Może trudno w to uwierzyć, ale Ray Tracing w grach towarzyszy nam już od prawie 5 lat. I choć wielu wieściło na początku, że technologia ta się nie przyjmie i dołączy do wielu innych rewolucyjnych, ale zapomnianych rozwiązań, tak się nie stało. Śmiało można powiedzieć, że nabiera coraz większego rozpędu i znaczenia. Zapraszam was na odrobinę sentymentalną podróż w czasie. Sprawdzimy, jak różnią się od siebie gry, które jako pierwsze implementowały śledzenie promieni na przestrzeni ostatnich lat.
Jak dziś pamiętam jakie wrażenie zrobiła na mnie prezentacja NVIDII w 2018 roku zapowiadająca nadejście nowej ery. Ray Tracing w końcu miał trafić do gier i być realizowany w czasie rzeczywistym. Zaprezentowane wtedy demo technologiczne nawet dziś, po tylu latach, wciąż imponuje swoją oprawą graficzną. Tak, mam na myśli ten kilkudziesięciosekundowy film prezentujący odbicia na zbrojach w świecie Gwiezdnych wojen.
Szybko okazało się, że to wcale nie jest wcześniej przygotowana animacja, a renderowany w czasie rzeczywistym obraz na silniku Unreal Engine. Czy tak będą wyglądały gry przyszłości? Dziś z perspektywy czasu wiemy, że adaptacja tej technologi nie obyła się bez pewnych problemów. Jak zatem wyglądała historia śledzenia promieni w grach?
Co to jest Ray Tracing?
Zanim jednak przejdziemy do omawiania zmian w tytułach, które debiutowały przez ostatnie lata, wyjaśnimy pokrótce, czym w ogóle jest technika śledzenia promieni. Po części definicją całego procesu jest jego nazwa. Ray Tracing to technika renderowania obrazu wykorzystująca zasady rzeczywistych procesów fizycznych. W prawdziwym życiu źródła światła emitują miliardy promieni, które są załamywane, odbijane, nakładane na siebie, mieszane z innymi i to często, zanim cokolwiek zauważą nasze oczy. Najlepszym sposobem na oświetlenie scen czy to w filmie, czy w grach komputerowych jest po prostu skopiowanie zachowania światła. Sam Ray Tracing nie jest też nową koncepcją. Już pod koniec lat sześćdziesiątych naukowcy zaprezentowali pierwszy algorytm, któremu udało się dokonać wszystkich obliczeń. Nie oznacza to jednak, że proces wprowadzenia RT jest prosty. Wymaga sporej mocy obliczeniowej i to właśnie z tego względu do niedawna był używany tylko w przemyśle filmowym.
Dziś mówiąc o Ray Tracingu w grach tak naprawdę mówimy o czterech zastosowaniach. Opcje śledzenia promieni mogą zostać wykorzystane do generowania cieni, odbić, globalnego oświetlania czy okluzji otoczenia. By było to możliwe, producenci kart graficznych musieli jednak stworzyć specjalne jednostki obliczeniowe odpowiedzialne za wszystkie te obliczenia. Bez nich, dalej doświadczalibyśmy tylko sprytnych sztuczek w grach, imitujących realne oświetlenie.
Walka o czysty obraz i wydajność
Niestety jak każda technologia również Ray Tracing ma swoje wady. Generowany obraz przez nasze karty graficzne na obecnym etapie jest bardzo zanieczyszczony, ziarnisty. By to wyeliminować, potrzebne jest stosowanie specjalnych denoiserów (odszumiaczy). To właśnie przez to doświadczamy spadku wydajności w grach po włączeniu opcji śledzenia promieni.
Sposobów na rozwiązanie tego problemu jest kilka. Jednak NVIDIA, którą przez ostatnie lata można nazwać liderem rozwoju RT na rynku gier, postawiła na metodę sprzętową. To w tym celu zostały właśnie zaprezentowane jednostki Tensor. Te specjalne rdzenie obliczeniowe zostały zaprojektowane z myślą o obsłudze operacji związanych z algorytmami głębokiego uczenia maszynowego (deep learning). Nie ma się zatem co dziwić, że to właśnie tym jednostkom powierzono rolę prowadzenia obliczeń służących odszumianiu obrazu.
