تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک چیست و چه تاثیری در گرافیک بازی ها دارد؟

آیا تا به حال به این فکر کرده اید که چرا برخی از بازی های ویدیویی به شکل باورنکردنی واقعی به نظر می رسند؟ تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک (ردیابی پرتو کارت گرافیک) یکی از مهم ترین عوامل واقعی به نظر رسیدن بازی ها است.

اگر بازی های ویدئویی را دوست دارید یا هر یک از عناوین مدرن AAA را بازی کرده اید، قطعاً با عبارت Real-time Ray Tracing برخورد کرده اید که یکی از ویژگی های برجسته بازی های مدرن است و حتی در آخرین نسخه های پلی استیشن یا ایکس باکس نیز موجود است. Real-time Ray Tracing در حقیقت همان تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک است که برای استفاده از آن باید به سراغ خرید بهترین کارت گرافیک های ممکن بروید؛ وگرنه نمی توانید از این امکان بهره ببرید.

در این مقاله، به بررسی تکنولوژی Ray Tracing می پردازیم و تأثیر عمیق این فناوری بر گرافیک بازی را بررسی می کنیم.

تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک چیست؟

فناوری ردیابی پرتو کارت گرافیک یا Ray Tracing technology در حقیقت شبیه سازی رفتار پرتوهای نور در یک محیط مجازی است. به جای روش های شطرنجی سازی سنتی که رنگ پیکسل ها را بر اساس اشکال هندسی ساده شده تعیین می کنند، ردیابی پرتو، نحوه تعامل نور با سطوح را مدل سازی می کند.

این تکنیک، مسیر پرتوهای منفرد را در حین حرکت در یک صحنه ترسیم کرده و انعکاس ها، انکسارها و سایه ها را به طور دقیق محاسبه می کند. تکنولوژی Ray Tracing با تکرار پیچیدگی های نورپردازی در دنیای واقعی، سبب می شود صحنه های مجازی هم طبیعی به نظر برسند.

این فناوری به قدرت محاسباتی قابل توجهی نیاز دارد و یک سخت افزار تخصصی برای آن در کارت های گرافیک مدرن طراحی شده است که محاسبات پیچیده مربوط به ردیابی پرتوها را امکان پذیر می کند.

 Ray Tracing کارت گرافیک چطور عمل می کند؟

اگر بخواهیم ساده بگوییم، تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک یک راه خوب برای نمایش دقیق نور به صورت سه بعدی است و بهترین روش برای ایجاد افکت های نوری واقعی مانند سایه ها و بازتاب ها محسوب می شود.

این تکنولوژی، نور واقعی را به همان روشی که چشمان ما عمل می کنند، اما به صورت معکوس، محاسبه می کند.

در انسان ها، امواج نور خورشید یا لامپ مستقیماً به چشم برخورد می کنند یا از اجسام دیگر منعکس می شود تا زمانی که به چشم های ما برخورد کنند. سپس این نور منعکس می شود و سیگنال های ناشی از آن برای تفسیر به مغز می روند.

در تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک، دوربین پرتوها را می فرستد و وقتی پرتو به چیزی برخورد می کند، به منبع نور مربوطه می رود. اگر پرتو هنگام رفتن به منبع نور به جسم دیگری برخورد کند، سایه ایجاد می کند.

تاریخچه تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک

 Ray Tracing در سال 2018 زمانی که انویدیا برای اولین بار سری RTX 20 کارت گرافیک های خود را در Gamescom 2018 معرفی کرد، توسط عموم شناخته شد. این کارت گرافیک ها، اولین سری گارت گرافیک بودند که از این ویژگی پشتیبانی می کردند.

با این حال، انویدیا ردیابی پرتو یا حتی توانایی کارت گرافیک برای انجام آن را اختراع نکرده است.

