ما هو Ray Tracing؟ تعرف على كيفية عمل ميزة Ray Tracing

إن تطور التكنولوجيا يحقق اختراقات في التجربة المرئية ولكن أيضًا من الرسومات إلى الحياة ، فإن  تقنية Ray Tracing الجديدة من nvidia  هي الحل لهذا التطور عندما تطلق الشركة  خط بطاقات الرسوميات.جيل جديد من الرسومات يعتمد على هندسة Turing الخاصة بهم. إذن ما هو Ray Tracing ؟ لماذا نقول أن هذه هي تكنولوجيا المستقبل؟ دعنا نتعرف على WebTech360 في هذه المقالة

ما هو Ray Tracing؟

Ray Tracing  هي تقنية لعرض (تقديم) الضوء من خلال تتبع أشعة الضوء (التتبع يعني المطاردة ، والشعاع يعني أشعة الضوء). يمكنك أن تتخيل هذه التقنية مثل كيف تنظر إلى الشمس ، وتتبع مكان اصطدام أشعتها ، وما هي الأشياء التي اصطدمت بها وكيف تشرق على الأشياء المحيطة. يعيد تتبع الشعاع إنشاء هذه العملية ولكن في بيئة رقمية.

بمعنى آخر ، تتبع الأشعة يتتبع الضوء الممتص ، المنعكس ، المنتشر والمبعثر بواسطة كل كائن في البيئة ، ولا ينطبق فقط على شعاع من الضوء من الشمس ولكن على أي مصدر ضوء آخر. (على سبيل المثال: 2 مصباح كهربائي) في غرفة اللعبة ، وميض نار الموقد في اللعبة ، يتم إصلاح مصدر الضوء الاصطناعي عند تقديم ثلاثي الأبعاد ...).

حاليًا ، لا تزال هندسة Turing مع Ray Tracing علامة استفهام كبيرة ، ومن المتوقع أن تكون نقطة تحول ثورية في سوق GPU ، ومن المحتمل أن تظهر هذه المنتجات في معظم أجهزة الكمبيوتر في المستقبل. قلة من الناس يمكنهم امتلاكها واستخدامها؟

من الصعب الإجابة ، لأنه على الرغم من وجود مقالات ومراجعات لسلسلتي GeForce RTX 2080 FE و GeForce RTX 2080 Ti FE ، فلا يزال يتعين علينا الانتظار ، حتى بالنسبة للألعاب التي تدعم التكنولوجيا العالية. اقتفاء أثر. بالإضافة إلى ذلك ، تم تجهيز بطاقات الرسومات الاحترافية Quadro أيضًا بهذه التقنية الجديدة: Quadro RXT 8000 و Quadro RXT 6000 و Quadro RXT 5000 و Quadro RXT 4000.

كيف يعمل Ray Tracing

الهدف من تتبع الشعاع هو خلق إضاءة أكثر واقعية وتظليل طبيعي أكثر ، وقد حققت سلسلة RTX من NVIDIA نتائج مبهرة ، على الأقل في عروض الإطلاق. ستضيء الغرفة الخشبية ذات النافذة المفتوحة الغرفة بأكملها تقريبًا عند استخدام الإضاءة التقليدية ، وعند تشغيل تتبع الأشعة ، س��كون الأماكن ذات الإضاءة المباشرة أكثر إشراقًا من الزوايا المظلمة للغرفة. أظهرت NVIDIA أيضًا كيف يمكن للنيران في Battlefield V أن تطارد شخصية في اللعبة وتحرق أبواب السيارة بشكل واقعي للغاية.

لا يؤثر الضوء على الإضاءة فحسب ، بل يؤثر أيضًا على اللون والعمق والظلال. لذلك عندما يتم محاكاة الإضاءة بالقرب من الحياة الواقعية ، يتم أيضًا تنفيذ بقية العناصر بشكل جيد. تبدو الظلال في اللعبة الحالية قاسية وواضحة تمامًا ، وتفتقر إلى الانتقال الطفيف بين البقع الفاتحة والداكنة ، وتتبع الشعاع هو القطعة التي تجعل هذا ممكنًا.