O ile jakość obrazu można było uznać za odpowiednią, dalej pozostawała kwestia wydajności. Omawiając Ray Tracing nie można nie wspomnieć również o technologiach Super Samplingu. Po raz kolejny to NVIDIA zaprezentowała jako pierwsza rozwiązanie znacząco usprawniające płynność rozgrywki. Mowa oczywiście o DLSS.
Czym jest Deep Learning Super Sampling? W dużym uproszczeniu jest to technologia skalowania obrazu opracowana przez firmę NVIDIA. Sprawia ona, że obraz, który jest wyświetlany na naszym ekranie, tak naprawdę jest renderowany w niższej rozdzielczości, a zanim trafi na nasz monitor, przechodzi proces podbicia jakości. Technologia NVIDII jest w stanie dodać nawet więcej szczegółów niż natywnie renderowany obraz, zapewniając jednocześnie znaczny wzrost średniej liczby generowanych klatek na sekundę. By było to możliwe, „zieloni” przygotowali specjalne algorytmy, wykorzystujące uczenie maszynowe, w celu poprawy jakości obrazu. Jak łatwo się domyślić za cały proces obliczeń i generowanie obrazu po włączeniu DLSS odpowiadają rdzenie tensor.
Wiemy już jak działa Ray Tracing, zanim jednak omówimy zmiany, jakie zaszły w grach w ciągu ostatnich lat, musimy wyposażyć naszą redakcyjną platformę testową w odpowiednio wydajną kartę graficzną.
Gigabyte RTX 4080 Gaming OC
Chcąc uniknąć problemów z wydajnością, oraz by móc przeprowadzić testy w rozdzielczości 4K wybór był raczej ograniczony. Postawiłem na RTX 4080. Tak oto w moje ręce trafiła karta od Gigabyte w wersji Gaming OC. Sporej wielkości opakowanie, w którym dostarczana jest karta, niewiele różni się wizualnie od choćby niedawno testowanego GeForce RTX 4070 Super od tego samego producenta. W środku znajdziemy adapter do zasilania 12VHPWR oraz podporę dla gniazda PCIe.
Pierwsze, co rzuca się w oczy po wyjęciu karty z pudełka, to wielkość konstrukcji. Miałem już do czynienia z innymi modelami GeForce RTX 4080, jednak model od Gigabyte zaskoczył mnie swoimi gabarytami. Karta jest ogromna! Zajmuje w obudowie cztery sloty rozszerzeń (75 mm!), a jej długość i szerokość wynoszą odpowiednio 342,7 i 150 mm. Również waga (ponad 2 kg!) sugeruje, że producent na pewno nie oszczędzał na systemie chłodzenia.
Oczywiście konstrukcja radiatora to standardowy trójwentylatorowy system. Choć ich obudowa została wykonana z tworzywa sztucznego, to z tyłu znajdziemy dwukolorowy backplate. Ten jest zrobiony z metalu i — podobnie jak w większości nowych modeli kart graficznych — posiada wycięcia, które umożliwiają jednemu z wentylatorów swobodny przepływ powietrza. Dodatkowo model wyróżnia się zastosowanym podświetleniem stroboskopowym. Paski LED zostały umieszczone za wentylatorami oraz pod logiem producenta.
Karta Gigabyte, podobnie jak pozostali przedstawiciele serii Ada Lovelace, korzysta z 16-pionowego złącza zasilania. Producent również nie zdecydował się na zmianę w przypadku wyjść wideo i do dyspozycji mamy standardowy komplet składający się z trzech DisplayPortów oraz jednego HDMI 2.1
Z racji, że mówimy o podstawowym modelu RTX 4080, oznacza to, że na PCB został umieszczony rdzeń AD103-300-A1. Ten posiada 9728 jednostek obliczeniowych CUDA, 304 TMU oraz 112 ROP. Dodatkowo możemy liczyć na wsparcie 304 rdzeni tensor 4 generacji oraz 76 układów odpowiedzialnych za obliczenia związanych ze śledzeniem promieni.
