За та проти трасування променів. Розбираємося з розробниками в перевагах, недоліках та претензіях гравців до рейтресингу

Трасування променів вже вважається повсякденністю в іграх. Майже у кожному проєкті категорії АА та вище зараз є можливість увімкнути освітлення та тіні на базі рейтрейсингу. Проте навколо технології досі точаться суперечки.

Одні розробники заявляють, що в майбутньому трасування променів безперечно стане індустріальним стандартом. Інші з ними не погоджуються й вказують на проблеми з оптимізацією RTX під системи користувачів. Ентузіасти активно порівнюють ігри з увімкненим рейтрейсингом та без, вказуючи на різницю. А частина користувачів обурюється, що після увімкнення трасування променів змінюється лиш кадрова частота, причому в гіршу сторону.

Ми вирішили ретельно розібратися у всіх перевагах, недоліках та перспективах технології в форматі нової рубрики «за та проти». В цьому нам допомогли шестеро українських фахівців, які поділилися своїми думками про рейтрейсинг.

Коротко про суть трасування променів

Рейтрейсинг — це спосіб побудови зображення тривимірних об’єктів чи сцен. Суть методу полягає у реверсивному обчисленні падіння променів: від екрана, перед яким знаходиться користувач, до джерела. Паралельно вираховується його взаємодія з елементами оточення, які зустрічаються на шляху.

Трасування задумувалося, як спосіб реалізації надзвичайно реалістичних зображень. Спосіб повинен був гарантувати набагато вищу якість, ніж типовий алгоритм. Однак він мав надто високу обчислювальну складність, що створювало відповідні обмеження. Рейтрейсинг переважно застосовувався в задачах, де не було суворих вимог до швидкості рендерингу. Наприклад, для створення статичних зображень.

В геймдеві трасування променів почало активно застосовуватися з 2018 року. Тоді на конференції Gamescom NVIDIA представила свої відеокарти GeForce 20-ї серії з приставкою RTX. Вони були побудовані на новій мікроархітектурі Turing, яка замінила Pascal.

GPU на базі Turing включали тензорні та RT-ядра. Останні прискорили обрахунки світла та звуку в 3D-середовищах до 10 мільярдів променів на секунду. Завдяки цьому швидкість трасування променів у реальному часі зросла у 25 разів порівняно з Pascal, яка взагалі була до цього не пристосована.

У 2020-му NVIDIA презентувала ще технологічнішу мікроархітектуру Ampere. Вона продовжила вектор розвитку, заданий Turing, а паралельно конкурент в особі AMD покращував свій аналог під назвою RDNA. У 2022-му компанія представила третю версію цієї мікроархітектури з покращеною продуктивністю та енергоефективністю.

Завдяки розвитку ігрового «заліза» наявність трасування променів стало нормою для більшості проєктів. За допомогою технології реалізовують глобальне освітлення, тіні та дзеркала, про що ми писали в окремому матеріалі. Прикладів безліч — від Cyberpunk 2077 та World of Warcraft до Minecraft та Alan Wake 2. Проте далеко не всі з них вважаються успішними в ігровій спільноті.

Головні переваги трасування променів

Одна з основних цілей застосування RTX в іграх — це поліпшення візуальної складової. З цим пов’язаний перший з двох плюсів рейтрейсингу. При ефективному застосуванні технологія здатна значно покращити графіку. Спікери відзначили глобальне освітлення в реальному часі, м’які тіні та коректні віддзеркалення.

Андрій Щіпка, Unreal Technical Artist, розповів, що завдяки трасуванню променів картинка в іграх загалом стає реалістичнішою. Бо технологія імітує рух променя від сонця до об’єктів, але з позиції гравця. Андрій Вертолетов, Technical Artist у 4A Games, додав, що результати роботи рейтрейсингу особливо помітні у відкритих світах з динамічною зміною пори доби. Інші опитані розробники з цим погоджуються.

«Використання трасування променів дозволяє досягти результату, який буде наближеним до реальності у візуальному плані. Цей пункт можна вважати перевагою і для гравців. Картинка з трасуванням променів зазвичай виглядає кращою, бо гарантує більш реалістичні тіні, освітлення та віддзеркалення», — Павло Марщак, Principal Technical Artist у Frag Lab.