خوارزمية تتبع الشعاع 

يعد إنشاء محاكاة للعالم الحقيقي مهمة معقدة للغاية. يتضمن العديد من العوامل ، مثل عدد لا حصر له من الحزم الضوئية ، والأسطح العاكسة ، والمرور عبر الأشياء ، وكلها تعتمد على الخصائص الجزيئية لكل كائن ، ناهيك عن الجاذبية والتفاعلات الفيزيائية. محاكاة مثل هذا الشيء "اللانهائي" باستخدام الموارد المحدودة للكمبيوتر الحالي هو أمر غير متناسب ومستحيل تمامًا.

نسمي حلًا للمشكلة المذكورة أعلاه "التنقيط" ، بدلاً من التعامل مع عدد لا حصر له من الفوتونات ، تبدأ المعالجة بالمضلعات. يعني المزيد من المضلعات سرعة معالجة أسرع ، ويتم التنقيط هنا لتحويل تلك الملايين من المضلعات إلى صورة معينة.

باختصار ، تقوم بإنشاء نماذج أولية ثنائية الأبعاد وتعرضها في عالم ثلاثي الأبعاد تم إنشاؤه مسبقًا. في ذلك ، يمكن للصور ثنائية الأبعاد المصنوعة من المضلعات أن تغطي الشاشة بأكملها عند عرضها عن قرب ، ولكنها قد تغطي فقط عددًا قليلاً من وحدات البكسل عند عرضها من مسافة بعيدة ، وبالتالي إنشاء وحدات بكسل وأنسجة ومبادئ.ضوء. بالطبع ، لا يمكن لأسلوب واحد تغطية الوظيفة بأكملها.

تعمل التقنيات المختلفة مثل Z-buffer (المخزن المؤقت الثانوي الذي يتتبع عمق كل بكسل) على تسريع العملية ، وإنشاء أداة تجعل الملايين من المضلعات التي تم إنشاؤها مرئية وقابلة للفرز والتعامل معها بأكبر قدر ممكن من الكفاءة. يمكن أن يتطلب هذا ملايين أو حتى مليارات من العمليات الحسابية لكل إطار لا يمكن إلا لوحدات معالجة الرسومات الحديثة ذات سرعات معالجة التيرافلوب التعامل معها.

يتعامل تتبع الشعاع مع المشكلة المذكورة أعلاه بشكل مختلف عن العلامة النجمية R ، تاريخياً كانت موجودة منذ حوالي 50 عامًا حتى الآن. يعمل Turner Whitted حاليًا مع NVIDIA ، في الماضي يرسم كيفية حساب التتبع المتكرر ، مما ينتج عنه مرئيات رائعة بما في ذلك الظلال والانعكاسات والمزيد. بالطبع ، سيكون الأمر أكثر تعقيدًا من التنقيط.

يتضمن تتبع الشعاع الكشف عن اتجاه شعاع (شعاع ضوء عادة) عند عرضه في العالم ثلاثي الأبعاد. لنفترض أنك تريد بناء كائن ، فإن أول شيء هو تحديد أشعة الضوء التي تتبع المضلع الذي يتكون منه الكائن ، ثم مراعاة مصادر الضوء المحتملة ، وخصائص المضلع مثل المادة ، السطح المسطح أو المنحني باختصار ، قم بإضافة أو طرح أشعة الضوء.

تتكرر هذه العملية بعد ذلك لأي مصادر ضوء أخرى ، بما في ذلك الضوء المنعكس من الأشياء في المشهد. إنه معقد للغاية لدرجة أن هناك حاجة إلى العديد من الصيغ لجعل تتبع الأشعة ممكنًا ، حتى بالنسبة للأسطح الشفافة وشبه الشفافة ، مثل الزجاج أو الماء . يجب أن يكون لكل شيء حد من الانعكاس الاصطناعي ، لأنه حتى الشعاع لا يمكنه الكشف عن العدد اللامتناهي من الفوتونات.