این تکنیک برای چندین دهه وجود داشته است و در رندر فیلم برای تولیداتی مانند خانه هیولا و ماشین ها استفاده شده است. دستاورد قابل توجه انویدیا ایجاد سخت افزار فوق العاده قوی برای سریع کردن ردیابی پرتو، امکان رندر سریع تر در زمان واقعی است؛ دستاوردی که به آن «جام مقدس گرافیک» می گویند.

پردازنده های گرافیکی سه بعدی که در بازار به فروش می رسند، دارای قابلیت های مشابهی هستند؛ اما همه آن ها به اندازه کارت های گرافیک انویدیا قوی نیستند.

پردازنده های گرافیکی انویدیا از فناوری هایی مانند DLSS و Ray Reconstruction پشتیبانی می کنند که سبب ایجاد افکت های نوری بهتر و ایجاد سایه های دقیق تر بدون هیچ کاهشی در عملکرد می شود. هیچ کس دیگری غیر از انویدیا نتوانسته است این شاهکار را تکرار کند. این ویژگی فوق العاده مثبت و بزرگ، نشان می دهد که چرا پردازنده های گرافیکی Nvidia معمولا برای کارهای سخت مانند ردیابی مسیر در بازی هایی مانند Cyberpunk 2077 توصیه می شوند.

ردیابی پرتو کارت گرافیک چطور بازی را بهتر می کند؟

تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک به روش های زیر سبب می شود که کیفیت بازی بهبود یابد:

1.      نورپردازی واقعی: تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک نحوه تعامل نور با سطوح مختلف را تقلید کرده و سناریوهای نورپردازی واقعی تری ایجاد می کند. انعکاس های دقیق، انکسارها و سایه های پیچیده از جمله تغییرات نوری ظریفی هستند که بازی کردن را لذت بخش و واقعی می کنند.

2.     روشنایی کلی پویا: با استفاده تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک، روشنایی غیرمستقیم با دقت بیشتری محاسبه می شود که خود منجر به بهبود روشنایی کلی می شود. معنای آن این است که نور از سطوح منعکس می شود و به طور غیرمستقیم مناطق اطراف را روشن می کند و در نتیجه محیط طبیعی و بصری جذاب تری ایجاد می کند.

3.    بازتاب های دقیق: تکنولوژی Ray Tracing انعکاس دقیق روی سطوح، از جمله بازتاب های دینامیکی در آب، آینه ها و سایر مواد بازتابنده را امکان پذیر می کند. بنابراین انعکاس ها در بازی، بدون هیچ دردسری شبیه به دنیای واقعی ماست.

4.    سایه های پیشرفته: با تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک، سایه ها واقعی تر و دقیق تر می شوند و با شکل و موقعیت منابع نور تغییر می کنند. این ویژگی سبب می شود سایه ها نرم تر و طبیعی تر شده و بازی شبیه به دنیای واقعی به نظر برسد.

5.    اجسام و بافت های بهبود یافته: ردیابی نور، امکان رندر دقیق تر مواد و بافت ها را فراهم می کند. سطوح مختلف ویژگی های واقعی مانند شفافیت، براقیت و کیفیت های بازتابی را که در دنیای واقعی دارند، به نمایش می گذارند. برای مثال با استفاده از این تکنولوژی، بافت سطح فلزی با سطح چوبی کاملا متفاوت است و این بافت با تغییر نور عوض می شود.

کارت های گرافیکی که از تکنولوژی Ray Tracing پشتیبانی می کنند

همان طور که گفتیم، استفاده از تکنولوژی ردیابی پرتو در بازی، با معرفی سری RTX 20 کارت گرافیک آغاز شد و فصل جدیدی را پیش روی بازیکنان و گرافیست ها باز کرد.

در سال 2018، بازی های Shadow of the Tomb Raider و Battlefield V اولین بازی هایی بودند که تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک را پشتیبانی کردند. با این حال، باید در نظر بگیرید که همه بازی ها طیف کامل ویژگی های ردیابی پرتو را نمی پذیرند. برای مثال برخی از آن ها تنها از ویژگی مربوط به سایه ها و برخی دیگر تنها از روشنایی کلی استفاده می کنند.

