Последние годы одним из важных направлений развития графики в видеоиграх стала технология трассировки лучей (Ray Tracing). Внедрение ее в игры началось в 2018 году, когда вышли видеокарты GeForce RTX 20 с аппаратными блоками для ускорения рейтресинга. Также в этом году вышел шутер Battlefield V, где были впервые реализованы эффекты с этой технологией. Постепенно трассировка стала если не стандартом, то одним из важных атрибутов современных игр AAA-уровня (и не только), поэтому трассировка появилась даже в консолях. А в какой-то момент началось внедрение более продвинутого варианта трассировки пути (Path Tracing). Поговорим об этой технологии на примере того, как она реализована в Indiana Jones and the Great Circle. Заодно проведем анализ того, как в сочетании с трассировкой работает технология реконструкции лучей (Ray Reconstruction), которая тоже имеет большое значение для повышения качества картинки.

Трассировка пути (Path Tracing) или полная трассировка лучей — метод рендера, который опирается на моделирование лучей света в виртуальной сцене. Стандартная трассировка лучей предполагает построение лучей из камеры к объекту и от источника света к объекту, чтобы правильно рассчитать его освещенность. Дополнительные лучи отскока позволяют лучше учитывать отражающие свойства поверхностей и вторичный отраженный свет. Качество зависит от количества лучей и количества просчета отскоков. Трассировка лучей учитывает в основном прямой свет и минимальное количество отскоков, а трассировка пути лучше просчитывает вторичное освещение с дополнительными отскоками.

Технология призвана повысить реализм сцены при сложном освещении, она лучше учитывает свойства материалов и отраженный непрямой свет. Когда-то это было доступно только в сфере профессиональной графики, а теперь работает в режиме реального времени на игровых GPU, включая NVIDIA GeForce RTX.

Поскольку трассировка была и остается очень ресурсоемкой, то NVIDIA внедрила дополнительные способы для повышения общей производительности. Это масштабирование NVIDIA DLSS с построением картинки на основе обученной нейросети. Но также остро стоит проблема шумоподавления. Так или иначе, но любой вариант трассировки в реальном времени (и даже рендеринг с трассировкой для кино) опирается на ограниченное количество лучей. Просчитать свет для каждого пикселя в кадре технически невозможно. Поэтому итоговая картинка выглядит «шумной», что убирают с помощью дополнительных технологий шумоподавления. Стандартные варианты предусматривают использование информации соседних кадров для накопления данных и интерполяцию для создания чистой картинки с усреднённым значением освещенности. Но метод не идеален, дает дополнительные шлейфы и возможное снижение детализации. А масштабирование DLSS Super Resolution дополнительное снижает количество входных данных.

Реконструкция лучей (Ray Reconstruction) является ответом на решение этой проблемы. Технология использует более продвинутые алгоритмы DLSS для построения точного и детализированного изображения с уменьшением «шума» после просчета трассировки.

Конвейер рендера NVIDIA — трассировка, DLSS и Frame Generation

Впервые Ray Reconstruction внедрили с релизом DLSS 3.5, а после выхода DLSS 4 на базе модели Transformer появилась и соответствующая версия реконструкции с применением более продвинутой модели. В играх это представлено в виде отдельной опции, которую можно активировать независимо от общих настроек DLSS Super Resolution.

Некоторые не обращают внимания на параметр Ray Reconstruction, хотя он неплохо улучшает общие визуальные впечатления. И мы это наглядно покажем на примере Indiana Jones and the Great Circle.

В настройках игры три пресета для полной трассировки лучей (трассировки пути) — среднее, высокое качество и полная трассировка. Первый режим предполагает использование технологии только для теней, второй режим использует тени и отражения, а третий — тени, отражения и непрямой свет.

Также в игре есть технология RTX Hair, которая включает оптимизированные алгоритмы для качественного просчета волос с трассировкой. Но в рамках данного обзора мы ее не рассматриваем.

Сравнение графики с выключенной и включенной технологией Path Tracing

Традиционно начнем с видеосравнения, а потом детально разберем все на скриншотах. Посмотрим, как выглядят разные сцены со стандартной графикой без трассировки пути, с трассировкой пути, с трассировкой пути и реконструкцией лучей. В конце обзора для наглядности также приведены графики с данными по производительности во всех режимах.

Сравнение проводилось на видеокарте GeForce RTX 5070 12GB в разрешении 2560x1440. Все основные настройки на максимальном уровне (Supreme/Ultra), только объем памяти текстур (Texture Pool Size) в положении High из-за ограниченного объема видеопамяти. Во всех режимах включено масштабирование DLSS 4 в режиме Quality.

Посмотрим на сцену с интерьером музея.