أكثر خوارزمية تتبع الشعاع شيوعًا ، وفقًا لـ NVIDIA ، هي BVH Traversal: Bounding Volume Hierarchy Traversal الذي يسرع العملية عن طريق تقسيم الكائنات للمعالجة ، بمعنى آخر "فرق تسد".

يمكنك الرجوع إلى نموذج الأرنب الخاص بـ NVIDIA والذي يستخدم خوارزمية BVH ، والتي تحدد موقع كل مستوى ، وتقسيم الأجزاء إلى كتل ، أصغر وأصغر حتى ينتج عن الخوارزمية قائمة قصيرة من المضلعات ، ثم وظيفة تتبع الأشعة.

ومع ذلك ، فإن حجم العمل الذي يجب القيام به عند القيام بهذا العمل مع البرامج الموجودة على وحدة المعالجة المركزية أو وحدة معالجة الرسومات (GPU) مرتفع للغاية. البديل هو RT core ، كل نواة RT لديها خوارزمية بنية BVH مدمجة ، مما يجعلها قادرة على معالجة العمل أسرع 10 مرات من CUDA core.

بالإضافة إلى ذلك ، يجب أيضًا ذكر عدد الأشعة الضوئية التي يتم اكتشافها على البكسل ، يؤدي شعاع واحد فقط إلى عشرات أو مئات الحسابات ، ولكن كلما تم تتبع المزيد من الأشعة ، سيكون العمل أخف ، وستكون الإنتاجية عالية. تستخدم شركات مثل Pixar أيضًا تقنية تتبع الأشعة لإنشاء رسوم متحركة.

يتطلب الفيلم الذي تبلغ مدته 90 دقيقة بمعدل إطارات 60 إطارًا في الثانية 324000 صورة ، يستغرق كل منها عدة ساعات لحساب الأشعة التي تتعقب كل بكسل. كيف ستحقق NVIDIA مثل هذا المكافئ في الوقت الفعلي؟ لقد ذكرت مظهر أنوية RT أعلاه ، ولكن إذا لم يكن ذلك كافيًا ، فإن الإجابة هي أن نوى Tensor متوفرة فقط في بنية Turing. على سبيل المثال البسيط ، أخذ عبء العمل FP16 ، تصل أنوية Tensor إلى 114 TFLOPS بينما FP32 و CUDA لديها 14.2 TFLOPS فقط.

ولكن لماذا يعتبر Tensor core كافياً لتتبع الأشعة؟ إنها ميزة الذكاء الاصطناعي والتعلم الذاتي ، وبعبارة أخرى إنها ميزة Deep Learning Super Sampling التي تسمح للعبة بالعرض بدقة أقل بدون AA ، ثم يرث Tensor الأساسي الإطار ويؤثر عليه ، مع تنعيم للحصول على دقة أعلى.

في الختام ، تدخلت الأسماء الكبيرة في صناعة العرض في تتبع الأشعة مثل Epic و UE و Unity 3D و EA Frostbite. حتى أن Microsoft أنشأت DirectX Ray خصيصًا لتتبع الأشعة. مع RTX ، يعد هذا حقًا قفزة كبيرة في صناعة رسومات الكمبيوتر ، بالطبع لا يزال غير مكتمل وخلال السنوات العشر القادمة لتكون قادرًا على طرح RTX 2080 Ti في السوق باعتباره الاتجاه السائد تمامًا. ربما.

