Трассировка лучей и путей

Ни для кого не секрет, что со временем компьютерные игры стали все больше походить на реальный мир. Текстуры, отражения и освещения, персонажи и окружение – все это выглядит настоящим. Скриншот из игры уже практически невозможно отличить от реальной фотографии. А заслугой такой графики являются технологии разработки, которые совершенствуются с каждым годом.

Одни из таких технологий – трассировки лучей и путей. Они рисуют свет и тени в игре, предавая безликой картинке реалистичный вид. В этой статье мы расскажем, как работают эти волшебные палочки и почему благодаря им игры становятся красивее!

Освещение – это душа компьютерной графики. Правильно нарисованный свет делает картинку живой и интересной. 

Представьте себе локацию, не имеющую лишь один источник света или не имеющую их вовсе. Такая локация не будет иметь теней, отражений, а также сама по себе будет темной и скучной.

А теперь представьте, как в ней зажигается яркий свет, и все предметы вокруг оживают, появляются тени, блики… Свет создаёт настроение, показывает форму предметов, подчеркивает детали. Без хорошего освещения даже самая красивая модель будет выглядеть плоско и неинтересно. Поэтому разработчики игр так много внимания уделяют именно свету – ведь именно он делает картинку такой настоящей!

Реализация качественного освещения в компьютерных играх всегда была довольно сложной задачей. Дело в том, что симуляция света – технически трудоемкий процесс, требующий больших вычислительных мощностей. Поэтому разработчикам приходилось идти на множество упрощений и ухищрений, симулируя освещение, стараясь сохранить при этом высокую производительность. Рассмотрим несколько таких подходов:

1. Ambient и direct lightning (прямое и общее освещения). До трассировки лучей свет в играх симулировался довольно просто: создавался один или несколько источников света, которые делали ярче объекты, попадающие в их поле действия.
2. Карты освещения. На объекты накладывались предварительно сгенерированные карты освещения, которые делали текстуры ярче или темнее в определенных местах, а также добавляют тени.

Такие подходы к освещению не подразумевали, например, отражения света от поверхностей. Если на игровой карте автомобиль, отражающий на своем кузове окружение, то отражения объектов в нем обусловлены не работой света, как в реальности, а совершенно другими технологиями, специально заточенными под это. Более подробно про реализацию отражений можно узнать в другой нашей статье.

Все эти подходы создавали лишь иллюзию света, не отражая его реальных физических характеристик и поведения. И это не было плохо. Свет получался качественным, красивым и реалистичным, однако разработчикам всегда хотелось добиться большего реализма и правдоподобия. Прорывом стали технологии трассировки.

Одним из подходов к созданию реалистичного освещения является трассировка лучей. Трассировка лучей – это технология, симулирующая поведение лучей света в реальном мире.

Представьте, что вы запускаете маленький луч света из экрана вашего компьютера на локацию игры:

1. Этот луч и встречает на своем пути разные предметы: стены, деревья, машины.
2. От каждого предмета луч может отражаться или проходить сквозь него, как через стекло.
3. Трассировка лучей следит за каждым таким отскоком и прохождением луча, и изменяет цвет объектов в зависимости от их свойств.

Сложность такого подхода заключается в количестве лучей. Каждый источник света в реальности выпускал бы миллионы таких лучей. И расчет пути каждого луча в реальном времени стал бы очень тяжелой задачей для компьютера, практически невыполнимой.

Поэтому трассировка лучей идет на хитрость: она рассчитывает траектории лучей не от источника света до камеры, а наоборот – от камеры до источника. Таким образом расчету поддаются только те лучи, которые обязательно попадут в игровую камеру и расчет которых необходим. Траектории остальных же лучей не рассчитываются, так как они не окажут непосредственного влияния на картинку. Такой подход значительно снижает количество обрабатываемых лучей, делая возможным применение технологии в динамических сценах компьютерных игр.

Технология трассировки лучей активно применяется в большинстве современных игр: Cyberpunk 2077, Hogwarts Legacy, Atomic Heart и др. Кроме того, некоторые уже не новые, но все еще актуальные игры также получают обновления, добавляющие поддержку трассировки лучей. Так, например, консольная версия GTA V обзавелась этой технологией, продолжив радовать игроков реалистичной графикой, спустя более 10 лет после выхода.

Схожей с трассировкой лучей является технология трассировки путей. Это ещё более продвинутый и реалистичный способ рисовать свет в компьютерных играх.

Ключевое отличие от трассировки лучей заключается в том, что трассировка путей вычисляет траектории и влияние на объекты всех лучей, присутствующих на сцене. Это создает еще более реалистичную картинку, в точности передающую атмосферу настоящего света.

Но, как мы выяснили ранее, для такого рода вычислений в реальном времени требуются огромные мощности. Ведь не просто так в трассировке лучей используются упрощенные вычисления. Поэтому трассировка путей пока не нашла массовое применение в игровой индустрии по довольно простой причине: у игроков и разработчиков просто нет доступа к компьютерам достаточной мощности.

Несмотря на недоступность технологии в массовом сегменте, некоторые разработчики все же добавляют трассировку путей в свои проекты. Например, ранее упомянутый Cyberpunk 2077 имеет настройку RT Overdrive, позволяющую активировать трассировку путей. Комфортно поиграть в игру с такой графикой получится разве что на самой мощной видеокарте RTX 4090 (~$3000), но все же это позволяет оценить масштабы реализма, который может принести в игры эта технология.

Технологии развиваются очень быстро. Когда видеокарты станут ещё мощнее, трассировка путей позволит сделать освещение в играх почти таким же реалистичным, как в реальной жизни. За технологией трассировки путей, определенно – будущее реалистичной графики.

Таким образом, можно составить небольшую сравнительную таблицу между этими двумя технологиями:

Итак, мы узнали про две волшебные технологии: трассировку лучей и трассировку путей. Обе они помогают сделать игры невероятно красивыми и реалистичными, но делают это по-разному. Трассировка лучей уже сегодня делает игры более живыми, но требует мощный компьютер. Трассировка путей — это технология будущего, которая позволит нам увидеть в играх свет и тени, неотличимые от настоящих.

Стоит также помнить, что красивая картинка в играх – это заслуга не только современных технологий, вроде трассировки лучей, но и грамотной работы дизайнеров и разработчиков. Даже без передовых технологий умелое использование художественного стиля, цветовой гаммы и композиции может создать потрясающую и запоминающуюся визуальную составляющую в играх.