منذ إعلان Nvidia لعام 2018 عن بطاقاتها الرسومية RTX المكونة من 20 سلسلة ، أصبحت ميزتها القاتلة ، "تتبع الأشعة" مصطلحًا شائعًا في دوائر ألعاب الفيديو. ولكن قد يكون من الصعب فهم ماهية تتبع الأشعة وكيف يعمل ولماذا يبدو أفضل من التقنيات السابقة.
ما هو تتبع الشعاع وكيف يعمل؟
في العالم الحقيقي عندما ترى شيئًا ما ، ما تراه هو فوتون من مصدر ضوء. في طريقه إليك ، قد يكون هذا الفوتون قد انعكس على سطح واحد أو أكثر. كل انعكاس يغير خصائص الضوء الذي يصل إلى عينيك.
تبعث الشمس مجموعة واسعة من ألوان الضوء ، يمتص كل سطح بعض الضوء ويعكس البعض الآخر. ما نراه كسطح أخضر ، مثل ورقة الشجر ، يبدو بهذه الطريقة لأنه يعكس في الغالب الضوء الأخضر. إذا اصطدم الضوء المنعكس عن الورقة بسطح آخر ، مثل جدار أبيض ، فسيبدو هذا السطح مختلفًا قليلاً عما لو كان ضوءًا أبيض نقيًا يسطع عليه. يؤثر كل انعكاس على كل سطح مستقبلي يتفاعل معه الضوء ، ويغير شدته واللون المرئي.
تتبع الشعاع هي تقنية رسومية تتبع نفس المبادئ. يتم إسقاط أشعة الضوء ، ويتم حساب خصائص الضوء المنعكس والمنكسر ، مثل اللون ، ويستمر الشعاع في الحركة.
في العالم الحقيقي ، يصدر كل مصدر ضوء ، مثل المصباح الكهربائي أو الشمس ، فوتونات في جميع الاتجاهات ، لا تصل الغالبية العظمى منها إلى عينيك أبدًا. ستكون محاكاة هذا عملية مكثفة بجنون ينتج عنها نتيجة ضائعة في الغالب. لتقليل عبء العمل ، يعمل تتبع الأشعة في الاتجاه المعاكس ، مما يؤدي إلى عرض الأشعة من الكاميرا. يُسمح لكل شعاع بالسير لمسافة معينة دون انعكاس أو عكس عدد معين من المرات قبل إجراء الحسابات وتعيين قيمة البكسل.
على سبيل المثال ، يتم إلقاء شعاع من منظور المشاهد ، عندما يصطدم بجدار أبيض ، تقوم الخوارزمية بشكل متكرر بإنشاء ينعكس الشعاع الذي ينتقل بعد ذلك عبر جزء من الزجاج الأزرق ، وأخيراً ، يصل الشعاع المنعكس إلى مصدر الضوء الأبيض ويكون كذلك يمتص. يمتص الزجاج الأزرق كل الضوء باستثناء الضوء الأزرق الذي يلقي ضوءًا أزرق على الحائط ، مما يؤدي إلى تلوين البكسل باللون الأزرق.
لماذا يبدو Ray Tracing أفضل بكثير؟
تتضمن الطريقة القياسية لعرض المشاهد في الوقت الفعلي استخدام خرائط ضوئية مسبقة الصنع وإضاءة المشهد بالكامل. تستفيد بعض الألعاب من الإضاءة الحجمية المحدودة لتشمل مصادر الضوء المتحركة وللسماح بالظلال الديناميكية ، يتم استخدام هذه التقنية بشكل مقتصد على الرغم من أنها تتطلب الكثير من المعالج.
يمكن أن يحقق تتبع الشعاع نتيجة واقعية إذا تم القيام ببعض الأعمال الإضافية في مرحلة تصميم اللعبة. إذا تضمنت جميع الأسطح تفاصيل مثل الانعكاسية والشفافية وكيف سينكسر الضوء من خلالها ، يمكن أن تظهر النتيجة الإجمالية أكثر طبيعية. في حين أن هذا النهج يتضمن بوضوح مزيدًا من العمل في مرحلة تصميم اللعبة ، إلا أنه يسمح للنتيجة بالظهور الصورة الواقعية مع الضوء الذي يتفاعل بالطريقة التي ينبغي أن ينعكس بها على الخرسانة والمعدن والخشب والزجاج إلخ.
يسمح تتبع الشعاع بإلقاء الانعكاسات والظلال الدقيقة كجزء من عملية التقديم. في طرق العرض التقليدية ، كلا هذين التأثيرين اختياري تمامًا ويمكن أن يتسبب في نتائج أداء ملحوظة.
يأتي تتبع الشعاع بحد ذاته مع أداء هائل. حتى تم الإعلان عن بطاقات الرسومات RTX من Nvidia مع تسريع الأجهزة لتتبع الأشعة ، كان يُعتقد أن قوة المعالجة اللازمة لأداء تتبع الأشعة في الوقت الفعلي في البرنامج كانت لأكثر من عقد بعيدا. حتى مع تسريع الأجهزة ، لا يزال تتبع الأشعة يسبب انخفاضًا ملحوظًا في الأداء لأنه لا يزال أبطأ جزء في عرض الإطار.