رهگیری پرتو (Ray tracing) چیست و چه تأثیری بر آینده بازی‌های ویدیویی دارد؟
رهگیری پرتو (Ray tracing) یکی از تکنیک‌های نورپردازی است که جلوه‌هایی واقع‌گرایانه را به ارمغان می‌آورد. کارت گرافیک‌هایی که از این فناوری پشتیبانی می‌کنند، می‌توانند باعث هر چه واقعی‌تر شدن محیط‌های بازی شوند. در واقع رهگیری پرتو سعی دارد تا نور را همانند دنیای واقعی به نمایش بگذارد.
اگر با این تکنیک آشنایی کافی داشته باشید، شاید آنگاه بخواهید که سخت‌افزار رایانه خود را ارتقا داده و لذت بیشتری از بازی‌های خود ببرید. اگر هنوز چنین تصمیمی نگرفته‌اید، پیشنهاد می‌کنیم که مقاله پیش رو را مطالعه کنید تا بتوانید تصمیم بهتری را اتخاذ نمایید.
فوتون‌های مجازی
معمولا توضیح فناوری گرافیک مشکل است، اما رهگیری پرتو تا حدودی از این موضوع مبرا است. تکنیک رهگیری پرتو سعی می‌کند که عملکرد نور در دنیای واقعی را شبیه‌سازی کند. به‌جای ایجاد نورپردازی از پیش طراحی شده یا داخلی برای صحنه‌های بازی، رهگیری پرتو مسیر نور شبیه‌سازی شده را ردیابی می‌کند. البته این ردیابی می‌تواند میلیون‌ها نور یا فوتون شبیه‌سازی شده را شامل شود. نور در هنگام حرکت خود، از سطح اشیای محیط انعکاس پیدا کرده و با خواص آن‌ها به تعامل می‌پردازد. مثلا اگر از یک سطح براق سبز رنگ انعکاس پیدا کند، شاید بن‌مایه رنگ آن نیز تغییر کند.
این همان شیوه‌ای است که نور بر اساس آن در جهان واقعی به فعالیت می‌پردازد. یک ذره نور پس از اینکه در منبع خود شکافته شد، مسافتی را طی کرده تا اینکه به شیئی برخورد کند، در این نقطه، مابقی مسیر آن ذره بر اساس خصوصیات شی‌ء مورد اصابت تعیین می‌شود. شاید این ذره نور توسط شیئی متراکم و تاریک جذب شده و یا اینکه تقریبا به‌صورت کامل از سطح یک آینه انعکاس یابد.
شباهت مباحث پایه‌ای رهگیری پرتو به زندگی واقعی موجب شده که این تکنیک سه‌بعدی بسیار واقع‌گرایانه به نظر برسد. حتی بازی‌های بلوکی همانند ماینکرافت نیز اگر از این تکنیک استفاده کرده و همچنین در شرایطی مناسب قرار گیرند، حالتی بسیار شبیه به عکاسی واقع‌گرایانه خواهند داشت. فقط یک مشکل در این بین وجود دارد: شبیه‌سازی عملکرد نور امری دشوار است. بازسازی شیوه عملکرد نور در جهان واقعی موضوعی پیچیده بوده و همچنین به منابع و توان پردازشی بالایی نیز احتیاج دارد. حتی رندرینگ رهگیری پرتو شرکت انویدیا نیز تماما واقعی نیست؛ یعنی تمامی ذرات نور را شبیه‌سازی نمی‌کند. در عوض، فناوری رهگیری پرتو این شرکت از تعدادی تقریب هوشمند استفاده کرده و سعی دارد تا یک خروجی بصری مشابه را ارائه دهد. البته این روش به اندازه رهگیری پرتو واقعی، سخت‌افزار را درگیر نمی‌کند.