Platforma testowa
- PROCESOR: AMD Ryzen 9 7950X
- PŁYTA GŁÓWNA: AsRock X670E Taichi
- RAM: G.Skill Trident Z5 Neo 32 GB 6000 CL30
- DYSK: Goodram IRDM 1TB PRO, Kingston Fury Renegade 2 TB
- ZASILACZ: be quiet! Dark Power PRO 12 1500 W 80+ Titatnium
- CHŁODZENIE: Custom LC 360 mm Dual RAD
Rozwój Ray Tracingu w grach
Można powiedzieć, że przed rokiem 2018 gry opierały się głównie na bezpośredniej rasteryzacji do generowania trójwymiarowego obrazu. Wraz z postępującym wzrostem mocy naszych komputerów na przestrzeni lat zaczęto wdrażać różne techniki symulujące oświetlenie oraz efekty odbić. Najczęściej stosowano starannie przygotowane tekstury, mapy dla shaderów lub po prostu obrazy generowane podwójnie, ale w niższej jakości. To jednak w żaden sposób nie odzwierciedlało rzeczywistości i tego, co doświadczamy na co dzień. Która zatem gra jako pierwsza wprowadziła Ray Tracing?
Battlefield V
Tak, to tytuł od Electronic Arts i studia DICE był pierwszym, który wprowadził opcje śledzenia promieni. Musimy jednak zdać sobie sprawę, że sama implementacja technologii DirectX Raytracing (DXR), była dość mocno ograniczona. Deweloper zdawał sobie sprawę z dużego wpływu na wydajność. Dodatkowo w tamtym okresie dopiero co debiutowały pierwsze karty obsługujące śledzenie promieni. Mowa oczywiście o RTX serii 2000. Jakich zatem efektów RT mogliśmy doświadczyć w piątej odsłonie Battlefield? Gra ograniczała się wyłącznie do odbić. Te mogliśmy zaobserwować na broni, jak i na otoczeniu np. kałużach.
Jak już wspominałem nawet tak ograniczone opcje Ray Tracingu powodowały znaczący spadek wydajności. Jak po latach dziś prezentuje się płynność rozgrywki w Battlefield V na sprzęcie o dwie generacje nowszym?
Niespodzianki nie będzie. Nawet w najwyższej rozdzielczości RTX 4080 jest w stanie zapewnić ponad 60 FPS. Jakby tego było mało, zawsze możemy skorzystać z opcji DLSS, który jest również dostępny.
Metro Exodus: Enhanced Edition
Kolejną grą, która dość sporo zmieniła, jeżeli chodzi o obsługę Ray Tracingu, była trzecia odsłona serii Metro. Exodus w podstawowej wersji wprowadzał jako pierwszy tytuł globalne oświetlenie wykorzystujące śledzenie promieni. Po niespełna dwóch latach od premiery doczekaliśmy się darmowej aktualizacji do edycji Enhanced Edition. Ta wprowadza sporo usprawnień. Dodano obsługę DLSS 2.0 oraz przede wszystkim zaimplementowano jeszcze bardziej zaawansowane techniki Ray Tracingu. Nie tylko poprawiono globalne oświetlenie, dodając odbicia przez półprzezroczyste obiekty, ale i opcje generowania zaawansowanych cieni.
Mimo prawie 3 lat na karku gra dalej ma spore wymagania gdy korzystamy z maksymalnych ustawień graficznych. Dodatkowo tytuł obsługuje również biblioteki PhysX czy Hairworks by generowana grafika była jeszcze ładniejsza. Niestety wszystko to kosztem wydajności. Licząc na płynną rozgrywkę w ponad 60 FPS w rozdzielczości 4K, nawet w przypadku RTX 4080 musimy posiłkować się DLSS.
Control
Następnym rewolucyjnym tytułem, jeżeli chodzi o rozwój i implementację Ray Tracingu w grach był Control. Śmiało można powiedzieć, że studio Remedy odpowiedzialne za stworzenie tego dzieła z góry wiedziało, że opcje śledzenie promieni zostaną wykorzystane, by jeszcze bardziej podkreślić mroczny klimat. Dodatkowo Control to pierwsza gra, która wykorzystuje wszystkie możliwe opcje DXR. W tytule zarówno odbicia, odbicia przezroczyste, pośrednie oświetlenie rozproszone, cienie kontaktowe i zanieczyszczenia mogą być generowane przez algorytmy bazujące na Ray Tracingu. Dodatkowo podobnie jak w przypadku Metro, twórcy zdecydowali się dodać do gry również DLSS 2.0, który nie tylko wpływał na płynność rozgrywki, ale znacząco podbijał jakość wyświetlanego obrazu.
