительна из-за её преимуществ в производительности, в то время как трассировка лучей интегрируется для повышения визуальной точности. Обычно вы получаете более высокий FPS (кадров в секунду) с растеризацией по сравнению с трассировкой лучей. Растеризация оптимизирована для скорости и менее вычислительно интенсивна, что делает её идеальной для приложений реального времени, таких как игры, где высокая частота кадров имеет решающее значение. Трассировка лучей, хотя и обеспечивает превосходное визуальное качество, более требовательна к оборудованию и может значительно снизить FPS. Для профессиональных приложений, таких как архитектурная визуализация и VFX, трассировка лучей предпочтительна из-за её способности создавать фотореалистичные изображения.
Какой кабель выбрать для растеризации и трассировки лучей
При выборе лучшего кабеля для растеризации и трассировки лучей основной целью является обеспечение максимально возможного разрешения, частоты обновления и поддержки расширенных функций, которые повышают визуальную точность и производительность. Выбор кабеля не влияет напрямую на сам процесс рендеринга графики, будь то растеризация или трассировка лучей, а скорее гарантирует, что ваш дисплей получит наилучший возможный сигнал для высококачественных изображений, которые может предоставить современный рендеринг графики.
Выделяются два важных варианта. HDMI 2.1 – универсальный кабель, предлагающий обширные преимущества для растеризации и трассировки лучей. Он поддерживает пропускную способность до 48 Гбит/с, что делает его способным обрабатывать разрешение 4K при 120 Гц и даже разрешение 8K при 60 Гц. Это обеспечивает плавный игровой процесс и богатую детализацию, что необходимо для обоих методов рендеринга. HDMI 2.1 также поддерживает переменную частоту обновления (VRR), которая устраняет разрывы кадра, и режим Auto Low Latency Mode (ALLM), уменьшающий задержку ввода – ключевые функции для бесшовного игрового процесса.
DisplayPort 1.4 и его преемник DisplayPort 2.1 являются отличным выбором для высококачественных игр и профессиональной работы с графикой. DisplayPort 1.4 поддерживает разрешение до 8K при 60 Гц с расширенным динамическим диапазоном (HDR), в то время как DisplayPort 2.1 расширяет это разрешение до 10K при 60 Гц или 4K при 240 Гц. Эти возможности делают DisplayPort особенно подходящим для дисплеев, требующих сверхвысокого разрешения и частоты обновления. DisplayPort также поддерживает технологию Adaptive Sync, выравнивая частоту кадров с частотой обновления монитора для предотвращения разрывов на экране.
HDMI и DisplayPort являются отличным выбором для передачи высококачественных изображений, необходимых как для растеризации, так и для трассировки лучей. Эти кабели гарантируют, что ваш дисплей получит стабильный сигнал с высокой пропускной способностью, максимально увеличивая визуальную производительность и пользовательский опыт.
