Ray Tracing, Respuestas a Tus Preguntas: Tipos de Ray Tracing, Rendimiento en las GPU GeForce y Más

Por Andrew Burnes el 11 de abril de 2019 | GeForce GTX GPUs GeForce RTX GPUs Featured Stories NVIDIA RTX Ray Tracing

El Ray Tracing en tiempo real es el mayor salto en gráficos de computadora en años, brindando iluminación, sombras y efectos realistas a los juegos, mejorando la calidad de imagen, el juego y la inmersión. En la Conferenica de Desarrolladores de Games de este año, el ray tracing estuvo en todas partes: Unreal y Unity anunciaron y lanzaron integraciones de motores, los desarrolladores presentaron y atendieron paneles de ray tracing en masa, y los estudios demostraron sus últimas versiones de juegos con ray tracing, a la vez que compartieron información sobre cómo el ray tracing también puede ayudar con el desarrollo del juego.

Activar todas estas experiencias y juegos fueron las GPU GeForce RTX, que incluyen RT Cores, un hardware dedicado diseñado para ofrecer el rendimiento necesario para ejecutar experiencias de ray tracing de alta fidelidad en tiempo real a altas resoluciones.

Desde el lanzamiento de nuestras GPU GeForce RTX, hemos continuado optimizando y mejorando el ray tracing, y hemos ayudado a los desarrolladores a mejorar aún más el rendimiento del ray tracing en sus juegos. Combinados, estos esfuerzos no solo han acelerado el rendimiento del ray tracing para todos los jugadores de GeForce RTX, sino que también han hecho posible que los jugadores con GeForce GTX 1060 6GB y GPU superiores puedan probar los efectos básicos de DirectX Raytrac (DXR) a través de un nuevo driver Game Ready.

Las Laptops con GPU de Pascal y Turing equivalentes también pueden habilitar DXR

Cuando anunciamos por primera vez esta importante actualización de nuestro soporte de DXR, hubo numerosas preguntas de la comunidad sobre la tecnología y el rendimiento de DXR. La inmersión profunda a continuación tiene como objetivo responder las principales preguntas de la comunidad, pero si tiene preguntas adicionales, consúltenos aquí.

Rendimiento GeForce RTX y GTX

Cuando anunciamos la introducción de DXR para las GPU GeForce GTX el mes pasado, muchos de ustedes preguntaron cómo se realizarían estas GPU con el ray tracing habilitado. En resumen, varía mucho según el nivel general de rendimiento del juego, la resolución de renderización, la configuración del juego, los tipos de ray tracing utilizados por el juego y el nivel de calidad de ray tracing seleccionado.

Para comprender lo que está sucediendo y cómo influye en el rendimiento, se requiere un curso acelerado en el ray tracing.

Para representar efectos con ray tracing, se realizan varias cargas de trabajo nuevas (tareas) en la GPU. La primera es determinar en qué triángulo de la escena del juego se interceptará un rayo, utilizando una técnica computacionalmente intensiva llamada Bounding Volume Hierarchy (BVH). Después de que se calculan los rayos, se aplica un algoritmo de eliminación de ruido para mejorar la calidad visual de la imagen resultante, de modo que se puedan emitir menos rayos totales, lo que permite que el proceso se ejecute en tiempo real a velocidades de cuadro reproducibles.

Los núcleos RT en las GPU GeForce RTX proporcionan hardware dedicado para acelerar los cálculos de intersección de rayos / triángulo y BVH, acelerando dramáticamente el ray tracing. En las GPU GeForce GTX, estos cálculos se realizan en los núcleos de sombreado, un recurso compartido con muchas otras funciones gráficas de la GPU.

Para ver qué significa esto en la práctica, examinemos un cuadro de juego de Metro Exodus, que presenta una iluminación global con ray tracing:

Los gráficos miran la utilización de GPU en Pascal; Turing con núcleos RT deshabilitados (a través de una configuración de software especial); y Turing con núcleos RT y DLSS habilitados.

