Che cosè il ray-tracing? Scopri come funziona il Ray Tracing

L'evoluzione della tecnologia porta scoperte nell'esperienza visiva ma anche dalla grafica alla vita, la  nuova tecnologia Ray Tracing di nvidia  è la risposta a tale sviluppo quando l'azienda  lancia la linea di schede grafiche Grafica di nuova generazione basata sulla loro architettura Turing. Allora, cos'è il Ray Tracing ? Perché dire che questa è la tecnologia del futuro? Scopriamolo con WebTech360 in questo articolo

Che cos'è il ray-tracing?

Ray Tracing  è una tecnica di rendering (rendering) della luce seguendo i raggi di luce (traccia significa inseguimento, raggio significa raggi di luce). Puoi immaginare questa tecnica come il modo in cui guardi il sole, tracciando dove colpiscono i suoi raggi, quali oggetti colpiscono e come risplende sugli oggetti circostanti. Il ray tracing ricrea quel processo ma in un ambiente digitale.

In altre parole, il ray tracing traccia la luce assorbita, riflessa, diffusa e diffusa da ogni oggetto nell'ambiente, e si applica non solo a un raggio di luce proveniente dal sole ma a qualsiasi altra fonte luminosa (ad esempio: 2 lampadine nella sala giochi, il fuoco tremolante del caminetto nel gioco, la fonte di luce artificiale è fissa durante il rendering 3D...).

Attualmente, l'architettura Turing con Ray Tracing è ancora un grande punto interrogativo, dovrebbe essere un punto di svolta rivoluzionario del mercato delle GPU, è probabile che tali prodotti saranno visti nella maggior parte dei PC in futuro. o no, o il prezzo è così alto che poche persone possono possederlo e usarlo?

Difficile rispondere, perché sebbene ci siano stati articoli e recensioni per le due serie GeForce RTX 2080 FE e GeForce RTX 2080 Ti FE, dobbiamo ancora aspettare, anche per i giochi che supportano l'alta tecnologia della scheda, ecco ray tracciare. Inoltre, anche le schede grafiche professionali Quadro sono dotate di questa nuova tecnologia: Quadro RXT 8000, Quadro RXT 6000, Quadro RXT 5000, Quadro RXT 4000.

Come funziona il raytracing

L'obiettivo del ray tracing è creare un'illuminazione più realistica e un'ombreggiatura più naturale, e la serie RTX di NVIDIA ha ottenuto risultati impressionanti, almeno nelle demo di lancio. Una stanza in legno con una finestra aperta illuminerà quasi l'intera stanza quando si utilizza l'illuminazione tradizionale, e quando il ray tracing è attivo, i luoghi con luce diretta saranno più luminosi che negli angoli bui della stanza. NVIDIA ha anche mostrato come le fiamme in Battlefield V possano perseguitare un personaggio nel gioco e bruciare le portiere delle auto in modo molto realistico.

La luce non influisce solo sull'illuminazione, ma anche sul colore, sulla profondità e sulle ombre. Quindi, quando l'illuminazione è simulata vicino alla vita reale, anche il resto degli elementi è ben fatto. Gli shader nel gioco attuale sembrano piuttosto duri e chiari, privi della leggera transizione tra le macchie chiare e scure, e il ray tracing è ciò che lo rende possibile.

Algoritmo di ray tracing 

Creare una simulazione del mondo reale è un'impresa molto complessa. Include molti fattori, come un numero infinito di raggi di luce, superfici riflettenti, passaggio attraverso gli oggetti, tutti basati sulle proprietà molecolari di ciascun oggetto, per non parlare della gravità e delle interazioni fisiche. Simulare una cosa così "infinita" utilizzando solo le risorse finite dell'attuale computer è del tutto sproporzionato e impossibile.

Chiamiamo una soluzione al problema di cui sopra "rasterizzazione", invece di trattare con un numero infinito di fotoni, l'elaborazione inizia con i poligoni. Più poligoni significano maggiore velocità di elaborazione e la rasterizzazione è qui per trasformare quei milioni di poligoni in un'immagine specifica.

