تکنیک Ray Tracing چیست و آیا می‌تواند منجر به تغییری عظیم در بازی‌های رایانه‌ای شود؟

تکنیک Ray Tracing چیست و آیا می‌تواند منجر به تغییری عظیم در بازی‌های رایانه‌ای شود؟


بازی‌های رایانه‌ای مدرن و امروزی در زمینه جلوه‌های بصری می‌توانند بسیار فوق‌العاده و حیرت‌انگیز نمایان کنند، عاملی که در سال‌های اخیر و به لطف توان پردازشی بسیار ضعیف کنسول‌ها متاسفانه با محدودیت‌های فراوانی همراه شده و آنچنان موفق به نمایش پتانسیل‌های خود نگشته‌اند.

افزایش کیفیت بازی‌های رایانه‌ای در گذشته بر پایه افزودن تعداد چند ضلعی‌های فراوان به اجسام و کاراکترهای موجود در محیط بازی و استفاده شدید از تکنیک‌هایی همچون موزاییک کاری (تسلیشن) انجام می‌پذیرفته است که این مهم خود نیازمند توان فراوانی جهت پردازش جهان مجازی بازی بوده است، اما رویه فوق خوشبختانه با عنایت به جلوگیری از تولید چند ضلعی‌های فراوان و جایگزینی آنها با تغییرات کوچک، اما بنیادین در بخش‌هایی همچون کیفیت بافت‌ها، وضوع تصویر، نورپردازی، جلوه‌های بصری و … دگرگونی فراوانی را به خود دیده و بستر فزونی چشمگیر عناوین رایانه‌ای را، حتی با وجود محدودیت‌های کنسول‌های بازی فراهم آورده است.

اگر کنفرانس خبری کمپانی‌های مایکروسافت، انویدیا و ای‌ام‌دی را در طی مراسم GDC مشاهده کرده باشید، بدون شک با تکنیک “ردیابی پرتو” یا به عبارتی دیگر “Ray Tracing” نیز آشنایی داشته و با خود اندیشیده‌اید که نحوه عملکرد آن چیست، آیا فناوری فوق در زمینه دگرگونی چشمگیر جلوه‌های بصری بازی‌های رایانه‌ای می‌تواند مفید واقع شده و انقلابی عظیم را با خود به ارمغان آورد؟

Ray Tracing

اگر تاکنون به تماشای فیلم‌های دربردارنده جلوه‌های بصری و گرافیکی بسیار فراوان نشسته باشید، حتماً با زیبایی بسیار خیره کننده تصاویر کامپیوتری، اجسام و کاراکترهای نزدیک و چه بسا فراتر از واقعیت و به‌خصوص نورپردازی چشم‌نواز آنها نیز آشنایی دارید، اما چرا بازی‌های رایانه‌ای با وجود پیشرفت‌های عظیم موتورهای گرافیکی و افزایش شگرفت توان پردازشی تراشه‌های شتاب دهنده گرافیکی هنوز هم با اختلاف فراوانی از آنها عقب بوده و بعضاً به هیچ عنوان قابل مقایسه با یکدیگر نمی‌باشند؟

علت این امر مستقیماً به تصاویر از پیش رندر شده و فرصت کافی جهت انجام این مهم باز می‌گردد. یک فیلم سینمایی با توجه به تاریخ عرضه خود از زمان مناسب و کافی جهت تدارک جلوه‌های گرافیکی برخوردار بوده و توسعه دهندگان با استفاده از توان بسیار عظیم مزارع پردازش و یا سرورهای خوشه‌ای متشکل از تعداد هزاران هزار پردازنده مرکزی یا تراشه شتاب دهنده گرافیکی به طراحی صحنه‌های گرافیکی و جلوه‌های ویژه مبادرت می‌ورزند، اما این مهم در بازی‌های رایانه‌ای به صورت کاملاً بلادرنگ به وقوع پیوسته و پردازشگرهای رایانه‌ای باید به‌طور کاملاً لحظه‌ای و پیوسته به رندر تصاویر مبادرت ورزند. علاوه بر آن از آنجایی که یک فیلم سینمایی یا سریال تلویزیونی این مهم را پیشتر به انجام رسانده و سپس نتایج خروجی را در برابر دیدگان شخص به نمایش در می‌آورد، امکان استفاده از قدرت عظیم پردازشی و محاسباتی به صورت غیر زمان حقیقی امکانپذیر می‌باشد، عاملی که رعایت آن در بازی‌های رایانه‌ای عملاً غیر ممکن است، زیرا تمامی تصاویر و فریم‌ها در لحظه توسط واحدهای پردازنده مرکزی و تراشه شتاب‌دهنده گرافیکی در حال پردازش و رندر می‌باشند.

