Işın İzleme ve Rasterleştirilmiş Görüntü Oluşturma - Açıklandı

Nvidia’nın Turing GPU ailesinin 2018’de piyasaya sürülmesinin ardından, oyun dünyası "Işın İzleme" olarak bilinen bir özellik hakkındaki tartışmalarda katlanarak bir artış gördü. Nvidia’nın o zamanlar yepyeni "RTX" serisi grafik kartları, oyunlarda "Gerçek Zamanlı Işın İzleme" adı verilen bir şeyi destekledi. Çoğu insan bu yeni özelliğin ne olduğundan ve neden Nvidia tarafından bu kadar yoğun bir şekilde zorlandığından emin değildi, ancak aynı anda hem heyecanlı hem de teknolojiyle ilgileniyorlardı. Ray Tracing, Nvidia'ya göre o kadar büyük bir noktaydı ki, piyasaya sürdükleri ürünlerin adına bunu doğru bir şekilde koymayı gerekli gördüler. Yeni GeForce "RTX" serisi kartlar, Nvidia'nın genellikle yayınladığı 60,70,80 ve -80Ti SKU'lar gibi en iyi SKU'lara geldiğinde eski "GTX" çeşitlerinin yerini aldı.

Nvidia’nın RTX 2000 serisi grafik kartları, oyunlarda Işın İzleme desteğini etkinleştiren çeşitli donanım değişikliklerini beraberinde getirdi. Yeni Turing tabanlı grafik kartları, bu sürece adanmış ve RT Çekirdekleri olarak bilinen özel çekirdeklerle doluydu. RT çekirdeklerinin amacı, oyunlarda gerçek zamanlı Işın İzlemeyi mümkün kılmak için gerekli olan tüm grafik hesaplamaları özel olarak ele almaktı. Nvidia ayrıca kartların ham gücünü artırmak için kartları ekstra CUDA çekirdekleriyle tamamlarken, Tensor Çekirdekleri olarak bilinen yeni bir çekirdek seti de ekledi. Bu çekirdekler, Derin Öğrenme Süper Örneklemesi olarak bilinen yeni bir ölçeklendirme tekniği gibi derin öğrenmeye ve AI uygulamalarına yardımcı olmayı amaçlıyordu. Yapay zeka destekli yükseltme tekniği hakkında daha fazla bilgi edinebileceğiniz bu makalede, Derin Öğrenme Süper Örneklemesini veya DLSS'yi ayrıntılı olarak tartıştık.

Işın İzleme Yeni Değil

İlk bakışta Ray Tracing, Nvidia'nın öncülüğünü yaptığı yeni bir teknoloji gibi görünse de, gerçek aslında bundan çok uzak. Evet, Nvidia, oyunlarda gerçek zamanlı Işın İzleme için destek uygulayan ilk şirketti, ancak bu, Ray Tracing'in RTX serisinden önce var olmadığı anlamına gelmez. CGI Efektleri içeren yeni bir film izlediyseniz, muhtemelen yıllardır bilmeden keyif alıyorsunuzdur.

Filmlerdeki uygulama kuşkusuz oyun versiyonundan biraz farklı ve çok daha yoğun. Büyük bütçeli prodüksiyonlar, bu sahneleri oluşturmak için büyük miktarda para ve zaman harcayabilme lüksüne sahiptir. Popüler animasyon filmlerinin bir ay boyunca tüm filmi Işın İzleme efektleriyle işlemek için yaklaşık 1000 süper bilgisayar kullandığı bildirildi. Bu tür büyük ölçekli işleme süreçleri, bazı oyunları güncellenmiş görsellerle oynamak isteyen ortalama bir oyuncu için elbette uygulanabilir veya mümkün değildir, bu nedenle modern oyunlarda bulunan Işın İzleme sürümü uygulamada biraz farklıdır. Yine de, Ray Tracing, filmlerin en öne çıkanlarından biri olduğu, oyun dışındaki birçok prodüksiyon alanında mevcut olan bir özelliktir.