https://www.namasha.com/v/zjlNzZQS
Battlefield V یکی از بهترین نمونه‌های به‌کارگیری رهگیری پرتو
بسیاری از بازی‌های فعلی که از فناوری رهگیری پرتو پشتیبانی می‌کنند، ترکیبی از تکنیک‌های سنتی نورپردازی را که به شطرنجی‌سازی معروف هستند، به کار گرفته و همچنین در کنار این مورد، رهگیری پرتو را نیز بر سطوح خاصی مانند گودال‌ها و فلزات صیقلی اعمال می‌کنند. بازی Battlefield V یکی از بهترین نمونه‌های این اقدام است. شما در این بازی می‌توانید بازتاب سربازان را در داخل آب‌ها و همچنین بازتاب زمین بر روی بالگردهای را مشاهده نمایید. همچنین می‌توانید انعکاس انفجارها را بر روی رنگ خودروها نیز مشاهده کنید. در نهایت اینکه می‌توان انعکاس‌ها را در موتورهای بازی‌سازی سه‌بعدی امروزی به خوبی نشان داد، اما طبیعتا Battlefield V در هنگام اجرای رهگیری پرتو، جزئیات بالاتری خواهد داشت.
همچنین می‌توان از رهگیری پرتو استفاده کرد و بدین ترتیب سایه‌ها را پویاتر و واقع‌گرایانه‌تر به نمایش گذاشت. یکی از موارد عالی کاربرد این مسئله، در بازی Shadow of the Tomb Raider است.
https://www.namasha.com/v/hkTml3Sg
نورپردازی رهگیری پرتو می‌تواند سایه‌هایی واقع‌گرایانه‌تر با لبه‌هایی نرم‌تر و جزئیاتی بالاتر را در محیط‌های تاریک و روشن ایجاد کند. دستیابی به چنین کیفیتی بدون استفاده از رهگیری پرتو بسیار مشکل خواهد بود. توسعه‌دهندگان تنها می‌توانند از طریق منابع نوری از پیش تعیین شده‌ای که دقیق و کنترل شده باشند، به‌صورت جعلی به این مهم دست یابند. این روش نیازمند صرف وقت و تلاش بسیاری بوده و در نهایت نیز نتیجه آن چندان ایدئال نیست.
برخی از توسعه‌دهندگان به‌صورت کامل از رهگیری پرتو استفاده کرده و آن را در روشنایی سرتاسری (global illumination) بازی‌های خود به کار می‌گیرند. بدین شیوه تمامی صحنه از رهگیری پرتو برخوردار خواهد بود. اما این روش بسیار هزینه‌بر بوده و جهت اجرای مناسب به بهترین کارت‌های گرافیک نیازمند است. بازی Metro Exodus از این تکنیک استفاده می‌کند، اما شیوه پیاده‌سازی آن، بی‌نقص نیست.
https://www.namasha.com/v/w33k27Gd
به همین دلیل، رهگیری پرتو محدود به سایه‌ها و سطوح انعکاس دهنده، بیشترین محبوبیت را دارد. سایرین نیز از تکنیک‌های شرکت انویدیا همانند رفع نویز و یادگیری عمیق نمونه‌برداری فوق‌العاده (DLSS) استفاده کرده و سعی دارند تا تأخیرهای بصری ناشی از رندر کردن پرتوهای کمتر جهت ایجاد صحنه‌هایی واقعا رهگیری شده را بهبود بخشند. این تکنیکها هنوز هم در انحصار فیلم‌ها هستند. لازم به ذکر است که بگوییم سرورهای پرقدرت باید چندین روز را جهت رندر کردن یک فریم با چنین جلوه‌هایی صرف کنند.