Трассировка пути меняет восприятие освещения, добавляет блики на полу, детализированные отражения на стекле и другие нюансы. Дерево и напольное покрытие выглядят немного иначе.

С увеличением 2Х

Если посмотреть на одинаковый фрагмент в разных режимах с увеличением, то лучше видны теневые нюансы, отражения и блики. Трассировка без реконструкции дает ступенчатые края у некоторых объектов. Включение Ray Reconstruction делает эти линии плавными и правильными, а также улучшает четкость мелких предметов.

Одной из проблем игры являются каскадные тени, которые могут рассыпаться на фрагменты, что лучше всего заметно по теням от листвы и по теневым контурам перекладин окна. Трассировка пути добавляет более реалистичные мягкие тени, но без реконструкции часть деталей теряется.  Наилучшее качество теней дает сочетание Path Tracing и Ray Reconstruction. Обратите внимание, что тень от героя четче, а тень от окна смазанная, поскольку свет постепенно рассеивается.

Пример со стульями позволяет оценить разницу в тенях от мелких предметов со сложной геометрией. В обычном режиме — тени от сетчатого стула смазанные, а тень от зонтика сверху очень насыщенная. С трассировкой пути появляется четкая сетчатая тень от стула и размытие краев у тени от зонтика. А реконструкция лучей улучшает детализацию мелких элементов сетчатых теней.

Отражения — один из явных примеров влияния трассировки. Например, в лужах появляются более четкие отражения окружения, а с реконструкцией лучей их детализация повышается. Но кроме луж трассировка влияет на много других поверхностей и их отражающие свойства.

В обычном режиме графики на мраморном полу есть отражение окон и световые блики от них. С трассировкой пути отражения получают эффект свечения, появляются блики на других поверхностях. С реконструкцией лучей все эти блики немного четче, а контуры узора на полу более плавные.

В целом тени с трассировкой пути и реконструкцией лучей выглядят наиболее реалистично — детализация выше, нет мерцания и одновременно работает размытие от рассеянного солнечного света при удалении от объекта.

Трассировка пути меняет восприятие многих сцен в закрытых интерьерах, поскольку учитывает направленный и отраженный свет. Поэтому в ярких мраморных интерьерах не просто больше бликов, вся сцена выглядит ярче. А внутри хижины картинка будет темнее.

Обратите внимание, что в простом режиме графики картинка ярче, но освещение какое-то равномерное, хотя свет проникает только через окна. С лучами верхняя часть помещения под крышей темнее, интенсивнее затенение под объектами и внутри полочек, что придает дополнительный объем. Также на полу и на металлическом шкафчике появляются блики от света. Полностью меняется вид металлических колбочек и баночек на столах. Также трассировка немного меняет общую цветовую гамму, поскольку учитывает тональность отраженного света, что зависит от окружения.

Эта же сцена хорошо показывает разницу между выключенной и включенной технологией реконструкции лучей.

Если в иных ситуациях мы просто отмечали худшую детализацию без реконструкции, то тут есть очень явный «шум» на полу и мелких объектах. Реконструкция лучей улучшает четкость и делает сцену ярче за счет более точного просвета освещенности объектов.

Далее сконцентрируемся непосредственно на разнице между стандартным режимом максимальной графики и совместном режиме Path Tracing + Ray Reconstruction.

Интересный пример, в котором много разных нюансов. Лужа с трассировкой пути вблизи выглядит более естественно, в обычном режиме вода теряет блеск и отражение слабо заметно. Без трассировки в дальней зоне лужи отражение четче. Однако угол, под которым вы смотрите на эту лужу мал, изображение на поверхности будет напоминать смазанный блик, что и мы и наблюдаем при трассировке. Также мокрая брусчатка благодаря небольшому блеску получает более естественный вид. Тень от здания, которая закрывает весь кадр, не такая интенсивная при трассировке, но стыки между брусчаткой более явные. С лучами появляется тень под машиной и небольшое отражение в воде под колесами.

Пример с отражениями на стекле четко демонстрирует, где включен режим трассировки пути. Также можно отметить дополнительные блики на деревянной раме.

Внешнее освещение через открытую дверь не ощущается при рендере сцены в обычном режиме. С трассировкой блики и отсветы на полу вместе с мягкими тенями хорошо подчеркивают направленность света. Также видны отражения в стекле шкафчика, а фактура паркетного пола выглядит намного круче.

Сцена с торговкой под тканевым оранжевым навесом. Пробивающийся через ткань свет придает оранжевый оттенок всем элементам. А у предметов четко освещена верхняя сторона, чего нет при обычном запеченном освещении. Все эти лампы и шары получают более реалистичную фактуру металла и больший объем.