In breve, crea prototipi 2D e li rende su un mondo 3D precostruito. In esso, le immagini 2D fatte di poligoni possono coprire l'intero schermo se viste da vicino, ma possono coprire solo pochi pixel se viste da lontano, creando così pixel, trame e principi di luce. Naturalmente, una tecnica non può coprire l'intero lavoro.

Varie tecniche come Z-buffer (un buffer secondario che tiene traccia della profondità di ogni pixel) velocizzano il processo, creando uno strumento che rende visibili, ordinabili e gestiti i milioni di poligoni generati nel modo più efficiente possibile. Ciò può richiedere milioni o addirittura miliardi di calcoli per frame che solo le GPU moderne con velocità di elaborazione di teraflop possono gestire.

Il ray tracing , affronta il problema di cui sopra in modo diverso dalla R asterizzazione , storicamente esiste da circa 50 anni. Turner Whitted attualmente lavora per NVIDIA , in passato ha abbozzato come calcolare il tracciamento ricorsivo, ottenendo immagini impressionanti tra cui ombre, riflessi e altro. Ovviamente sarà molto più complicato della rasterizzazione.

Il ray tracing implica il rilevamento della direzione di un raggio (di solito un raggio di luce) quando lo si proietta nel mondo 3D. Supponiamo di voler costruire un oggetto, la prima cosa è determinare i raggi di luce che seguono il poligono che compone l'oggetto, poi tenere conto delle possibili sorgenti luminose, delle proprietà del poligono come il materiale, superficie piana o curva , insomma, aggiungere o sottrarre raggi di luce.

Questo processo viene quindi ripetuto per qualsiasi altra fonte di luce, inclusa la luce riflessa dagli oggetti nella scena. È così complesso che sono necessarie molte formule per rendere possibile il ray tracing, anche per superfici trasparenti e semitrasparenti, ad esempio vetro o acqua . Tutto deve avere un limite di riflessione artificiale, perché anche un raggio non può rilevare tutto l'infinito numero di fotoni.

L'algoritmo di ray tracing più comunemente utilizzato, secondo NVIDIA , è BVH Traversal: Bounding Volume Hierarchy Traversal che accelera il processo suddividendo in zone gli oggetti per l'elaborazione, in altre parole "divide et impera".

Puoi fare riferimento al modello di coniglio di NVIDIA che utilizza l'algoritmo BVH, che localizza ogni livello, divide le parti in blocchi, sempre più piccoli fino a quando l'algoritmo risulta in un breve elenco di poligoni, e quindi il lavoro di ray tracing.

Tuttavia, la quantità di lavoro da svolgere quando si esegue questo lavoro con il software sulla CPU o sulla GPU è troppo elevata. Un'alternativa è il core RT, ogni core RT ha un algoritmo di struttura BVH integrato, che lo rende in grado di elaborare il lavoro 10 volte più velocemente del core CUDA.

Inoltre, va anche menzionato quanti raggi di luce vengono rilevati su un pixel, un solo raggio porta a decine o centinaia di calcoli, ma più raggi vengono tracciati, il lavoro sarà più leggero e la produttività sarà elevata rispetto. Aziende come Pixar utilizzano anche la tecnologia ray tracing per creare animazioni.

Un film di 90 minuti con un frame rate di 60 FPS richiede 324.000 immagini, ognuna delle quali impiega diverse ore per calcolare i raggi che seguono ogni pixel. In che modo NVIDIA raggiungerà un simile equivalente in tempo reale? Ho citato sopra l'aspetto dei core RT, ma se ciò non bastasse, la risposta è che i core Tensor sono disponibili solo nell'architettura Turing. Per un semplice esempio, prendendo un carico di lavoro di FP16, i Tensor core raggiungono 114 TFLOPS mentre FP32 e CUDA hanno solo 14,2 TFLOPS.