در حال حاضر، پردازنده های گرافیکی رومیزی با سخت افزار اختصاصی ردیابی اشعه شامل سری های RTX 20، 30 و 40 انویدیا، سری های RX 6000 و 7000 AMD و سری Arc Alchemist اینتل هستند. غیر از این کارت های گرافیک، هیچ پردازنده گرافیکی دیگری برای پشتیبانی از این تکنولوژی ساخته نشده است.

مقایسه کارت گرافیک RTX 4090 انویدیا در برابر RX 7900 XTX AMD

علی رغم اینکه کیفیت تصویر در این کارت های گرافیک تقریبا در یک رده است، اما عملکرد متفاوت است.

کارت های سطح بالاتر، مانند RTX 4080، زمانی که ردیابی پرتو فعال است، معمولاً از همتایان پایین تر پیشی می گیرند.

در مورد گوشی های هوشمند، چیپ ست ها از جمله پردازنده های گرافیکی Arm's Immortalis، از تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک پشتیبانی می کنند، اما هنوز استفاده از این تکنولوژی کاملا جهانی نشده است، زیرا برای پشتیبانی از آن به تجهیزات خاصی نیاز است.

شاید در آینده، تجهیزات جدید، همگی با قابلیت پشتیبانی از این تکنولوژی وارد بازار شوند تا دنیای مجازی تا حد زیادی شبیه به دنیای واقعی شود.

مقایسه تکنولوژی Ray Tracing با تکنیک های رندر سنتی

در رندر سنتی (rasterization)، الگوریتم ها بر روی تعیین رنگ هر پیکسل روی صفحه به صورت جداگانه متمرکز می شوند. اشیاء سه بعدی در صحنه بر روی یک صفحه دوبعدی نمایش داده می شوند، سپس مشخص می شود که کدام پیکسل توسط هر شی پوشانده شده است. پس از شناسایی پیکسل ها، رنگ هر پیکسل بر اساس نور، سایه و بافت محاسبه می شود.

 اگر بخوهیم این دو تکنولوژی را با هم مقایسه کنیم، به نکات زیر می رسیم:

واقعی بودن نورپردازی

 Ray Tracing رفتار نور را با ردیابی پرتوهای منفرد شبیه سازی می کند که منجر به انعکاس، شکست و سایه های واقعی می شود. در مقابل رندر سنتی اغلب بر شطرنجی سازی تکیه می کند، که اثرات نور را تقریبی کرده و در نتیجه انعکاس ها و سایه های واقعی کم تری ایجاد می کند.

جزئیات سایه

تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک، سایه های دقیق و طبیعی ایجاد می کند که شکل و موقعیت منابع نور را محاسبه می کنند. بسته به شرایط نوری صحنه، سایه ها می توانند ملایم یا عمیق باشند. در مقابل، در رندر سنتی سایه ها ممکن است با جزئیات کم تری بوده و فاقد ویژگی های ظریف به دست آمده از طریق تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک باشند.

بازتاب ها

 Ray Tracing انعکاس دقیق روی سطوح، از جمله انعکاس پویا در موادی مانند آب و آینه را نشان می دهد. همچنین سطوح انعکاسی به طور واقع بینانه با محیط اطراف تعامل دارند. اما در رندر سنتی سطوح انعکاسی اغلب تقریبی هستند و انعکاس های پویا ممکن است چندان دقیق یا واقعی نباشند.

روشنایی کلی

تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک با محاسبه دقیق نحوه تابش نور از سطوح و روشن شدن غیرمستقیم مناطق اطراف، روشنایی کل را به شکل واقعی شبیه سازی می کند. برای مثال انعکاس از سطح آن می تواند روشنایی روی چهره و یا یک سطح ایجاد نماید. در مقابل در رندر سنتی روشنایی کلی از روش های ساده تری محاسبه می شود که جزئیات را کم تر و غیر پویاتر می کند.