«Очевидна перевага трасування променів — це відбиття від поверхонь. Відбувається умовний прорахунок поширення фотонів. Це те, що раніше забезпечувало запікання світла, але в реальному часі», — Денис Мамонов, Lighting Artist у GSC Game World.

Друга фундаментальна перевага — спрощення роботи з освітленням, тінями та віддзеркаленнями. Трасування променів дозволяє банально реалізовувати кращу якість при менших витратах часу. Багато інструментів, які раніше застосовувалися для реалізації певних візуальних рішень, як от погодних ефектів, стають непотрібними. В результаті це економить кошти, що завжди добре для виробництва.

«В контексті налаштування освітлення на рівнях зменшується вартість виробництва. Використання трасування променів потенційно може прибрати чи зменшити необхідність застосування традиційних технік, які досі активно практикують. Сюди відносяться ручне позиціювання Environment Probes, ефекти та техніки для штучного затемнення/освітлення з метою імітації більш реалістичного глобального освітлення тощо», — Павло Марщак, Principal Technical Artist у Frag Lab.

Тут варто зупинитися трішки детальніше, тому що для розробників це якраз найважливіший аспект. Завдяки трасуванню променів кількість ручної технічної роботи зменшується в рази. Звісно, фахівці не рахували конкретну кількість зекономлених ресурсів та годин, проте за загальними враженнями, вона доволі відчутна.

Такий ефект досягається завдяки роботі рейтрейсингу в реальному часі. Розробник одразу бачить результат, на який можна розраховувати. За словами Senior Technical Artist з Flying Wild Hog, сучасні рішення «з коробки» вражають своєю якістю. Це особливо стосується технології Lumen, яка включає апаратне та програмне трасування променів.

Як зазначив розробник, технологія не поставляється готовою до гри. Ручні правки та корективи знадобляться в будь-якому разі. Проте їх внесення пришвидшується та спрощується. Зміни можна одразу оцінити, й немає потреби кожного разу додатково рендерити сцену.

Денис Мамонов Lighting Artist у GSC Game World

«Є старі способи захоплення віддзеркалень і запікання світла. Вони непогано функціонують, але це застаріли системи рендеру, з якими дуже складно працювати в сучасних іграх, де часто зустрічаються відкриті світи. Запікання світла банально займає години, а кожна правка потребує нового рендеру. З трасуванням все бачиш в реальному часі. Раніше теж можна було мати динамічне світло, але воно не враховувало поширення фотонів, а віддзеркалень та гарних калюж не було. Тепер це доступно».

Недоліки трасування променів

Рейтрейсинг — відносно молода технологія в геймдеві. Кількість фахівців, які вміють з нею якісно працювати, не така вже й велика. Вона постійно росте разом з виходом нових проєктів, де інтегроване трасування променів. Проте необхідний набір спеціалістів все ще не сформувався. Сюди ж додається вимогливість рейтрейсингу. Це складна для обробки технологія, яка додатково навантажує систему.

Обидва фактори зрештою призводять до проблем з оптимізацією. У великій частині сучасних проєктів трапляється так, що трасування променів надто сильно погіршує продуктивність. Наприклад, Cyberpunk 2077 на NVIDIA GeForce 3060 Ti з високими налаштуваннями відтворюється з кадровою частотою 60-70 кадрів/сек. Показник залежить від складності сцени й інколи просідає до 50 кадрів/сек.

А з увімкненим рейтрейсингом FPS одразу котиться вниз до рівня 25-30 кадрів/с. Якщо увімкнути DLSS 2, то ситуація трішки покращується. Кадрова частота зростає до 45-50 кадрів/сек, проте про стабільні 60 не йдеться навіть з технологією масштабування.

Аналогічна ситуація в A Plague Tale: Requiem. На 3060 Ti з максимальними налаштуваннями лічильник показує близько 60 кадрів/с з коливаннями до 50, а в окремих епізодах трапляються падіння до 40 FPS. Проте з увімкненим трасуванням променів гра відтворюється вже в 30 кадрах/с. Показник можна підняти до 40 кадрів/с з DLSS 2. І ці тести в обох випадках проводилися в роздільній здатності 1080р.

