Ray tracing zvyšuje nároky víc, než se čeká

Ray tracing počítá světlo sledováním paprsků ve scéně, zatímco klasická rasterizace ho jen napodobuje pomocí předpřipravených triků. Obraz díky tomu získá věrné odrazy, přirozenější stíny a nepřímé osvětlení, zároveň ale jde o jedno z nejnáročnějších nastavení, jaké hry nabízejí. Důvod je v samotném principu výpočtu, ne ve špatné optimalizaci.

Čím se sledování paprsků liší od rasterizace

Rasterizace bere trojúhelníky, ze kterých je scéna složená, promítne je na obrazovku a obarví příslušné body. Je to velmi rychlé, jenže karta přitom ví jen o tom, co je právě v záběru. Odrazy se proto řeší oklikou. Technika zvaná screen-space reflections skládá odraz z již vykresleného obrazu, takže předmět, který není na obrazovce vidět, se nemůže objevit ani v louži nebo v zrcadle. Stíny se počítají ze stínových map s omezeným rozlišením a nepřímé světlo bývá předpočítané, tedy neměnné.

Sledování paprsků postupuje opačně. Z kamery vyšle paprsek do scény, zjistí, na který povrch dopadl, a odtud pokračuje dalšími paprsky ke světlům a k okolním plochám. Pracuje s celou scénou, včetně toho, co je za zády hráče. Právě v tom vidím hlavní přínos celé technologie: obraz přestává záviset na tom, kam se zrovna díváte.

Proč výpočet stojí tolik výkonu

Aby karta nemusela každý paprsek zkoušet proti milionům trojúhelníků, je scéna uspořádána do stromové struktury BVH, hierarchie obalových těles. Paprsek nejdřív zjišťuje, kterou velkou krabici protnul, a postupně se propracuje k jednotlivým trojúhelníkům. Tato struktura se musí při každém pohybu postav a předmětů aktualizovat, což zatěžuje i procesor a zabírá další místo v paměti karty.

Samotných paprsků je navíc málo. V reálném čase si hra může dovolit zhruba jednotky paprsků na obrazový bod, takže surový výsledek je zrnitý a musí projít odšuměním, které chybějící informaci doplní z okolních bodů a z předchozích snímků. Odtud pocházejí typické vady: odrazy, které se při pohybu chvíli doostřují, a světlo, které na rychlou změnu reaguje se zpožděním.

Moderní karty mají pro průchod strukturou BVH hardwarovou akceleraci a hry k ní přistupují přes rozhraní DirectX Raytracing nebo přes rozšíření Vulkanu. Ani tak nejde o levnou operaci, protože práce přibývá s každým dalším odrazem, který se má započítat.

Odrazy, stíny a globální osvětlení nestojí stejně

Hry obvykle dovolují zapnout jednotlivé efekty zvlášť. Stíny bývají nejlevnější, protože ke každému světlu stačí jeden paprsek zjišťující, zda mu něco stojí v cestě. Výsledkem jsou stíny, které jsou u paty předmětu ostré a s rostoucí vzdáleností měknou. Odrazy stojí víc, hlavně na drsných površích, kde se paprsky rozptylují do stran. Globální osvětlení, tedy světlo odražené od stěn a podlahy do zbytku místnosti, mění celkový dojem z interiérů nejvíc.

Kdybych si měl vybrat jediný efekt, zvolil bych globální osvětlení. Odrazy jsou vidět jen na lesklých plochách, kdežto nepřímé světlo ovlivňuje každý záběr a v RPG s proměnlivou denní dobou, jako je Zaklínač 3 v novější verzi, dává místnostem i krajině hloubku, kterou předpočítané řešení nenabídne. Odrazy podle mě naopak bývají přeceňované: na snímcích z propagačních materiálů zaujmou, ale při běžném hraní se jim hráč věnuje málokdy.

Path tracing jako nejvyšší stupeň

Některé hry nabízejí režim, který se obejde bez rasterizovaného osvětlení úplně. Path tracing sleduje celé dráhy světla přes několik odrazů a všechny efekty řeší jedním společným výpočtem. Obraz je nejvěrnější, nároky ovšem řádově vyšší než u jednotlivých efektů. Tento režim počítá s rekonstrukcí obrazu z nižšího rozlišení a obvykle i s generováním snímků, bez nich je i na výkonných kartách těžko hratelný.

Tady bych byl opatrný s očekáváním. Path tracing je ukázka toho, kam grafika směřuje, a ne nastavení, podle kterého by se měla plánovat běžná herní sestava.

Jak efekty nastavit, aby hra zůstala plynulá

Sledování paprsků se téměř vždy kombinuje s technologiemi DLSS, FSR nebo XeSS, protože počet paprsků závisí na počtu vykreslovaných bodů. Jak tyto technologie fungují a co stojí, popisuji v článku o tom, jak upscaling obrazu vrací ztracený výkon. Počítejte i s pamětí: struktura BVH a pomocné vrstvy si vezmou další místo a karta na hraně kapacity začne zadrhávat, což rozebírám v textu o tom, kolik VRAM je potřeba ve vyšším rozlišení.

Postup doporučuji jednoduchý: začněte s efekty vypnutými, zapněte jen globální osvětlení na nejnižší stupeň a sledujte, kolik plynulosti ubylo. Teprve potom přidávejte stíny a nakonec odrazy. Posuzujte v pohybu během několika minut hraní, ne na zastaveném záběru, protože právě v pohybu se ukáže zrnění i propady. Pokud o ray tracing stojíte už při stavbě sestavy, vyplatí se s ním počítat od začátku – co všechno to znamená, najdete v přehledu o tom, jak vybrat grafickou kartu pro hraní.

Zdroje

• Microsoft Learn, dokumentace k rozhraní DirectX Raytracing (DXR)
• Khronos Group, specifikace rozšíření Vulkan Ray Tracing
• NVIDIA, vývojářská dokumentace k technologii RTX a sledování paprsků
• AMD, vývojářská dokumentace GPUOpen k ray tracingu
• Matt Pharr, Wenzel Jakob, Greg Humphreys: Physically Based Rendering – From Theory to Implementation