Сцена с палаткой является еще одним примером того, как трассировка пути влияет общее освещение сцены.

Теперь посмотрим на то, как выглядят открытые локации с трассировкой пути.

Явные изменения в затенении и освещении деревьев, что придаёт сцене больше глубины и добавляет реализма. А вот к крупным водным поверхностям трассировка пути не применяется — незначительное изменение четкости отражений вероятно связано с работой Ray Reconstruction. В целом это понятный компромисс — на обработку воды с трассировкой ушло бы очень много ресурсов.

Есть в игре и заснеженные уровни, которые тоже выигрывают от сочетания технологий Path Tracing и Ray Reconstruction.

Производительность с Path Tracing и Ray Reconstruction

Теперь посмотрим на производительность в разных режимах с видеокартой GeForce RTX 5070.

Тестовый стенд

• процессор: Intel Core i5-12600KF @5,1 ГГц
• материнская плата: Gigabyte Z690 UD AX
• видеокарта: ASUS Dual RTX 5070
• память: DDR5-5400 2x16 GB Kingston Fury
• накопители: Kingston KC400 256GB, Adata XPG SX8200 Pro
• блок питания: Chieftec Polaris PPS-1050FC
• операционная система: Windows 10
• драйвер NVIDIA GeForce 581.80

Оценим разницу в производительности на двух локациях — в Ватикане и Сукхотае. Вторая локация является, возможно, самой ресурсоемкой в игре из-за обилия объектов и растительности.

В обоих случаях установлено максимальное качество всех параметров графики, только объем памяти текстур Texture Pool Size в положении High. Разрешение 2560x1440 при DLSS 4 Quality.

В более простой сцене трассировка пути снижает производительность в два раза, а в Сукхотхае это падение в три раза! Также обратите внимание на идентичные результаты во второй сцене без реконструкции лучей и с данной технологией. На этой локации игра с GeForce RTX 5070 12GB стабильно вылетала, особенно, если выйти за ворота поселка в открытый мир. Видеокарте катастрофически не хватает памяти для тяжелых настроек. Мы уже раскрывали эту особенность игры в прошлых обзорах и легко достигали хорошей производительности при снижении Texture Pool Size. Но тут для стабильной работы придется еще сильнее ограничивать объем памяти для текстур, что может привести и к снижению их качества.

Генерация кадров ситуацию не спасает. Для работы DLSS и генерации тоже нужен определённый объем памяти. В тяжелых сценах, где памяти критически не хватает, вы получите с генерацией столько же fps, что и без нее. И в целом игра на 12 ГБ видеопамяти с трассировкой, DLSS, Ray Reconstruction и Multi Frame Generation работает нестабильно и может вылетать от любого изменения одного из этих параметров.

Возможно, промежуточные настройки трассировки пути помогут получить более приемлемые результаты?

При средних настройках трассировки (только тени) средняя производительность около 46 кадров, но уже при высоком качестве идет заметное снижение fps. Однако самые явные визуальные изменения дает максимальное качество, которое достигается за счет совместного просчета теней, отражений и непрямого света. Поэтому использование трассировки только для теней является сомнительным решением.

Выводы

Трассировка пути (Path Tracing) является очередным шагом в сторону повышения реализма графики. Технология улучшает освещение, добавляет отражения и блики, меняет фактуру поверхностей с учетом их свойств и отражающих способностей. Это может качественно менять восприятие интерьеров, особенно при обилии отражающих поверхностей или при большом количестве предметов. Открытые пространства тоже выглядят приятнее благодаря более качественному и естественному освещению. Конечно, не всегда это прямо уж бросается в глаза, но порою действительно выводит картинку на более качественный уровень. При этом наилучшее качество картинки со сложной трассировкой вы получите только при включении реконструкции лучей (Ray Reconstruction) — это уменьшает эффект шума после обработки лучей и повышает четкость мелких деталей.

Главной проблемой трассировки пути остается ресурсоемкость. Тестовая видеокарта GeForce RTX 5070 вроде бы способна справится с такой графикой в формате 1440p, но ей критически не хватает видеопамяти для данного режима. При 12 ГБ с трассировкой пути возможны вылеты или просадки производительности до очень низкого уровня. Хотя сам GPU в сочетании с правильным режимом DLSS и генерацией кадров мог бы обеспечить нормальный fps. Так что приемлемым вариантом для Indiana Jones and the Great Circle с трассировкой пути является GeForce RTX 5070 Ti 16GB. Но также у GeForce RTX 5060 Ti 16GB есть потенциал, чтобы получить нормальную производительность с трассировкой пути в формате 1080p.

В ближайшее время мы рассмотрим, как работает трассировка в других играх. Следите за нашими обновлениями через ВКонтакте и Telegram.