Profesyoneller tarafından Blender gibi grafik olarak yoğun sahnelerde çalışmak için kullanılan üretkenlik yazılımları da Işın İzleme özelliklerini destekler. Bu bilgisayar grafikleri ve oluşturma yazılımı, hareketsiz işlemelerde ve 3B animasyonlarda fotogerçekçi görseller üretmek için farklı ışın izleme uygulamaları düzeylerini kullanır.

Rasterleştirme nedir?

Öyleyse neden bu kadar karmaşık bir süreci geleneksel oyunlara uygulamak Nvidia tarafından gerekli görüldü? Oyunlarda Işın İzleme sürecinde, onu iş yükü için daha optimize hale getirmek için herhangi bir fark var mı? Işın İzlemenin arkasındaki mekanizmayı anlamak için önce oyunların geleneksel olarak işlendiği mekanizmayı anlamamız gerekir. Bu, Işın İzleme'nin neden bir gelişme ve grafiksel doğrulukta ileriye doğru büyük bir sıçrama olarak kabul edildiğini anlamamıza yardımcı olacaktır.

Şu anda oluşturma için kullanılan teknik "Rasterleştirme" olarak bilinir. Bu teknikte, oyun kodu GPU'yu poligonları kullanarak bir 3B sahne çizmeye yönlendirir. Bu 2B şekiller (çoğunlukla üçgenler), ekranda görüntülenen görsel öğelerin çoğunu oluşturur. Bir sahne çizildikten sonra, ayrı piksellere çevrilir veya "rasterleştirilir" ve daha sonra özel bir gölgelendirici tarafından işlenir. Gölgelendirici, tam olarak işlenmiş bir çerçeve oluşturmak için piksel başına temelde renkler, dokular ve ışık efektleri ekler. Oyunlarda 30FPS veya 60FPS görseller üretmek için bu tekniğin saniyede 30-60 kez tekrarlanması gerekiyor.

Rasterleştirme Sınırlamaları

Rasterleştirme, bir süredir oyunlarda varsayılan oluşturma modu olsa da, rasterleştirmenin arkasındaki doğal sürecin bazı sınırlamaları vardır. Rasterleştirme ile ilgili temel sorun, bu tekniğin bir sahnedeki ışığın tam olarak nasıl hareket etmesi ve sahnenin diğer öğeleriyle nasıl etkileşime girmesi gerektiğini izlemekte zorlanmasıdır. Rasterleştirilmiş işleme, belirli bir sahnenin aydınlatma efektleri ve genel aydınlatması söz konusu olduğunda Işın İzlemeli oluşturma ile aynı sonuçları vermez. Rasterleştirilmiş renderleme bazen ışıklandırmayla ilgili olarak bir şekilde hatalı görseller üretebilir ve bu da belirli bir oyundaki sürükleyiciliğe gerçekten zarar verebilir. Bu nedenle Işın İzleme, özellikle ışıklandırmayla ilgili grafik doğruluğu söz konusu olduğunda üstün bir işleme biçimi olarak kabul edilir.

Işın İzleme tam olarak nedir?

Artık geleneksel rasterleştirilmiş oluşturma biçimini tartıştığımıza göre, modern oyunlarda gerçek zamanlı Işın İzlemenin yeni uygulamasını tartışalım. Işın İzleme, sanal ışığa ve bu ışık kaynağının sanal sahne içindeki tüm nesnelerle nasıl etkileşime girdiğine dayalı bir görüntü oluşturan bir işleme tekniğidir. Işın İzleme, bir gerçekçilik hissi vermek için sahnenin içindeki nesnelerle ışığın etkileşiminden yararlanan sahnelerin çok daha gerçekçi bir tasvirini oluşturabilir. Basit bir deyişle, Ray Tracing, ışığın video oyunlarında gerçek hayatta olduğu gibi davranmasını sağlayan bir tekniktir.