En las GPU de arquitectura Pascal, vemos que el ray tracing y todas las demás tareas de representación de gráficos son manejadas por los núcleos de sombreado de FP32 Pascal. Esto lleva más tiempo en realizarse, lo que significa que el jugador se encuentra con una tasa de cuadros más baja. La arquitectura de Turing introdujo los núcleos INT32 que funcionan simultáneamente con los núcleos FP32, lo que ayuda a reducir el tiempo de fotogramas. Y con RT Cores y Tensor Cores, el tiempo de ejecución se reduce significativamente, lo que se traduce en un rendimiento en el juego 2-3 veces más rápido

Un primer plano de un cuadro de Metro Exodus en una GPU GeForce RTX, utilizando núcleos RT y núcleos Tensor

ay muchas formas de implementar el ray tracing en juegos, desde reflejos hasta sombras, iluminación (iluminación global), oclusión ambiental, cáusticos e incluso rastreo de trayectoria de la escena completa. Y cada tipo tiene requisitos de rendimiento únicos.

 

Reflections Ray-Tracing

Antes de la introducción del ray tracing de videojuegos en tiempo real, la mejor tecnología de reflexión disponible era Screen Space Reflections (SSR). Los desarrolladores podrían combinar la SSR con cubemaps y otras técnicas para construir un sistema de reflexión más convincente, aunque ninguna combinación de tecnología podría superar los problemas principales de la SSR: una incapacidad para reflejar los detalles fuera de la pantalla y un ángulo bajo, y una incapacidad para reflejar ocluidos detalles en pantalla.

Las reflexiones con ray tracing abordan todos esos problemas, y más, para generar reflexiones de alta resolución, escenas completas y en tiempo real que reflejen los detalles delante, detrás, arriba y debajo del reproductor o la cámara; Detalles que el jugador no pudo ver con técnicas anteriores.

BattlefieldTM V fue el primer juego en lanzarse con reflejos con ray tracing, y en la implementación de DICE, los reflejos se aplican selectivamente a superficies reflectantes como el agua y el vidrio.

Los rayos se lanzan hacia las superficies reflectantes visibles desde la cámara del jugador, en lugar de hacerlo desde la cámara del jugador en toda la escena. Esto reduce en gran medida la cantidad de rayos que deben emitirse, lo que aumenta el rendimiento.

Battlefield V 2560x1440 Ultra DXR performance on GeForce RTX and GeForce GTX GPUs

Haz clic arriba para el rendimiento 4K y 1920x1080

Ray Tracing Reflections Avanzadas

Si un desarrollador desea llevar los reflejos con ray tracing un paso más allá, puede rastrear reflejos adicionales en escenas más complejas y renderizar reflejos en superficies curvas o imperfectas. Si lo hace, aumenta rápidamente el conteo de rayos, laReflections Ray trazado y la dificultad de sombreado, porque los rayos de luz ahora se dispersan en diferentes direcciones y con múltiples rebotes.

Un ejemplo clásico de reflexiones avanzadas es el efecto de la sala de espejos que refleja infinitamente, lo cual es imposible de lograr con las técnicas tradicionales de reflexión en el espacio de la pantalla.

Para construir escenas con estos efectos, se requieren Reflexiones de Ray Tracing avanzadas, que aumentan en gran medida la carga de trabajo de ray tracing mediante el uso de rayos rebotados adicionales en cada punto de intersección.

Las demostraciones RTX Tech de Atomic Heart y Reflections, y 3DMark Port Royal, que se analizan a continuación, presentan reflejos con ray tracing y resaltan los beneficios de los núcleos RT dedicados para lograr cuadros por segundo suaves.

Sombras con Ray Tracing

Las sombras de los videojuegos han avanzado mucho en los últimos años, agregando muchas características que los han acercado a replicar la apariencia de las sombras en el mundo real. Hasta la llegada del ray tracing en tiempo real, nuestra propia técnica de Sombras Híbridas Trazadas Híbridas (HFTS, por sus siglas en inglés) se acercó, pero en última instancia, y otras técnicas rasterizadas fueron una colección de trucos ingeniosamente programados para tratar de emular el aspecto de una sombra.