نیازهای سخت افزاری

تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک به توان محاسباتی قابل توجهی نیاز دارد. این توان بالا نیازمند سخت افزار تخصصی مانند هسته های ردیابی پرتو در GPUها است. اما رندر سنتی عموماً به توان محاسباتی کم تری نیاز دارد که باعث می شود برای طیف وسیع تری از سخت افزار در دسترس تر باشد.

رندر در زمان واقعی

 Ray Tracing رندر را در زمان واقعی انجام می دهد که امکان ایجاد صحنه های پویا و تعاملی را فراهم می کند. در رندر سنتی هم پردازش در زمان واقعی امکان پذیر است اما نتایج آن به دقت و زیبایی تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک نیست.

هزینه و دسترسی

تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک به کارت های گرافیکی با سخت افزار اختصاصی گران نیاز دارد که دسترسی را به.طور بالقوه محدود می کند. در مقابل رندر سنتی مقرون به صرفه تر است و برای مخاطبان وسیع تری در دسترس می باشد. سخت افزارهای قدیمی هنوز می توانند بسیاری از تکنیک های رندر سنتی را مدیریت کنند.

اما از آنجایی که تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک از نظر فیزیکی رویکرد دقیق تری دارد، می تواند نتایج واقعی تری را ایجاد کند. الگوریتم های شطرنجی سازی معمولی ممکن است بر ساده سازی ها و تقریب ها تکیه کنند، بنابراین کیفیت کلی یک تصویر یا صحنه را محدود می کنند.

همانطور که قبلا ذکر شد، تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک نسبت به روش های سنتی سخت افزار فشرده تر است و اغلب به سخت افزار تخصصی مانند پردازنده های گرافیکی بهینه سازی.شده برای ردیابی پرتو نیاز دارد.

مزایای استفاده از تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک

تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک مزایای زیادی برای بهبود کیفیت بازی دارد و به همین دلیل گیمرهای زیادی دوست دارند بازی هایی را که این تکنولوژی را پشتیبانی می کنند، تجربه کنند. آن ها هزینه زیاد خرید کارت گرافیک و سخت افزار تخصصی را می پذیرند تا بتوانند از مزایای ردیابی پرتو کارت گرافیک بهره ببرند. بیایید برخی از این مزایا را با هم بررسی کنیم.

گرافیک بهبود یافته

یکی از مزایای کلیدی تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک، توانایی آن در ارائه گرافیک بسیار واقعی و فراگیر در بازی های آنلاین است. با شبیه سازی رفتار نور در دنیای واقعی، ردیابی پرتو، سایه های واقعی، بازتاب ها و سایر جلوه های بصری زیبا را ایجاد می کند. این سطح گرافیک بالاتر برای بازیکنان بسیار جذاب است.

غرق شدن در بازی

تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک به افزایش حس غوطه وری و پذیرش بازی های آنلاین کمک می کند. این فناوری با محاسبه دقیق مسیر پرتوهای نور، حس واقعی عمق و فضا را ایجاد کرده و آن را کاملا زنده می کند. نور و سایه هایی که توسط اشیاء در دنیای بازی ایجاد می شود، طبیعی تر و قانع کننده تر هستند و به بازیکنان این امکان را می دهد که کاملاً در محیط مجازی غرق شوند.

کاهش تاخیر ورودی

یکی دیگر از مزایای قابل توجه تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک، توانایی آن در کاهش تاخیر ورودی در بازی های آنلاین است. با محاسبه موثر مسیر پرتوهای نور، فرآیند رندر سریع تر و پاسخ گوتر می شود. این ویژگی منجر به حرکات نرم تر، واکنش های سریع تر و بهبود کلی عملکرد بازی است.

 Ray Tracing در بازی های فانتزی

تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک فقط به ژانرهای سنتی و واقعی بازی آنلاین محدود نمی شود، بلکه بسیاری از بازی های فانتزی معمول نیز می توانند از آن بهره ببرند.