Işın İzleme arkasındaki mekanizma

Oyunlarda Işın İzleme arkasındaki mekanizma, filmler gibi diğer endüstrilerde zaten bulunan diğer Işın İzleme biçimlerinden doğal olarak farklıdır. Tüketici sınıfı ışın izleme, her bir ışık kaynağından gelen milyonlarca ışının tamamını izlemek yerine, kameradan kullanıcının bakış açısını temsil eden bir yolu tek bir piksel aracılığıyla ve ardından arkasındaki nesneye doğru izleyerek hesaplama yükünü azaltır. piksel ve ardından söz konusu sahnenin ışık kaynağına geri dönün. Bu Işın İzleme tekniği, sahnedeki ışıkla etkileşime giren nesne tarafından belirlenen ışığın soğurulması, yansıması, kırılması ve yayılması gibi çoklu efektler de üretebilir. Işın İzleme algoritması, ortaya çıkan ışınları da hesaba katarak herhangi bir yansıma efektinin veya gölgelerin doğru bir şekilde görüntülenmesini sağlayabilir.

Işın İzleme'nin farklı biçimleri

Işın İzleme'nin tüm uygulamaları aynı değildir. Işın İzlemeyi destekleyen oyunların her biri, özelliği biraz farklı bir şekilde uygular. Oyundaki Ray Tracing'in karmaşıklığını artırmak veya azaltmak, oyunun mükemmel performans ve görsel kalite dengesini sağlaması için oyunun geliştiricisine bağlıdır. 2020 itibariyle, Işın İzlemeyi destekleyen oyunların çoğu, tüm sahneyi Işın İzleme kullanarak oluşturmanın aksine, genellikle bir sahnenin yalnızca bir yönü için Işın İzlemeyi kullanır. Mümkün, ancak tam sahneli Işın İzleme'nin hesaplama maliyetleri diğer yaklaşımlarla karşılaştırıldığında astronomiktir ve bu nedenle en azından şu anda çabaya değmez. Yazım tarihi itibariyle, şu anda oyunlarda kullanılmakta olan farklı Işın İzleme uygulamaları şunlardır:

• Gölgeler: En basit ve en az yoğun Işın İzleme uygulaması muhtemelen gölgelerle ilgilidir. Burada, Işın İzleme, ışık kaynağından gelen ışığın kaynağına ve nesnenin kendi konumuna göre bir sahnedeki gölgeleri mükemmel şekilde oluşturmak için kullanılır. Bu teknik, en çok “Shadow of the Tomb Raider” da, gölgeleri üreten nesnelerin etrafındaki ortamdaki değişikliklere yanıt veren daha ayrıntılı bir gölge haritası oluşturmak için kullanılır. En önemlisi, ışık kaynağının hareketi ve açısı artık gerçek hayatta gözlemlediğimiz gibi ortaya çıkan gölgelerde aynı değişikliklere maruz kalabilir.
• Yansımalar: Yansımalar, Işın İzleme kullanarak render etmek için biraz daha hesaplama açısından daha yoğundur, ancak Işın İzlemeli yansımalar modern oyunlarda olağanüstü görünür ve muhtemelen Işın İzleme kullanılarak elde edilebilecek en dikkate değer grafiksel iyileştirmedir. Yansımalar, cam ve su gibi yansıtıcı nesnelerden gelen yansımaları doğru bir şekilde oluşturmak için bir sahnedeki ışığın kaynağını kullanır. Işın İzlemeli yansımaları kullanan en popüler oyunlardan biri "Kontrol" dür.
• Çevresel perdeleme: Bu aynı zamanda gölgelerle de ilgilidir ve aşağı yukarı aynı temel sürece bağlıdır. Ortam Kapatma, bir sahnedeki nesnelerin konumuna ve yerleşimine bağlı olarak gölgelerin açısını ve yoğunluğunu tahmin etmek için Işın İzlemeyi kullanır. Doğru yapıldığında, Ambient Occlusion, oyuna bazı şaşırtıcı ayrıntılar ve gerçekçilik katabilir.
• Küresel aydınlatma: Modern oyunlarda muhtemelen hesaplama açısından en yoğun Işın İzleme uygulaması olan Global Illumination, dünya aydınlatmasını doğru bir şekilde tasvir etmek için Işın İzlemeyi kullanır. Bu, açıldığında çok daha gerçekçi bir aydınlatma hissi sağlar, ancak aynı zamanda işlenen çok miktarda veri nedeniyle performansta büyük bir etkiye sahiptir. “Metro Exodus”, Küresel Aydınlatmanın çok daha gerçekçi bir biçimini sağlamak için Işın İzlemeyi kullanır.
• Tam Yol İzleme: Son olarak, tamamen izlenen bazı oyunların da ortaya çıktığını görüyoruz, bu da aslında her şeyin Ray Traced olduğu anlamına geliyor. Şimdi kabul edersek, bu oyunlar, büyük şirketlerin aşağı yukarı AAA oyunları olan diğer oyunlardan biraz daha basit ve daha küçüktür, ancak bu etkileyici görünmedikleri anlamına gelmez. Aslında, bazıları tam yol izlemeli bu oyunların diğer tüm Işın İzleme uygulamalarından daha iyi göründüğünü iddia edebilir. "Minecraft RTX" ve "Quake RTX", yazı yazılırken tamamen izlenen oyunlardan ikisi.