Ma perché il Tensor core è sufficiente per il ray tracing? È AI e autoapprendimento, in altre parole è la funzione Deep Learning Super Sampling che consente al gioco di eseguire il rendering a una risoluzione inferiore senza AA, quindi il Tensor core erediterà e influirà sul frame, anti-aliasing per una risoluzione più elevata.

In conclusione, grandi nomi dell'industria del rendering sono entrati nel ray tracing come Epic, UE, Unity 3D, EA Frostbite. Microsoft ha persino creato DirectX Ray appositamente per il ray tracing. Con RTX, questo è davvero un grande salto nel settore della computer grafica, ovviamente non è ancora completo ed entro i prossimi dieci anni riuscire a mettere l'RTX 2080 Ti sul mercato come mainstream è completamente forse.

Tecnologia Ray Tracing sulle ultime schede grafiche di NVIDIA

L'attuale tecnologia grafica di NVIDIA e praticamente dell'intero settore riguarda la simulazione della luce e il comportamento della luce in una data scena, in un modo più semplice, chiamato rasterizzazione. Come un pittore dipinge, gli oggetti vengono renderizzati strato per strato, dall'alto verso il basso, quindi gli oggetti in primo piano oscureranno gli oggetti sullo sfondo.

Differenza di visualizzazione tra raster convenzionale (a sinistra) e ray tracing (a destra).

Tuttavia, questo approccio risulterà difficile durante il rendering del riflesso, perché la tecnica raster non sarà in grado di tracciare e rendere la luce. Viene spesso utilizzato nelle scene in tempo reale perché l'hardware attuale non è sufficiente per simulare il movimento di scene complesse, ad esempio nei videogiochi o nelle animazioni 3D.

Nel frattempo, il ray tracing ricostruisce il comportamento della luce quando colpisce superfici, materiali e oggetti in movimento.

La luce che attraversa una scena può essere resa e resa più complessa. Con il ray tracing, puoi simulare il modo in cui i raggi di luce interagiscono con gli oggetti, creando riflessi, rifrazioni ed effetti di dispersione realistici in tempo reale. Il ray tracing può persino rilevare e visualizzare rifrattori, riflettori, visualizzare la fonte di luce nella scena e persino il colore della luce dopo che è passata attraverso il soggetto.

In effetti, questa tecnica è stata utilizzata nella pratica, con film come Monsters University della Pixar, Iron Man della Marvel. Ma allora era utilizzato da utenti professionali, ma ora è stato portato a utenti generici, cosa che prima era impossibile.

Questo merita di essere definito un'impresa di NVIDIA perché il ray tracing richiede un'enorme quantità di potenza di calcolo. Il CEO di NVIDIA Jensen Huang ha affermato che è stato "il più grande salto che abbiamo mai fatto in una generazione (schede GPU)".

Il modo di NVIDIA di risolvere il problema è utilizzare la nuova architettura Turing nelle GPU appena rilasciate. Questa architettura è progettata per risolvere il problema di elaborazione. I core di ray tracing dedicati sono inoltre dotati di Tensor Core, che sono in grado di utilizzare l'intelligenza artificiale per dedurre la porzione "in tempo reale" dell'immagine, il problema più computazionalmente intenso di questa tecnica. Quindi le GPU sono in grado di emulare 6 volte più velocemente rispetto alla precedente piattaforma Pascal (su GTX 1080Ti).

Questo è davvero un enorme salto nella tecnologia grafica ed è emozionante pensare che gli studi e gli individui saranno ora in grado di estendere l'uso di questa tecnica di ray tracing alle applicazioni di animazione, giochi scientifici e simulazioni.

Si spera che la tecnologia Ray Tracing sarà sempre più sviluppata, quindi sperimenteremo una qualità dell'immagine ancora più bella, ma al momento è davvero difficile per te provare Ray Tracing per altri utenti di giochi terribili perché richiedono un software enorme. Se hai bisogno di consigli sulla configurazione di gioco Ray Tracing, contatta WebTech360 .

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