معایب و چالش های استفاده از تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک

با وجود مزایای زیاد، این تکنولوژی معایبی هم دارد. ما در اینجا معایب تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک که در حقیقت چالش های استفاده از آن هستند را آورده ایم.

رندر کردن کند

یکی از مشکلات مهم استفاده از تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک این است که این روش برای رندرکردن بسیار بسیار کند است، حتی با وجود سخت افزار قوی که برای آن در نظر گرفته شده است. در جدیدترین بازی ها، بالاترین سطح ردیابی پرتو نرخ فریم را به نصف کاهش می دهد و نکته مهم اینجاست که بازی ها فقط تا حدی دارای صحنه های ردیابی پرتو هستند.

تاثیر بر پرفورمنس بازی

تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک به قدرت پردازش قابل توجهی برای محاسبه برهم کنش های پیچیده پرتوهای نور در زمان واقعی نیاز دارد. این ویژگی می تواند عملکرد بازی را کاهش داده و بر نرخ فریم کلی بازی تأثیر بگذارد. بازی کردن روان پس از فعال سازی تکنولوژی ردیابی پرتو، کارت گرافیک بسیار سطح بالایی نیاز دارد. از آنجا که این کارت های گرافیک کم تر در دسترس هستند و قیمت آن ها بالا است، همه بازیکنان نمی توانند سیستم خود را با تجهیزات لازم مجهز کنند.

چه کارت گرافیکی مناسب مادربرد من است؟

نیازهای سخت افزاری ویژه

برای مدیریت صحیح تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک، سخت افزاری خاص و قوی ضروری است. اگرچه پردازنده های گرافیکی مدرن، مانند سری های RTX انویدیا و سری های RX AMD، از هسته های اختصاصی ردیابی پرتو استفاده می کنند، کارت های گرافیک قدیمی تر یا آن هایی که فاقد این سخت افزار خاص هستند ممکن است برای پشتیبانی از این فناوری مشکل داشته باشند.

پشتیبانی محدود بازی

اگرچه تعداد بازی هایی که از تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک پشتیبانی می کنند در حال افزایش است، اما فناوری هنوز جهانی نشده است. بسیاری از بازی های موجود و بازی هایی که در آینده تولید می شوند، ممکن است از تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک پشتیبانی نکنند. این عدم پشتیبانی می تواند یک مانع برای پذیرش گسترده تکنولوژی Ray Tracing به عنوان یک استاندارد در صنعت بازی باشد.

طبق گزارش PCGamingWiki، در حال حاضر 197 بازی با تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک وجود دارد که ما تعداد زیادی از آن ها را در انتهای مقاله معرفی می کنیم. برخی از این بازی ها شامل Minecraft و Quake II هستند که قطعاً بازی های فوق العاده ای هستند، اما از نظر گرافیکی خیلی قوی نیستند.

پیچیدگی توسعه

پیاده سازی تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک در ساخت بازی مستلزم سطح بالاتری از تخصص و کدنویسی و بهینه سازی پیچیده تری نسبت به روش های رندر سنتی است. این پیچیدگی می تواند زمان و هزینه های توسعه را افزایش دهد، و به طور بالقوه باعث شود برخی از توسعه دهندگان بازی، جنبه های دیگر طراحی بازی را در اولویت قرار دهند.

مصرف برق

حجم کار محاسباتی فشرده که برای عملکرد این کارت های گرافیک لازم است، منجر به افزایش مصرف انرژی می شود. پردازنده های گرافیکی با کارایی بالا که به ردیابی پرتو اختصاص داده شده اند، ممکن است نیاز به انرژی الکتریکی بیشتری داشته باشند. در این موارد ممکن است مصرف انرژی بیشتر، یک مشکل و یا چالش محسوب شود.

