رهگیری پرتو به صورت زنده – ورود به عصر جدید گرافیک

رهگیری پرتو یا ray trace فناوری ای است که به زبان ساده می توان با آن سایه ها، نورپردازی و بازتاب را درون یک صحنه رندر کرد. این فناوری بیش از یک دهه در پروژه های سینمایی و انیمیشن استفاده شده است. از آنجایی که این تکنولوژی نیازمند سیستم های بسیار قدرتمند است  کمتر تجاری شد. در پروژه های سینمایی و انیمیشن ها برای استفاده از رهگیری پرتو به زمان بسیار زیادی نیاز بود. اما آن چیزی که الان با عنوان نسل جدید گرافیک در بازی های ویدیوای مطرح می گردد درست زمانی شروع به ابداع شد که شرکت NVIDIA توانست با تولید نسل جدید کارت گرافیک های خود، فناوری رهگیری پرتو را در لحظه (real Time) ایجاد کند و این یعنی بالا رفتن کیفیت تصاویر استفاده شده در بازی های ویدیوای.

بیایید تفاوت Real Time بودن را با رهگیری پرتو معمولی شرح دهیم.

استفاده از تکنیک Ray Tracing در گذشته به این صورت بود که در این فناوری، اطلاعات کلیدی و مهم مثل فاصله و حجم اشیاء و تصاویر سه بعدی در محیط کامپیوتری توسط نرم افزار ذخیره شده و پس از تبدیل این اشیاه سه بعدی به تصاویر دوبعدی، با استفاده از این اطلاعات، رفتار سایه و نور با جسم مورد نظر تعریف می‌شود. این فرایند همان طور که گفتیم زمان بر خواهد بود اما اگر این تکنیک را بتوان به صورتی در آورد که به صورت زنده و در لحظه بتواند اتفاق افتد آرزوی دیرین بازی کنندگان برآورده خواهد شد. در روش قدیمی  همه جزئیات بر اساس پیش‌بینی و محاسبه‌ی رفتار نور انجام می پذیرد. در حالی که خود پرتوهای نور در بازی وجود ندارند. اما فناوری رهگیری پرتو، پرتوهای نور را به بازی اضافه می‌کند. برای شرح این تکنولوژی می توانیم به زبان ساده بگوییم:

وقتی که نور از جسمی به چشم های ما می رسد ما می توانیم آن جسم را ببینیم چرا که نور پس از برخورد با شی مورد نظر می تواند در جهات مختلفی بازتابیده شود و این بازتاب وقتی به چشم ما میرسد با پردازشی که در مغز صورت می گیرد می تواند تصویر آن جسم را برای ما مجسم کند. حال اگر بتوان این مسیر نور را دنبال کنیم توانسته ایم رهگیری پرتو را انجام دهیم.

اما این فناوری حقیقتا چگونه کار می‌کند؟

 در جهان واقعی، ما وقتی می‌توانیم جسمی را با چشمان خود ببینیم که نور پس از برخورد با آن جسم، به سمت ما حرکت کرده و وارد چشم ما بشود. اگر ما بخواهیم مسیری که نور از منبع تابش خود تا رسیدن به چشم ما (شامل حرکت در محیط، برخورد با یک جسم و ورود به چشم بیننده) طی کرده‌ را دنبال کنیم، در واقع عمل رهگیری پرتور را انجام داده‌ایم. فناوری رهگیری پرتو هم در بازی‌ها عمل مشابهی انجام می‌دهد و با استفاده از شبیه‌سازی حرکت نور در جهان بازی جلوه‌های بصری طبیعی‌تری را به تصویر می‌کشد.

در بازی ها برای هر ثانیه نیازمند حداقل ۳۰ فریم تصویر رهگیری شده پرتو هستیم یعنی اینکه به اندازه ساخت پروژه های سینمایی زمان نداریم و در لحظه باید این رهگیری پرتو صورت گیرد اما

چگونه کارت گرافیک های نسل جدید این امکان را فراهم می آورند؟

همان طور که به آن اشاره کردیم نور در جهان واقعی پس از برخورد به یک جسم در جهات مختلفی بازتابیده می شود یعنی ممکن است نور در جهت رسیدن به چشم ما باشد و یا نباشد. حال اگر بتوان تکنولوژی را عملی کرد که بتواند نوری را تولید کند که فقط در راستای چشم ما ( یا همان دوربین در بازیها) باشد و نورهایی را که در پشت سر دوربین هستند وجود نداشته باشند این فرایند باعث می شودکه  سرعت بسیار بالایی را در نتیجه داشته باشیم  چرا که میلیارد ها پرتو نور دیگر وجود ندارند و همین امر باعث میشود که سخت افزار بتواند تعداد فریم های بالاتری را در لحظه محاسبه کند. می توان فرایند رهگیری نور را به دوربین های دید در شب تشبیه کرد چرا که در این دوربین های تنها فضای جلوی چشم روشن است و باقی محیط تاریک می باشد.