«За даними Steam, найпоширеніша відеокарта серед користувачів — це GeForce RTX 3060. Цієї відеокарти достатньо, щоб познайомитися з трасуванням променів, але доведеться налаштовувати апскейлер і, з великою ймовірністю, зменшувати деякі налаштування якості, щоб у гру вдалося комфортно пограти», — Павло Марщак, Principal Technical Artist у Frag Lab.

Другий недолік пов’язаний з першим. Через складність інтеграції та оптимізації розробники поки що не ризикують робити RTX єдиним варіантом реалізації глобального освітлення у своїх проєктах. Не у всіх користувачів є відповідні системи або «залізо», яке дозволить хоча б запустити гру. А решту можуть відлякати тести продуктивності в інших релізах з трасуванням променів.

Саме тому рейтрейсинг переважно реалізовується як запасний варіант. Це стосується навіть програмного RTX, в якого менші мінімальні вимоги завдяки деяким компромісам. Паралельно з трасуванням застосовуються класичні методи створення глобального освітлення, тіней та віддзеркалень. В результаті загальний обсяг роботи зростає, що відображається на вартості виробництва. І поки що розробники змушені йти на такі жертви, щоб задовольнити якомога більшу кількість потенційних покупців.

«Якщо робити гру виключно під трасування променів, то значна частина гравців не матиме можливості в неї зіграти, тому що для комфортної гри з трасуванням променів необхідна доволі потужна відеокарта і наявність якісної оптимізації у випадку конкретних проєктів. Через це розробник з позиції бізнесу втрачає значну кількість потенційного доходу», — Павло Марщак, Principal Technical Artist у Frag Lab.

Претензії гравців до трасування променів

В сучасних індустріальних реаліях трасування променів — це гра в компроміси. Проєкти з підтримкою технології потрібно підлаштовувати під широкий спектр відеокарт тепер вже трьох поколінь. Між ними є істотна різниця, тому що 20-та і 30-та серія GeForce побудовані хоч і на схожих, проте все ж різних архітектурах. А ці відеокарти ще й вбудовуються в тисячі всіляких конфігурацій.

Розробникам доводиться це враховувати й «зрізати м’ясо». Тобто трасування променів вручну допрацьовують та оптимізують. І часто заради кращої продуктивності доводиться йти на візуальні жертви. В результаті утворюється ситуація, коли по-справжньому оцінити трасування променів можуть лише власники флагманських відеокарт.

Крайній приклад — Path Tracing у Cyberpunk 2077. Технологія робить гру набагато красивішою та насиченішою. Якість затінення та розповсюдження світла від джерел вийшла на новий рівень. Проте працює ця краса лише на графічних процесорах останнього покоління і бажано з дорожчого сегменту. Плюс доводиться вмикати DLSS 3 або інший апскейлер, щоб кадрова частота не провалилася під підлогу.

Решта аудиторії отримує різного ступеня урізану версію технології. В такому форматі, щоб побачити різницю між рейтрейсингом та класичними техніками, потрібна певна експертиза. А ще — спеціально розглядати оточення та вивчати деталі для виваженого порівняння.

Андрій ЩіпкаUnreal Technical Artist

«Негативні відгуки часто виникають через те, що розробники максимально урізають налаштування якості трасування задля більшої продуктивності. В багатьох проєктах є тільки віддзеркалення на базі трасування, що не завжди можна побачити через різне освітлення».

«RT дійсно при деяких умовах візуально не буде відрізнятися від традиційних технік. І без технічної експертизи гравець не зрозуміє, які саме підходи застосовувалися в тому чи іншому випадку», — Андрій Вертолетов, Technical Artist у 4A Games.

Ситуацію підігріває й те, що результат не відповідає очікуванням. А вони ще з 2018 року поступово ростуть завдяки постійним маркетинговим обіцянкам. Трасування променів позиціюється як одна з головних технологій, яку гарантують сучасні відеокарти. Та за п’ять років зовсім небагато проєктів змогли показати потенціал рейтрейсингу.