سخت‌افزار پشت رهگیری پرتو
حتی جهت پردازش رهگیری پرتو ساده‌‌ای که در برخی از بازی‌های به کار می‌رود، شرکت انویدیا در کارت گرافیک‌های سری RTX از سخت‌افزارهای اختصاصی جهت انجام این کار بهره می‌برد. معماری تورینگ این شرکت از هسته‌های RT (رهگیری پرتو) استفاده کرده تا بتواند این تکنیک را در زمان واقعی اعمال و پردازش کند. لزوما استفاده از این هسته‌ها جهت انجام رهگیری پرتو لازم نیست، زیرا کارت گرافیک‌های سری 10 و 16 خانواده GTX نیز می‌توانند چنین پردازشی را انجام دهند، هر چند که در مقابل کارت‌های رده بالای 2070، 2080 و 2080Ti که از هسته‌های اختصاصی RT استفاده می‌کنند، حرفی برای گفتن ندارند.
شرکت انویدیا در ماه آوریل شیوه پردازش یک فریم از بازی Metro Exodus را نشان داد. این شرکت به توضیح ساختار رندرینگ و همچنین تأثیر رهگیری پرتو بر آن پرداخت. کارت‌های RTX 2080 و GTX 1080 Ti در بازی‌های عادی عملکردی تقریبا مشابه دارند، اما هنگامی‌که رهگیری پرتو بر صحنه‌ای اعمال شود، ازآنجایی‌که GTX 1080 Ti به هسته‌های اختصاصی RT مجهز نیست، پس عملکرد آن بسیار ضعیف‌تر از RTX 2080 خواهد بود.
رهگیری پرتو تأثیر زیادی بر عملکرد بازی‌ها دارد
به همین دلیل است که حتی کارت گرافیک‌های قدرتمندی همانند GTX 1080 Ti نیز در هنگام اجرای بازی‌های مجهز به فناوری رهگیری پرتو در وضوح بالای 1080p، با مشکل جدی مواجه می‌شوند. البته هسته‌های RT نیز چندان قدرتمند نیستند. حتی 2080Ti نیز که قدرتمندترین کارت گرافیک رده مصرف‌کننده در جهان بوده و بیشترین تعداد هسته‌های RT را نیز در اختیار دارد، در هنگام اجرای بازی‌هایی همانند Battlefield V یا Metro Exodus در وضوح 1440p و با فعال‌سازی رهگیری پرتو، به‌سختی می‌تواند به نرخ فریم 60 و یا بالاتر دست یابد. البته اگر رهگیری پرتو را غیرفعال کنیم، آنگاه همین کارت می‌تواند در وضوح 4K، نرخ فریمی بالا را به بازی‌بازان ارائه دهد.
https://www.namasha.com/v/kPKkOYzz
البته لزوما قرار نیست که اوضاع به همین منوال پیش برود. راه‌کار رهگیری پرتو شرکت انویدیا تنها گزینه روی میز نیست. همچنین افکت‌های پساپردازشی و رهگیری مسیر Reshade نیز وجود دارند که می‌توانند جلوههای بصری قابل مقایسه را بدون افت عملکرد ارائه دهند.
https://www.namasha.com/v/YPku91db
البته همچنان علی‌رغم اعمال تکنیک‌های مختلف، جهت بهره‌مندی از رهگیری پرتو، به یک کارت گرافیک قدرتمند نیاز دارید. اما با افزایش محبوبیت این فناوری در میان توسعه‌دهندگان، باید امیدوار باشیم که طیف سخت‌افزارهای مورد پشتیبانی افزایش یافته و همچنین قیمت آن‌ها نیز مقرون‌به‌صرفه‌تر باشد.
موضع شرکت AMD
همان‌طور که شاید شما نیز فهمیده باشید، هیچ‌کدام از کارت‌های گرافیک شرکت AMD از شتاب‌دهنده‌های رهگیری پرتو برخوردار نیستند، البته این موضوع بدین معنا نیست که این کارت‌ها توانایی انجام چنین پردازشی را ندارند. همچنین قرار نیست که این شرکت تا ابد این رویه را در پیش گیرد. استودیوی Crytek در سال 2019 دمویی نحت عنوان Neon Noir را منتشر کرد که در آن سطح بالایی از رهگیری پرتو با استفاده از کارت گرافیک 300 دلاری RX Vega 56 شرکت AMD اعمال شده بود و همچنین نرخ فریم نیز بر روی عدد 30 قرار داشت. هرچند که این دستاورد چندان درخشان نیست، اما در هر صورت، ممکن بودن این قضیه را نشان می‌دهد.