با مقایسه ویدیو ها ضبط شده در مورد  فناوری رهگیری پرتو به صورت زنده و روش های قدیمی تر به وضوح به این نتیجه می رسیم که کیفیت تصاویر بهتر شده است. به عنوان مثال در بازی Metro Exodus که از این تکنولوژی بهره می برد، محیط های تاریک طوری نمایش داده می شوند که افراد گیمیر تجربه ای بسیار متفاوت با آن چیزی که در قبل بود احساس می کنند. مثال بعدی بازی Battlefield 5 است که در آن انعکاس محیط با کیفیتی بسیار بالاتر نسبت به ورژن های قدیمی تر نشان داده میشود.

آیا تکنولوژی رهگیری پرتو در لحظه می تواند آینده بازی های ویدیوای باشد؟

ما هنوز در ابتدای به کار گیری این تکنولوژی هستیم. کارت هایی که توسط انویدیا تولید شده اند تنها پردازشگرهای گرافیکی هستند که می توانند از این تکنولوژی بهره برند و تعداد بازی هایی برای استفاده از سری RTX انویدیا تولید شده اند کم هستند اما با پیشرفت تکنولوژی، اکثریت قریب به اتفاق بازی های کامپیوتری به سمت استفاده از تکنولوژی رهگیری پرتو پیش خواهند رفت.

این تکنولوژی فقط منحصر به شرکت انویدیا نیست بلکه شرکت AMD  هم در پی دست یابی به این تکنولوژی است. این کمپانی هنوز از پردازشگرهای گرافیکی مخصوصش با پشتیبانی مبتنی بر سخت افزار از رهگیری پرتو رونمایی نکرده. با این همه، هم پروژه اسکارلت و هم پلی استیشن بعدی از سیلیکون AMD استفاده می‌کنند، از جمله پردازشگر گرافیکی شخصی‌سازی‌شده‌ای که از معماری Navi بهره می‌برد. بنابراین اگر پلی استیشن ۵ و اسکارلت از رهگیری پرتو پشتیبانی می‌کنند، می توان به این نتیجه رسید که کارت گرافیک هایی از شرکت AMD که از معماری Navi بهره می برند نیز از رهگیری پرتو پشتیبانی می کنند.

طبق پیش بینی های صورت گرفته تا یک سال آینده AMD هم به انویدیا در فروش کارت‌های گرافیک مجهز به رهگیری پرتو می پیوندد. وبعد از آن تنها چند ماه با عرضه پلی استیشن ۵ و اسکارلت فاصله داریم. و به این ترتیب، گرافیک بازی‌های ویدیویی به جلو رانده شده و به سطوح بی‌سابقه‌ای از فوتو رئالیسم می‌رسد.

مایکروسافت پشتیبانی از رهگیری پرتو را طی پاییز گذشته با دایرکت اکس ۱۲، یکی از نرم‌افزارهای کلیدی برای بازی‌های ویندوز و ایکس باکس وان، ادغام کرد. در کنفرانس توسعه‌دهندگان سال ۲۰۱۹ که ماه مارس برگزار شد، اپیک گیمز و یونیتی اعلام کردند که موتورهای بازی‌سازی‌شان – به ترتیب، آنریل انجین و یونیتی که جزو محبوب‌ترین موتورهای بازی‌سازی دوران مدرن به حساب می‌آیند- حالا به صورت بومی از رهگیری پرتو پشتیبانی می‌کنند. کرایتک هم به زودی رهگیری پرتو مبتنی بر نرم‌افزار را به کرای انجین می‌آورد و این یعنی بازی‌هایی که با کرای انجین ساخته شوند، بدون نیاز به سخت‌افزاری مانند کارت‌های RTX انویدیا قادر به ارائه رهگیری پرتو هستند.

فهرست