«Все залежить від того, що гравець очікує побачити. Якщо взяти Minecraft з трасуванням променів і без — різниця колосальна. Та, можливо, деяким гравцям загалом не подобається стиль Minecraft. А от якщо подивитися на World of Warcraft з рейтрейсингом та без, то різницю дійсно складно побачити», — Senior Technical Artist у Flying Wild Hog.

В результаті сприйняття трасування променів серед гравців дуже варіюється і залежить виключно від успішності компромісів. Якщо розробники постаралися витиснути максимум з технології та забезпечити невелику ціну, з погляду оптимізації, то такий проєкт похвалять за рейтрейсинг. А в інших випадках гравці критикують або навіть кепкують з трасування, не помічаючи якогось видимого ефекту від його увімкнення.

Павло МарщакPrincipal Technical Artist у Frag Lab

«З мого погляду, джерело подібних думок — це співвідношення ціни та отриманого результату. Як у грошовому еквіваленті, так і у дорогоцінних мілісекундах швидкодії. Я не буду називати конкретні ігри, але користувач міг помітити наступне: в одній грі трасування променів від’їдає 20% швидкодії й при цьому значно покращує візуальну складову гри, глобальне освітлення, тіні, красиві віддзеркалення у реальному часі.

В іншому проєкті при увімкненні трасування швидкодія падає на 50%. Це дуже багато, особливо якщо базова продуктивність коливається у межах 60-75 кадрів/сек. І картинка майже не змінюється: треба вдивлятися у відображення в калюжі, робити порівняльні скриншоти, щоб побачити хоч якийсь ефект від увімкнення RT, окрім падіння продуктивності.

Оптимальне впровадження трасування променів в продукт — це робота і відповідальність розробника. Як і будь-яка інша робота, вона може бути виконана, як професійно, так і „на відчепись“, лише щоб додати напис „підтримка RT“ в опис гри. Такий собі selling point. Якщо підсумувати, то гравці не отримують обіцяних маркетологами вражень, а натомість стикаються зі значним зниженням FPS».

Трасування променів в сучасному геймдеві

Думки розробників щодо створення сучасних проєктів із застосуванням виключно рейтрейсингу розійшлися. Частина спікерів вважають, що для цього ще не сформувалися обставини. Є проблеми зі складністю оптимізації, різноманіттям «заліза» та завищеними очікуваннями користувачів. Якщо не виправдати останні, можна натрапити на різку критику від гравців-ентузіастів, які ретельно спостерігають за технічними інноваціями.

«Вважаю, що суто трасування поки не може бути основною технологією для реалізації освітлення. Апаратна частина ще не готова до цього. Можливо, підійдуть гібридні рішення, як Lumen, але й там є свої обмеження і дуже багато візуальних багів, з якими потрібно додатково працювати», — Senior Technical Artist у Flying Wild Hog.

А ще компанії необхідно бути готовою відсікти частину потенційних покупців. Бо згідно зі звітом Valve за березень 2024 року, у 4,2% користувачів встановлена GTX 1650, у 3,39% — GTX 1060, у 2,4% — GTX 1050 Ti. І цей перелік можна це довго продовжувати.

Сукупно частка відеокарт, які не підтримують рейтрейсинг, серед користувачів Steam перевищує 30%. Звісно, не всі вони будуть цільовою аудиторією кожного проєкту. Проте показник значний, особливо в сучасних реаліях, коли ігри намагаються продавати якомога більшій кількості людей. Керівники великих компаній часто говорять, що розробка стала дорожчою. І щоб окупити витрати, необхідно розширювати охоплення. Продавати масштабні нішеві проєкти групі фанатів — це вже розкіш, яку бізнес не може собі дозволити.

«Думаю, ще надто рано створювати повноцінні проєкти, покладаючись на трасування променів, в першу чергу — через оптимізацію. Така гра не зможе охопити середні та бюджетні ПК і, відповідно, принесе менше прибутку. Зараз у фокусі компаній охоплення якнайбільшої аудиторії та якнайдовша підтримка гри. Проте в нас вже є Lumen в UE5. Вона за принципом роботи дуже наближена до технології трасування та відносно оптимізована, що вивело графіку на новий рівень. Це демонструє приклад Unrecord та ще багатьох проєктів», — Андрій Щіпка, Unreal Technical Artist.