تقنية Ray Tracing على أحدث بطاقات الرسومات من NVIDIA

تدور تقنية الرسومات الحالية من NVIDIA والصناعة بأكملها تقريبًا حول محاكاة الضوء وسلوك الضوء في مشهد معين ، بطريقة أبسط ، تسمى Rasterization. مثل الدهانات التي يرسمها الرسام ، يتم تجسيد الكائنات طبقة تلو الأخرى ، من الخلف إلى الأمام ، لذا فإن الكائنات الموجودة في المقدمة ستحجب الكائنات في الخلفية.

عرض الفرق بين خطوط المسح التقليدية (يسار) وتتبع الشعاع (يمين).

ومع ذلك ، سيكون هذا النهج صعبًا عند عرض الانعكاس ، لأن تقنية خطوط المسح لن تكون قادرة على تتبع الضوء وتقديمه. غالبًا ما يتم استخدامه في مشاهد الوقت الفعلي لأن الأجهزة الحالية ليست كافية لمحاكاة حركة المشاهد المعقدة ، على سبيل المثال في ألعاب الفيديو أو الرسوم المتحركة ثلاثية الأبعاد.

وفي الوقت نفسه ، يعيد تتبع الأشعة بناء سلوك الضوء عندما يصطدم بالأسطح والمواد والأشياء المتحركة.

يمكن عرض الضوء أثناء مروره عبر مشهد وجعله أكثر تعقيدًا. باستخدام تتبع الشعاع ، يمكنك محاكاة كيفية تفاعل أشعة الضوء مع الكائنات ، وإنشاء انعكاسات واقعية وانكسارات وتأثيرات تشتت في الوقت الفعلي. يمكن لتتبع الشعاع اكتشاف وعرض المنكسرات والعاكسات وتصور مصدر الضوء في المشهد وحتى لون الضوء بعد مروره عبر الموضوع.

في الواقع ، تم استخدام هذه التقنية في الممارسة العملية ، مع أفلام مثل Pixar's Monsters University و Marvel's Iron Man. ولكن كان ذلك عندما تم استخدامه من قبل المستخدمين المحترفين ، ولكن الآن تم تقديمه إلى عامة المستخدمين - وهو أمر كان مستحيلًا من قبل.

هذا يستحق أن يسمى إنجازًا من NVIDIA لأن تتبع الأشعة يتطلب قدرًا هائلاً من قوة الحوسبة. قال Jensen Huang ، الرئيس التنفيذي لشركة NVIDIA ، إن هذه كانت "أكبر قفزة حققناها على الإطلاق في جيل (بطاقات GPU)."

تتمثل طريقة NVIDIA في حل المشكلة في استخدام بنية Turing الجديدة في وحدات معالجة الرسومات التي تم إصدارها حديثًا. تم تصميم هذه البنية لحل مشكلة المعالجة. تم تجهيز نوى تتبع الأشعة المخصصة أيضًا بـ Tensor Cores ، والتي يمكنها استخدام الذكاء الاصطناعي لاستنتاج جزء "الوقت الفعلي" من الصورة - المشكلة الأكثر كثافة من الناحية الحسابية في هذه التقنية. لذا فإن وحدات معالجة الرسومات قادرة على محاكاة 6x أسرع من منصة Pascal السابقة (على GTX 1080Ti).

إنها حقًا قفزة هائلة في تقنية الرسومات ومن المثير التفكير في أن الاستوديوهات والأفراد سيكونون الآن قادرين على توسيع استخدام تقنية تتبع الأشعة هذه إلى التطبيقات في الرسوم المتحركة والألعاب العلمية والمحاكاة.

نأمل أن تكون تقنية Ray Tracing أكثر تطورًا ، ثم سنختبر جودة صورة أكثر جمالًا ، ولكن في الوقت الحالي يصعب عليك تجربة Ray Tracing للمستخدمين الآخرين.الألعاب الرهيبة لأنها تتطلب برامج ضخمة. إذا كنت بحاجة إلى نصيحة بشأن تكوين ألعاب Ray Tracing ، فيرجى الاتصال بـ WebTech360 .

تم توليفها من: Genk.vn