A jak Control działa dziś po sparowaniu z RTX 4080? Po raz kolejny, gdy liczymy na płynną rozgrywkę w rozdzielczości 4K musimy włączyć super sampling.
Watch Dogs: Legion
Na naszej liście tytułów obsługujących Ray Tracing nie mogło zabraknąć również Watch Dogs Legion. Wydany przez Ubisoft pod koniec 2020 roku tytuł podobnie jak omawiany wcześniej Control korzysta z wszystkich możliwych opcji, jeżeli chodzi o wykorzystanie technik śledzenia promieni. Ray Tracing odpowiada zatem za globalne oświetlenie, odbicia, cienie czy nawet okluzję otoczenia. Wszystko by generowany obraz był jak najbardziej realny.
Jak łatwo się domyślić włączenie wszystkich tych opcji odbija się znacząco na wydajności. Wystarczy wspomnieć, że Watch Dogs Legion jako jedna z pierwszych gier sugerowała konieczność stosowania DLSS, gdy liczymy na płynną rozgrywkę z włączonymi opcjami śledzenia promieni.
Cóż, jak widać nawet po ponad 3 latach, gra stawia spore wymagania kartom graficznym najnowszej generacji. Mimo wszystko RTX 4080 bez problemu zapewni nam ponad 60 klatek na sekundę zarówno w przypadku rozgrywki w Full HD jak i QHD. Dopiero przy rozdzielczości 4K będziemy musieli posiłkować się wsparciem DLSS 2.0.
Forza Horizon 5
Debiutująca w 2021 roku piąta odsłona Forzy Horizon musiała również otrzymać Ray Tracing. Dzięki temu udało się uzyskać niemal fotorealistyczną grafikę. Gra odbić i cieni na ścigających się samochodach po bezdrożach meksyku naprawdę robi piorunujące wrażenie. Tytuł jednak na początku otrzymał tylko obsługę DLSS 2.0. I choć wielu przewidywało, że nastąpi to szybciej, to dopiero w 2023 roku Playground Games zdecydowało się na aktualizację dodająca trzecią odsłonę super samplingu od NVIDII. Dla przypomnienia DLSS3 wprowadza tak zwany generator klatek. Oznacza to, że technologia NVIDII już nie ogranicza się wyłącznie do upscalowania obrazu, a jest w stanie samemu wygenerować pełne klatki.
Z racji, że w przypadku Forzy Horizon 5, twórcy skupili się wyłącznie na odbiciach i okluzji otoczenia wykorzystującej Ray Tracing wpływ na wydajność jest znacznie mniejszy niż w przypadku innych omawianych gier. Warto jednak zauważyć, że z RTX 4080 po włączeniu DLSS3 zyskujemy dodatkowe 40% więcej generowanych klatek.
Cyberpunk 2077: Phantom Liberty
Oczywiście na naszej liście nie mogło zabraknąć również naszego rodzimego tytułu od studia CD Projekt RED. Mowa oczywiście o Cyberpunku 2077. Gra debiutowała co prawda pod koniec 2020 roku, jednak w przeciągu ostatnich lat została wiele razy usprawniana. Już w pierwotnej wersji, tytuł dość mocno wykorzystywał Ray Tracing. Podobnie jak w przypadku Control czy Watch Dogsl Legion śledzenie promieni odpowiadało za generowanie cieni, odbić, globalnego oświetlenia czy okluzję otoczenia. Oczywiście deweloperzy stosowali pewne sztuczki, zważywszy na ilość obiektów, które znajdują się na ekranie. Tak naprawdę nie wszystkie cienie były generowane przez algorytmy Ray Tracingu. Mimo to tytuł, o ile dysponowaliśmy naprawdę mocnym komputerem, zachwycał oprawą wizualną.
Jak już wspominałem, przez ostanie lata Cyberpunk 2077 był wielokrotnie aktualizowany. Zważywszy jak duży nacisk położyli deweloperzy na opcje RT w grze, nie dziwi, że to właśnie tytuł od polskiego studia został wybrany jako jeden z pierwszych do zaprezentowania możliwości wspomnianego już generatora klatek i DLSS3.