На Lumen вказують й спікери. Вони вважають, що на основі цієї технології можна повністю будувати глобальне освітлення із застосуванням елементів трасування променів. Звісно, доведеться враховувати різні нюанси та йти на компроміси. Та якщо якісно виконати роботу, результат не буде суттєво відрізнятися від застосування чистого апаратного рейтрейсинга.

«Я вважаю, що у вправних руках трасування може стати основною технологією, особливо якщо конкретний проєкт потребує якісного реалістичного освітлення. Але є деякі нюанси. Наприклад, Lumen має можливість працювати у двох режимах. Перший — програмне трасування променів (Software Ray Tracing). Технологія має деякі обмеження у використанні й дає більш апроксимований результат, але водночас лояльніша до „заліза“ користувачів. В цьому випадку не використовуються RT-ядра чи Ray Accelerators.

Апаратне трасування променів (Hardware Ray Tracing) дозволяє досягти більш реалістичної графіки та має менше обмежень у використанні, але вимагає кращого обладнання. Використання обох технік у гібридному форматі дозволяє досягти бажаної якості освітлення/віддзеркалень для доволі широкого списку користувацьких девайсів», — Павло Марщак, Principal Technical Artist у Frag Lab.

Перспективи трасування променів

На сучасному етапі розвитку геймдеву та апаратного забезпечення впровадження трасування променів дійсно стає, з одного боку, проблемою для розробників, а з іншого — частим об’єктом для критики. Проте фахівці не сумніваються, що в майбутньому технологія стане індустріальним стандартом.

Причини доволі прості. Якісно реалізовані тіні, віддзеркалення та глобальне освітлення прикрашають візуальну складову, роблять її реалістичнішою. Рейтрейсинг дозволяє досягати такого ефекту з економією часу в порівнянні з класичними техніками. В результаті це виграшна для всіх історія — як для розробників, так і для гравців.

А з часом буде наповнювати й база знань щодо застосування трасування променів. З’являться нові рішення, які будуть підтримувати виробники заліза, й поступово зростатиме якість. Тому масовий перехід на рейтрейсинг точно буде. Питання лиш в тому, коли критична маса користувачів перейде на сучасніші відеокарти.

«Трасування променів вже багато де застосовується. Unreal Engine 5 має нову систему Lumen, яка є певною реалізацією трасування на програмному рівні, який ще й можна апаратно підсилити. Це доступна технологія, яка з кожним оновленням стає все більш відшліфованою. Переходи студій зі своїми власними рушіями на UE5 багато кажуть про цей потенціал», — Денис Мамонов, Lighting Artist у GSC Game World.

«Питання тільки у частці користувачів, що використовують старіше залізо та вашій цільовій платформі. Частка ринку відеокарт, що не підтримують RT, продовжує падати. Отож, я бачу сенс орієнтувати усі ААА-ігри, що зараз знаходяться на ранньому етапі розробки, на консолі сучасного покоління та ПК з підтримкою трасування променів», — Андрій Вертолетов, Technical Artist у 4A Games.

«Я вважаю, що впродовж 4-5 років потужність відеокарт бюджетного/середнього сегмента досягне достатнього рівня, щоб апаратне трасування променів перетворилося на стандарт. Паралельно із „залізом“ ми можемо спостерігати й за розвитком програмних технологій, націлених на покращення досвіду застосування трасування променів.

Враховуючи розвиток апскейлерів, прогнозовані 4-5 років можуть скоротитися і до 2-3. Наприклад, DLSS 3.5 від NVIDIA вже підтримує реконструкцію променів, що підвищує деталізацію і дозволяє робити базові розрахунки трасування в меншій якості, тобто дешевше для швидкодії», — Павло Марщак, Principal Technical Artist у Frag Lab.

Підписуйтеся на Telegram-канал @gamedev_dou, щоб не пропустити найважливіші статті і новини