Işın İzleme için neye ihtiyacım var?

Daha önce de belirtildiği gibi, Işın İzleme, hesaplama açısından çok yoğun bir görevdir, bu nedenle iyi performans göstermesi için kesinlikle üst düzey donanım gerektirir. Yazım sırasında, hem AMD hem de Nvidia'dan donanım hızlandırmalı Işın İzlemeyi destekleyen birkaç grafik kartı var. Sony ve Microsoft'un konsolları bile bu özelliği destekliyor. Bu, desteklenen donanımların listesini biraz genişletir:

• Nvidia GeForce RTX 2000 serisi
• Nvidia GeForce RTX 3000 serisi
• AMD Radeon RX 6000 serisi
• Microsoft Xbox Series X
• Sony PlayStation 5

AMD, Ray Tracing'i Nvidia'dan biraz farklı bir şekilde ele alırsa, Ray Tracing için AMD kartlarını kullandığınızda gözlenen biraz daha büyük bir performans cezası olduğunu unutmayın. Ayrıca, Derin Öğrenme Süper Örneklemesini kullanarak gelişmiş performansı deneyimlemek istiyorsanız, bu özellik yalnızca Nvidia’nın RTX kartlarında da mevcuttur. AMD'nin RX 6000 serisi kartları için DLSS benzeri bir özellik üzerinde çalıştığı varsayılıyor, ancak şu anda yazım aşamasında hala geliştirme aşamasındadır.

Nvidia, kullanıcılara RTX Grafik Kartlarının göreceli Işın İzleme yetenekleri hakkında bir fikir vermek için "Giga Rays" terimini de kullandı. Nvidia, bir video oyun ortamındaki tipik bir odayı tam olarak aydınlatmak için ideal olarak gereken minimum sanal ışık miktarının saniyede 5 Giga Ray olduğunu söylüyor. GeForce RTX 2070, 5 Giga Işınları / saniye sunarken, RTX 2080 saniyede 8 Giga Işınları sunar. RTX 2080Ti, devasa bir 10 Giga Işın / saniye sunar. Biraz keyfi bir birim olsa da, genel olarak yalnızca göreceli performans beklentilerini göstermek için kullanılmalıdır.

Performans Kaybı ve DLSS

Şimdiye kadar açıkça görüldüğü gibi, Işın İzleme'nin en büyük dezavantajı, işlem sırasında yapılması gereken büyük miktarda özel hesaplama nedeniyle performansın düşmesidir. Bazı oyunlarda, performans vuruşu o kadar büyüktür ki, oyunu artık oynanabilir olarak kabul edilmeyen bir kare hızına taşıyabilir. Yansımalar, Global Aydınlatma veya Tam Yol İzleme gibi daha karmaşık Işın İzleme uygulamalarını kullanan oyunlarda performans artışı daha da büyüktür.