Jak widzicie na powyższym wykresie, tylko dzięki temu możemy liczyć na płynną rozgrywkę na RTX 4080 w najwyższej rozdzielczości. A mówimy tutaj wyłącznie o predefiniowanym presecie RT Ultra. A jak przecież wiemy, to nie są najwyższe ustawienia, jakimi dysponuje Cyberpunk 2077.
W kwietniu ubiegłego roku zadebiutował patch dodający pełny Path Tracing. Oznacza to, że wspomniane sztuczki w przypadku generowania cieni, już nie będą stosowane, a za wyświetlany obraz w pełni odpowiada algorytm śledzenia promieni. Odbiło się to znacząco na wydajności. W tym miejscu, by nie przedłużać tego wpisu wspomnę, że Cyberpunk 2077 przy okazji premiery dodatku Phantom Libery otrzymał, również jako jedna z pierwszych gier, pełne wsparcie dla DLSS 3.5. NVIDIA po raz kolejny skoncentrowała się na poprawie jakości wyświetlanego obrazu, a nowe algorytmy skupiają się na jakości oświetlenia, w momencie, gdy korzystamy z super samplingu.
Rezultat testów przy najwyższych ustawieniach domyślnych był z góry do przewidzenia. RTX 4080 tylko dzięki włączonemu DLSS i generatorowi klatek jest w stanie zapewnić płynną rozgrywkę w ponad 60 FPS.
Alan Wake II
Ostatnią omawianą grą jest kolejny tytuł od Remedy. Gra debiutowała pod koniec 2023 roku. Nie dziwi, zatem że korzysta z najnowszych rozwiązań, jeżeli chodzi o opcje śledzenia promieni. Przypominam, że mamy tu do czynienia z produkcją z gatunku survival-horror, w którym to gra cieniami i oświetleniem jeszcze bardziej pogłębia mroczny klimat tytułu. Alan Wake II już od dnia premiery był zapowiadany jako tytuł, który otrzyma pełne wsparcie dla path tracingu i wspomnianego już DLSS 3.5. Jak łatwo się domyślić odbija się to znacząco na wymaganiach i z tego względu deweloperzy sugerują wyłącznie rozgrywkę z włączonymi opcjami super samplingu.
Nie powiem, gra wygląda bardzo ładnie, i identyczną opinię na jej temat wyraziłem podczas premierowych testów, gdzie sprawdzałem wydajność Alan Wake II na różnych kartach graficznych.
Cóż wnioski zostają podobne z wcześniejszymi testami. Gra dalej ma bardzo wysokie wymagania. Licząc na płynną rozgrywkę w rozdzielczości 4K nawet po włączeniu DLSS 3.5 na RTX 4080, zmuszeni jesteśmy przestawić jakość wyświetlanej grafiki o jedno “oczko” niżej. Mimo to gra dalej wygląda rewelacyjnie i nawet wpatrując się w ekran, trudno dostrzec różnice w oprawie wizualnej.
Jak wspominałem za nami już 5 lat rozwoju Ray Tracingu w grach. Obecnie trudno sobie wyobrazić by nagle technologia ta miała zostać zapomniana przez twórców cyfrowej rozrywki. Dziś niemal oczekujemy, że każdy premierowy tytuł będzie obsługiwał Ray Tracing. Co by nie mówić na pewno duża w tym zasługa NVIDII, która przez lata zajmowała pozycję lidera, jeżeli chodzi o rozwój, jak i wdrażanie technologii wspierających to rozwiązanie. To przecież dzięki chęci usprawnienia rozgrywki z włączonymi opcjami śledzenia promieni zawdzięczamy też powstanie DLSS, które obecnie napędza już ponad 500 gier.
Trudno uwierzyć, że w ciągu 5 lat przeszliśmy z etapu, gdzie nie wierzyliśmy, by Ray Tracing na komputerach osobistych był w ogóle możliwy do wdrożenia, do pełnego jego wykorzystania. Co przyniesie przyszłość? Obecnie trudno przewidzieć, choć patrząc na rozwój technologi śmiało można wskazać kierunek. Jest nim nie tylko hiperrealistyczna grafika, ale coraz większe wykorzystanie AI, w nadchodzących tytułach. Potencjał jest naprawdę ogromny, a zaprezentowane demo umożliwiające pełną interakcję z otoczeniem i NPC w grze za pomocą swobodnej rozmowy, na pewno rozpala wyobraźnie.