تولید گرما

محاسبات پیچیده، می توانند گرمای قابل توجهی را در کارت گرافیک ایجاد کنند. به همین دلیل هم لازم است راه هایی برای خنک کردن کارت گرافیک در نظر گرفته شود. مسائل مربوط به گرما، مانند گلوگاه حرارتی نیز ممکن است بر عملکرد کلی و طول عمر سخت افزار تأثیر بگذارد و عمر دستگاه را کم کند.

آینده تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک

آینده تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک امیدوارکننده به نظر می رسد. این فناوری می تواند پیشرفت های دگرگون کننده ای در رئالیسم بصری و تجربه های بازی ایجاد کند. با ادامه تکامل قابلیت های سخت افزاری، ردیابی پرتو، گسترده تر می شود.

پیشرفت های مداوم در معماری GPU، مانند افزایش قدرت محاسباتی و هسته های اختصاصی ردیابی پرتو، احتمالاً منجر به پذیرش ردیابی پرتوهای بلادرنگ در طیف گسترده تری از برنامه های کاربردی فراتر از بازی، از جمله طراحی، شبیه سازی و ایجاد محتوا خواهد شد.

با ادغام تکنیک های هوش مصنوعی و یادگیری ماشین، بهینه سازی فرآیندهای ردیابی پرتو ممکن است کارایی را بیشتر کند و گرافیک های واقعی تر و همه جانبه تری را ممکن کند.

با بلوغ فناوری، می توانیم آینده ای را پیش بینی کنیم که در آن ردیابی پرتو به یک ویژگی استاندارد در کارت های گرافیک تبدیل می شود.

معرفی بازی هایی که از تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک پشتیبانی می کنند

اگر دستگاه شما به تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک مجهز است، احتمالا می خواهید با انتخاب بازی هایی که از این تکنولوژی پشتیبانی می کنند، از امکانات خود بیشترین بهره را ببرید. به همین دلیل هم ما در این قسمت از مقاله، بازی هایی را که از تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک پشتیبانی می کنند، معرفی می کنیم.

سخن آخر

مقاله حاضر، به تأثیر تحول آفرین تکنولوژی Ray Tracing کارت گرافیک، به ویژه نقش بسیار زیاد آن در تغییرات بازی های ویدئویی می پردازد. ردیابی پرتو، یک تکنیک رندر است که به طور واقعی رفتار نور را شبیه سازی می کند و سایه ها و انعکاس های واقعی را در محیط بازی ایجاد می کند. همچنین در این مقاله، اکثر بازی هایی که از این فناوری استفاده می کنند، ذکر شده است.

سوالات متداول درباره Ray Tracing

Ray Tracing چیست؟

Ray Tracing یا ردیابی پرتو یک تکنیک رندر است که می‌تواند نورپردازی صحنه ها و اشیاء درون آن را با رندر کردن بازتاب‌های نوری دقیق، شکست‌ ها و لبه ها، سایه‌ها و نور های غیرمستقیم شبیه سازی کند.

آیا Ray Tracing باعث کاهش نرخ تصویر (FPS) می شود؟

بله، فعال کردن ردیابی پرتو باعث کاهش FPS می شود. میزان این کاهش فریم ها، تحت تأثیر قابلیت های سخت افزاری کنسول یا رایانه شخصی ای است که روی آن بازی می کنید.

آیا Ray Tracing فقط روی کارت گرافیک های RTX انویدیا وجود دارد؟

ردیابی پرتو در پردازنده‌های گرافیکی RTX انویدیا یا پردازنده‌های گرافیکی سری RX 6000 کمپانی AMD موجود است. کارت‌ گرافیک های سری 10 و 16 مدل GTX هم از ردیابی پرتو پشتیبانی می‌کنند، اما فاقد هسته‌های RT هستند.

آیا نیاز به فعال کردن Ray Tracing هست؟

بله، ردیابی پرتو به صورت پیش فرض خاموش هست و برای فعال کردن آن نیاز هست در تنظیمات بازی یا نرم افزاری که Ray Tracing را پشتیبانی می کند آن را فعال کنید.