یک سیستم گیمینگ در بهترین شرایط تنها تعداد 3 یا 4 کارت گرافیک در پیکربندی SLI یا کراس‌فایر را به‌صورت مطلوب می‌تواند در بطن خود جای دهد، در حالی که یک رایانه خوشه‌ای و یا سرور پردازش قادر است این مهم را با ضریب چند صد برابری با خود به ارمغان آورد. جهت درک بهتر گستردگی موضوع استودیو انیمیشن‌سازی پیکسار را در نظر بگیرید. استودیو فوق مزرعه رندر یا به عبارتی دیگر ابرکامپیوتری متشکل از تعداد 2 هزار رایانه و 24 هزار هسته پردازشی را در اختیار دارد. این مهم در نگاه کلی توان محاسباتی بسیار عظیمی را با خود به ارمغان می‌آورد، اما پردازش هرکدام از فریم‌های تشکیل دهنده ساختار انیمیشن زیبای دانشگاه هیولاها (Monster’s University) با این وجود 29 ساعت به طول انجامیده است که این خود مجموع تصاویر نهایی فیلم را با پردازشی دو ساله همراه ساخته است، حال کدام یک از سیستم‌های گیمینگ از چنین توانی برخوردار می‌باشند؟ آیا تمامی بازی‌بازان از توانایی دسترسی به ابرکامپیوترهای قدرتمند جهت اجرای بازی‌های رایانه‌ای برخوردارند؟

توضیحات ارائه شده در پاراگراف پیشین علت اصلی تفاوت‌های موجود در بین جلوه‌های بصری فیلم‌های سینمایی از پیش رندر شده و عناوین کامپیوتری را مشخص می‌سازند. بازی‌های رایانه‌ای با توجه به ماهیت پردازش بلادرنگ خود نیازمند توان محاسباتی بسیار عظیمی می‌باشند و از آنجایی که تهیه و خرید چنین سیستمی برای طیف گسترده‌ای از افراد غیرممکن است، لذا طراحی و توسعه الگوریتم‌ها و تکنیک‌های مشابه جهت شبیه‌سازی جلوه‌های گرافیکی و نورپردازی نزدیک به واقعیت امری بسیار لازم و ضروری به شمار می‌رود که فناوری ردیابی پرتو یا به عبارتی دیگر Ray Tracing نیز نمونه‌ای از این موارد محسوب می‌گردد.

Ray Tracing

تکنیک Ray Tracing سالیان سال است که توسط توسعه دهندگان فیلم‌های سینمایی و تصاویر CGI به‌کار گرفته می‌شود، اما بستر استفاده از آن به دلیل محدودیت‌های پردازشی بسیار شدید در بازی‌های رایانه‌ای عملاً غیر ممکن بود؛ حال با پای در میدان گذاشتن رابط‌های برنامه‌نویسی سطح پایین همچون دایرکت‌ایکس 12، معرفی معماری‌های جدید و قدرتمند تراشه‌های شتاب دهنده گرافیکی از جانب کمپانی‌های انویدیا و ای‌ام‌دی و طراحی الگوریتم‌های ویژه به‌منظور شبیه‌سازی تکنیک‌های نورپردازی به صورت کاملاً بهینه و زمان حقیقی در زمینه فراهم آوردن زیرساخت‌های مناسب جهت استفاده از آن تاثیرات بسیاری را به خود اختصاص داده‌اند.

بسیاری از تکنیک‌های نورپردازی معمول و مورد استفاده موتورهای گرافیکی قدرتمند حال حاضر نظیر فراست‌بایت، کرای انجین و … تمرکز اصلی خود را بر افزایش تعداد منابع تولید نور و زیبایی پرتوهای ساطع شده از قالب آنها قرار داده‌اند، اما تکنیک پردازش Ray Tracing درست عکس این مهم را به انجام رسانده و با فراهم آوردن بستری جهت شبیه‌سازی نحوه تعامل پرتوهای نور با اشیاء و اجسام موجود در محیط با دیدی همانند چشم انسان در دنیای واقعی، زیبایی خیره کننده و وصف ناشدنی را با خود به ارمغان آورده است.

Ray Tracing در حالت کلی نوعی تکنیک پردازشی به شمار می‌رود که از قابلیت تولید اثرات نوری بسیار حقیقی و نزدیک به واقعیت برخوردار است. الگوریتم توسعه یافته برای فناوری فوق مسیر حرکت اشعه و پرتوهای نوری را در قالب نقاط منحصر به فرد رنگی یا به‌عبارتی دیگر پیکسل ردیابی کرده و سپس با انجام محاسبات و شبیه‌سازی نحوه برخورد امواج با اجسام موجود در محیط جهان مجازی بازی‌های رایانه‌ای منظره‌ای بسیار چشم نواز و خیره کننده را با خود به ارمغان می‌آورد.

Ray Tracing

تکنیک پردازش Ray Tracing امکان خلق سایه و انعکاس‌های بسیار نزدیک به واقعیت و شبیه به جهان حقیقی را در کنار دیگر اثراتی همچون بهبود چشمگیر میزان شفافیت و پراکندگی نور در لایه‌ها و سطوح مختلف میسر می‌سازد. به عنوان مثال الگوریتم نهان در پشت پرده فناوری نامبرده موقعیت برخورد نور را به عنوان یک پارامتر در نظر داشته و سپس با انجام محاسبات مربوط به تعامل و اثر متقابل نور و اجسام بر یکدیگر، بستر پردازش فاکتورهایی همچون سایه، انعکاس، پراکندگی و … را با درصد بسیار فراوانی نزدیک به چشم انسان فراهم می‌آورد؛ عاملی که دقت به آن پیشتر در دستور کار قرار نگرفته است. علاوه بر آن جهت و زاویه برخورد فوتون‌های نور با اجسام در زمینه تولید رنگ‌های مختلف در جهان واقعی تاثیرگذار می‌باشد که این مهم در قالب تکنیک Ray Tracing نیز رعایت شده است.

پست های مرتبط

دیدگاه خود را بنویسید