Los desarrolladores necesitaban equilibrar cuidadosamente las propiedades de sus mapas de sombra tradicionales para maximizar la precisión, los detalles y las distancias de visión, mientras que evitan el alias de sombra, la granulación de sombra (auto-sombreado erróneo) y el desprendimiento de sombra (incapacidad para conectarse completamente con la base del lanzador de sombras para molerlo).

En última instancia, siempre hubo una compensación o un problema visible que redujo la inmersión. Pero con el ray tracing, esos problemas ya no son una preocupación. En su lugar, proyectamos rayos a través de una escena para dar cuenta de manera realista a los personajes, los objetos y el follaje que bloquean la luz, dando como resultado sombras reales. Y más allá de la adición de sombras precisas, podemos por primera vez admitir grandes interacciones complejas y sombras translúcidas en tiempo real a un nivel de detalle mucho más allá de lo que antes era posible.

3DMark Port Royal, la demostración de Atomic Heart RTX Tech, Control, la demostración de Justice RTX Tech, Shadow of the Tomb Raider y la demostración de Reflections RTX Tech presentan sombras con ray tracing.

En Shadow of the Tomb Raider, el ray tracing introduce cinco técnicas de sombra que no se podían reproducir con las técnicas tradicionales.

En "Medio", el valor predeterminado de ray tracing más bajo, hay una cantidad mínima de ray tracing, que se aplica solo a las luces de puntos que se encuentran ocasionalmente en el mundo, como las velas. Por este motivo, recomendamos "Alto", ya que se representan sombras adicionales con ray tracing en todos los niveles del juego, lo que tiene un impacto continuo en el realismo.

La dificultad de ray tracing en las sombras aumenta con el número y tipo de las fuentes de luz, y también la complejidad de los objetos que causan la sombra. Incluso para un solo punto, las fuentes de luz en diferentes ángulos deben rastrearse por separado para mostrar la sombra correcta: cuantos más ángulos y luces, más rayos se necesitan.

El rendimiento de las sombras con ray tracing en Shadow of the Tomb Raider, usando la configuración de Alto DXR, se muestra en las siguientes tablas:

Shadow of the Tomb Raider 2560x1440 High DXR performance on GeForce RTX and GeForce GTX GPUs

Haz clic arriba para el rendimiento 4K y 1920x1080

Iluminación Gobal con Ray Tracing

Las capacidades de ray tracing en tiempo real de las GPU GeForce RTX también nos permiten modelar con mayor precisión el efecto del rebote de la luz en las superficies de una escena, dando a los desarrolladores la capacidad de agregar iluminación global difusa indirecta con ray tracing a sus juegos.

Si no estás familiarizado con el término "Iluminación global", describe el proceso de cálculo de todas las interacciones de luz en una escena, incluidas las contribuciones indirectas resultantes de la luz que rebota de una superficie a otra. Antes de ahora, se lograba comúnmente con mapas de luz pre-computados, sondas de luz basadas en imágenes, armónicos esféricos y mapas de sombras reflexivos, además de luces colocadas por artistas para ayudar a forzar la iluminación donde las técnicas mencionadas fallan.

Estas técnicas tenían varias deficiencias, la mayor de las cuales era que la iluminación dinámica no podía rebotar o iluminar más allá del área que la luz golpeó.

Por ejemplo, imagina una habitación oscura con una luz brillante que brilla a través de una ventana. Con las técnicas tradicionales, todo lo que es directamente afectado por la luz se ilumina, pero las áreas iluminadas en sí mismas no rebotan la luz, y no iluminan los elementos circundantes del juego, cuando en realidad lo harían.