کارت‌های RX 5700 XT و Radeon VII نسبت به Vega 56 قدرت پردازشی بالاتری داشته و طبیعتا نرخ فریم بهتری را نیز در زمینه رهگیری پرتو ارائه خواهند داد. هنگامی‌که شرکت AMD معماری گرافیکی «Big Navi» را معرفی کند، آنگاه عملکرد کارت‌های این شرکت بهتر نیز خواهد شد. البته بر اساس گزارش‌ها، این معماری از رهگیری پرتو تسریع شده نیز پشتیبانی می‌کند. هنوز مشخص نیست که آیا این معماری نیز عملکردی مشابه هسته‌های RT خواهد داشت یا خیر؟ و یا اینکه آیا این فناوری به طیف گسترده‌تری از بازی‌ها ارائه خواهد شد یا خیر؟ اما در هر صورت پشتیبانی آن از رهگیری پرتو، قطعی خواهد بود.
همان‌طور که می‌دانید، کنسول‌های نسل نهمی شرکتهای سونی و مایکروسافت نیز از رهگیری پرتو بهره می‌برند. پردازنده گرافیکی هر دوی این کنسول‌ها از معماری Navi شرکت AMD استفاده می‌کند، بنابراین معماری Big Navi می‌تواند اشاره‌ای به جریان اصلی کارت گرافیک‌های مجهز به رهگیری پرتو این شرکت در سال 2020 باشد.
چگونه در خانه از رهگیری پرتو بهره‌مند شویم؟
قدم اول این است که یکی از کارت گرافیک‌های شرکت انویدیا را تهیه کنید، زیرا در حال حاضر فقط محصولات این شرکت می‌توانند بازی‌های مجهز به این فناوری را به‌درستی اجرا کنند. کارت‌های هر دو سری GTX و RTX می‌توانند چنین کاری را برای شما انجام دهند، اما اگر قصد بازی در وضوح بالای 1080p را داشته و همچنین می‌خواهید که نرخ فریم 60 یا بالاتر را داشته باشید، بهتر است که در صورت توان مالی، قدرتمندترین کارت‌ها (که البته بیشترین قیمت را نیز دارا هستند) خریداری کنید. لازم نیست که حتما 2080Ti را تهیه کنید، اما در عوض باید RTX 2060 Super یا 2070 را به‌عنوان گزینه‌های پایه‌ای در نظر بگیرید.
در زمینه بازی‌ها نیز باید بگوییم که در حال حاضر گزینه‌های محدودی در اختیار دارید. نمونه‌های کاربرد کامل رهگیری پرتو را می‌توان در دمو‌های اولیه این فناوری مانند Battlefield V ،shadow of the Tomb Raider و Metro Exodus مشاهده کرد، هرچند که بازی‌های جدیدتر همانند Control و MechWarrior 5: Mercenaries نیز کیفیت قابل قبولی دارند. بازی مستقل Stay in the Light نیز که در سبک وحشت ساخته شده، به‌طور کامل پیرامون استفاده از این فناوری در زمینه انعکاس‌ها و سایه‌ها توسعه داده شده است. همچنین نسخه ریمستر Quake II نیز تجربه‌ای مشابه را به ارمغان می‌آورد. بازی Control از شرکت رمدی و Atomic Heart از شرکت Mundfish نیز قرار است که در سال 2020 از رهگیری پرتو پشتیبانی به عمل آورند.
نوشته رهگیری پرتو (Ray tracing) چیست و چه تأثیری بر آینده بازی‌های ویدیویی دارد؟ اولین بار در اخبار تکنولوژی و فناوری پدیدار شد.