Tabii ki, Nvidia bu performans cezası durumunu düşündü ve ayrıca Derin Öğrenme Süper Örnekleme olarak bilinen yeni bir telafi tekniği geliştirdi. DLSS adı verilen bu teknik, 2018'de Nvidia'nın RTX 2000 serisiyle birlikte piyasaya sürüldü. Bu makalede DLSS'yi ayrıntılı olarak inceledik, ancak bu teknolojinin özü, görüntüyü daha düşük bir çözünürlükte işlemek ve ardından akıllıca ve metodik olarak görüntüyü yükseltmektir. yerel işlemeye göre çok daha üstün performans sağlamak için çıktı çözünürlüğünü eşleştirmek için. DLSS, Işın İzleme performans kaybı için mükemmel bir telafi mekanizmasıdır, ancak daha yüksek kare hızları ve çok daha iyi bir deneyim sağlamak için Işın İzleme olmadan da kullanılabilir.

DLSS'nin en büyük avantajı, görüntüyü yükseltmek için Derin Öğrenme ve AI kullanmasıdır, böylece yerel ve yükseltilmiş görüntü arasında çok az veya hiç görsel netlik farkı olmaz. Nvidia, DLSS sürecini hızlandırmak için RTX serisi kartlarında Tensor çekirdeklerini kullanır, böylece bu yükseltme hesaplaması işlenmekte olan oyunun hızında yapılabilir. Bu, daha da gelişmesini ve şimdi olduğundan daha iyi hale geldiğini görmek istediğimiz gerçekten heyecan verici bir teknolojidir.

Işın İzlemenin Geleceği

Oyunlarda Ray Tracing daha yeni başlıyor ve kesinlikle burada kalacağını söyleyebiliriz. AMD yeni yayınladı RX 6000 serisi ile tam gerçek zamanlı Işın İzlemeyi destekleyen ilk kart dizisiPlayStation 5 ve Xbox Series X'in de Işın İzleme desteği var. Üstesinden gelinmesi gereken mevcut engeller arasında performans kaybı ve onu destekleyen oyun sayısının az olması yer alıyor. Yazma sırasında Ray Tracing'i destekleyen mevcut oyunlar şunları içerir:

• Kötülüğün ortasında
• Battlefield V
• Parlak Bellek
• Call of Duty: Modern Warfare (2019)
• Call of Duty: Black Ops Soğuk Savaş
• Kontrol
• Crysis Remastered
• Bize Ayı Ver
• Fortnite
• Ghostrunner
• Adalet
• Mechwarrior V: Paralı Askerler
• Metro Exodus
• Minecraft
• Ayışığı Kılıcı
• Balkabağı Jack
• Quake II RTX
• Tomb Raider'in Gölgesi
• Işıkta Kalın
• Watch Dogs Legion
• Wolfenstein: Youngblood

Bu arada Nvidia, aşağıdaki oyunların da yayınlandıktan sonra Ray Tracing'i destekleyeceğini doğruladı:

• Atomik Kalp
• Cyberpunk 2077 (başlatma)
• Ölen Işık 2
• Doom Eternal
• Kayıtlı (Kasım kapalı beta)
• JX3
• Mortal Shell (Kasım)
• Gözlemci: System Redux
• Hazır veya Değil (erken erişim başlatma)
• Ring of Elysium (başlatma)
• Senkronize: Gezegen Dışı
• Witcher III
• Vampir: Maskeli Balo - Bloodlines 2
• World Of Warcraft: Shadowlands (Kasım)
• Xuan-Yuan Sword VII (fırlatma)

Bunlar pek çok oyun gibi görünmese de, baskın işleme biçiminin çok iyi bir şekilde Işın İzleme olabileceği bir yöne doğru bir başlangıcı temsil eder. Şimdi, performans söz konusu olduğunda, Ray Tracing'den gelen performansın biraz düşüp düşmeyeceğini tahmin etmek gerçekten zor. Bununla birlikte, beklemek mantıklı olan şey, DLSS'nin daha iyi hale gelmesi ve Işın İzlemeyi açarak ortaya çıkan performans kaybı için yeterli tazminat sunmasıdır. Yazım tarihi itibariyle, DLSS'yi destekleyen oyunların listesi hiçbir şekilde kapsamlı değil, ancak Nvidia'nın önümüzdeki birkaç oyun için de DLSS desteğini duyurduğunu akılda tutmak iyi bir başlangıç. Şu anda Derin Öğrenme Süper Örneklemesini destekleyen tüm oyunlar şunlardır:

• Marş
• Battlefield V
• Parlak Bellek
• Call of Duty: Black Ops Soğuk Savaş
• Kontrol
• Death Stranding
• Bize Ayı Ver
• F1 2020
• Final Fantasy XV
• Fortnite
• Ghostrunner
• Adalet
• Marvel’ın Yenilmezleri
• Mechwarrior V: Paralı Askerler
• Metro Exodus
• Minecraft
• Canavar Avcısı: Dünya
• Tomb Raider'in Gölgesi
• Watch Dogs Legion
• Wolfenstein Youngblood

Fark etmiş olabileceğiniz gibi, DLSS'yi destekleyen oyunların çoğu, bir çeşit Ray Tracing desteğine de sahip olan oyunlar. Bu, DLSS'nin esas olarak Işın İzleme'deki muazzam performans kaybını hafifletmek için bir telafi teknolojisi olarak geliştirildiği ve piyasaya sürüldüğü teorisine daha fazla doğrulama sağlar. Nvidia, Nvidia GPU'larının içindeki Tensor çekirdeklerinin izlediği algoritmayı eğiten karmaşık hesaplamaları gerçekleştirmek için bir süper bilgisayar kullandığını açıkladığından, DLSS gerçekten etkileyici bir teknolojidir. Ray Tracing gibi, DLSS'nin de daha fazla oyuna gelmesi bekleniyor:

• Kötülüğün ortasında
• Atomik Kalp
• Sınır
• Cyberpunk 2077 (başlatma)
• Edge Of Eternity (Kasım)
• JX3
• Mortal Shell (Kasım)
• Mount & Blade II Bannerlord (Kasım)
• Hazır veya Değil (erken erişim başlatma)
• Çöpçüler
• Vampir: Maskeli Balo - Bloodlines 2
• Xuan-Yuan Sword VII (fırlatma)

DLSS, Ray Tracing ile birleştiğinde 2020 itibariyle oyun endüstrisinin geleceği gibi görünüyor.

Sonuç

Rasterleştirme, uzun süredir oyunlarda 2D çokgen düzlemini ekranda 3D görüntüye dönüştürmek için kullanılan tekniktir. 2018'de Nvidia, bir sahnedeki ışık ışınlarını izlemek için karmaşık hesaplamalar kullanan ve ışığın nasıl etkileşime gireceğinin doğru tasvirlerini oluşturmak için karmaşık hesaplamalar kullanan bir teknik olan oyunlarda gerçek zamanlı Işın İzleme için tam destek sağlayan RTX 2000 serisi grafik kartlarını tanıttı bir sahnedeki nesneler. Bu, oyun dünyasını beklenmedik bir fırtınaya sürükledi ve tüm endüstri, Ray Tracing'i ileriye dönük birincil odak noktası olarak koydu.

Yazma sırasında, Nvidia, Ray Tracing performansını daha da artıran başka bir nesil grafik kartı yayınlarken, hem AMD hem de konsollar da bu özellik için tam destek açıkladı. Nvidia ayrıca, Işın İzleme nedeniyle performans kaybını telafi etmek için daha düşük bir çözünürlükte oluşturulan görüntüyü akıllıca yükseltmek için Yapay Zeka ve Derin Öğrenme kullanan Derin Öğrenme Süper Örnekleme tekniğini de geliştirdi.

Görünüşe göre Işın İzleme burada kalacak ve özelliği destekleyen ilk başlık sayısı genişlemese de, ileriye dönük gerçek zamanlı Işın İzleme için tam desteğe sahip olan daha fazla başlık duyuruluyor. Gelecek oyunlarında Işın İzleme özelliklerini ince ayar yapmak ve bu özelliği destekleyen oyunların sayısını artırmak artık geliştiricilere kalmıştır. Nvidia ve AMD ayrıca, oyuncuların Ray Tracing'i açmak istediklerinde yıkıcı bir performans kaybı yaşamaları için donanımlarını bu özellik için optimize etme sorumluluğuna da sahipler.