Con el ray tracing, ahora tenemos la capacidad de modelar con mayor precisión la iluminación difusa indirecta dinámica reflejada por uno o más rebotes indirectos de superficies en la escena. Esto permite a los desarrolladores crear escenas dinámicas con una iluminación indirecta más realista que se actualiza en tiempo real a medida que se producen cambios y eventos en el mundo del juego.

En otras palabras, la luz rebota naturalmente, iluminando los detalles circundantes. Y si el sol se mueve o las persianas se abren, la iluminación de la habitación cambia de manera realista; Permitiéndole ver la habitación con una luz completamente nueva.

Metro Exodus fue el primer juego en integrar una tecnología de iluminación global con ray tracing en tiempo real, permitiendo a los desarrolladores 4A Games crear escenas dinámicas con una iluminación difusa indirecta más realista que se actualiza en tiempo real a medida que cambia la iluminación y ocurren eventos en el mundo del juego.

En Metro Exodus, los rayos se emiten por píxeles, lo que hace que la iluminación global del ray tracing sea más intensiva en rendimiento que los limitados reflejos de ray tracing, donde los rayos se pueden emitir de forma más selectiva. Sin embargo, el costo vale la pena, como lo afirma el sitio de tecnología DigitalFoundry, quien afirmó que "el ray tracing proporciona algunos momentos simplemente espectaculares de" siguiente nivel ".

Para las GPU GeForce GTX, la carga de trabajo adicional de RTGI produce un impacto considerable en el rendimiento:

Metro Exodus 2560x1440 Ultra DXR performance on GeForce RTX and GeForce GTX GPUs

Haz clic arriba para el rendimiento 4K y 1920x1080

Caustics con Ray Tracing

Caustics se refieren al enfoque de los ray tracing reflejados o refractados por una superficie u objeto curvo, o la proyección de esa envoltura de rayos en otra superficie. Esto se ve comúnmente cuando las ondas en la superficie del agua se doblan y enfocan la luz en patrones cambiantes de áreas brillantes y oscuras. Para reproducirlos en los juegos se requieren atajos y aproximaciones para lograr resultados en tiempo real estéticamente agradables, pero estos nunca fueron precisos ni realistas.

Con el ray tracing DXR, los desarrolladores pueden finalmente producir cáusticos realistas, y en el desarrollador de Justice, NetEase ha hecho precisamente eso (para más detalles, consulta las sesiones gratuitas y patrocinadas de Justicia y Caustic GDC aquí).

Además de los productos cáusticos, la demostración tecnológica de Justice RTX también presenta reflejos y sombras con ray tracing, lo que mejora enormemente la apariencia de sus escenas, como se puedes ver en el video de arriba.

Justice NVIDIA RTX Tech Demo 2560x1440 DXR performance on GeForce RTX and GeForce GTX GPUs

Haz clic arriba para el rendimiento 4K y 1920x1080

Real Time Ray Tracing: Momentum Continues

Hay mucho más por venir en el mundo del ray tracing, este año y en el futuro: Unreal Engine y Unity han agregado tecnología y herramientas de ray tracing, lo que permite a los desarrolladores de todo el mundo crear experiencias con ray tracing. Remedy Entertainment está agregando el ray tracing al próximo Control; el esperado Vampire: The Masquerade - Bloodlines 2 utilizará el ray tracing cuando sea lanzado en 2020; estamos trabajando en mejoras de ray tracing para el clásico Quake II; y numerosos desarrolladores están integrando activamente el ray tracing en los juegos que se lanzarán este año, el año próximo y en los años posteriores. Para obtener información sobre ellos, y todo lo demás de ray tracing, permanece sintonizado en GeForce.com.

Mientras tanto, asegúrate de descargar y probar las demostraciones de la tecnología NVIDIA RTX para Atomic Heart, Justice y Reflections para obtener más ejemplos de cómo el trazado de rayos puede mejorar los juegos.

Esperamos que este amplio artículo haya respondido a todas tus preguntas sobre el soporte DXR en las GPU GeForce. Si no es así, por favor pregunta a tus seguidores aquí.