Ray tracing, czyli inny wymiar grafiki. Czym jest i jakie daje korzyści w grach?

Ray tracing, czyli śledzenie promieni w czasie rzeczywistym, to technika, która weszła do świata gier wideo dość niespodziewanie wraz z premierą kart graficznych GeForce RTX 2000 (NVIDIA Turing). Rozwiązanie, o które nikt nie prosił, a które odmienia jakość grafiki. Co warto wiedzieć o technice ray tracingu? Jak bardzo upiększa oprawę wizualną? Czy aktywacja RT wiąże się z dużym spadkiem wydajności? Odkryj najważniejsze tajemnice skrywające się za ray tracingiem.

Ray tracing, czyli technika znana od lat z hollywoodzkich filmów

Ray tracing to technika, który jest wykorzystywana w innych dziedzinach od wielu lat. Jest w użyciu od dłuższego czasu chociażby w wizualizacjach architektonicznych czy wysokobudżetowych filmach. Stworzenie realistycznie wyglądających obrazów wymaga jednak dużej mocy obliczeniowej i wielu godzin albo nawet dni, by wyrenderować chociażby krótką scenę.

Nie stała się ona wcześniej częścią gier wideo właśnie ze względu na ograniczenia technologiczne. Niemożliwe stało się możliwe dzięki premierze we wrześniu 2018 roku kart graficznych NVIDIA GeForce RTX 2000 (RTX 2080 Ti, RTX 2080 i RTX 2070), które wyposażono w specjalne sprzętowe rdzenie RT. NVIDIA tym samym dumnie wkroczyła jako pierwsza w erę nowej generacji gamingu, wieszcząc wręcz rewolucję w grafice gier wideo.

gry z ray tracingiem
Źródło: NVIDIA

„Zieloni”, owszem, wyprzedzili konkurencję o lata, ale o co ten szum? Czym w ogóle jest ray tracing w grach i co tak naprawdę zmienia? Czy faktycznie wnosi jakość szaty graficznej na niespotykany wcześniej poziom? I jakim odbywa się to kosztem?

Temat budzi też uzasadnione wątpliwości. Bo co nam po wzmocnionych przez śledzenie promieni doznaniach wizualnych, jeśli zarzynają one nawet najmocniejsze karty graficzne? Ogranicza to liczbę graczy, którzy w ogóle mogą skorzystać z dobrodziejstw ray tracingu. Także dlatego, że poprawa nie musi adekwatna do efektów widocznych na ekranie, bo wtedy zaczniesz sobie zadawać pytanie: czy warto? Zatem, jak RT wypada w praktyce? Co warto wiedzieć?

Czym jest ray tracing? Jak działa śledzenie promieni?

Ray tracing, po polsku śledzenie promieni, jest techniką renderowania grafiki, która odpowiada za realistyczną symulację zachowania światła. Śledzi ścieżkę światła i określa sposób, w jaki oddziaływałoby z elementami otoczenia wirtualnego świata. Renderuje fizycznie wierne odbicia, cienie czy oświetlenie rozproszone.

działanie śledzenia promieni
Źródło: NVIDIA

Technika RT oblicza, jak promienie świetlne odbiłyby się od powierzchni, mając na uwadze, ich źródło, kąt padania czy odległość. A także to, jak przeniknęłyby przez różnego rodzaju elementy oraz jak zareagowałyby w „zderzeniu” z obiektami w danej scenie lub załamały się podczas przechodzenia przez szkło lub wodę. Ray tracing obejmuje nie tylko źródła, które gracz widzi na ekranie swojego monitora lub telewizora.

W odróżnieniu od tradycyjnych technik wykorzystujących rasteryzację algorytm śledzenia promieni bierze bowiem pod uwagę również źródła światła, których nie widać, ale docierają do nas poprzez odbicia lub załamanie. Analizuje jednak tylko te, które trafiają bezpośrednio do obserwatora sceny, czyli gracza. Wszak proces wyrenderowania wszystkich promieni wymagałby zbyt dużej mocy obliczeniowej.

porównania procesu rasteryzacji i ray tracingu
Źródło: NVIDIA

Przed erą ray tracingu oświetlenie było wyłącznie sztucznie generowane. Mimo imponujących prób ma się nijak do śledzenia promieni w czasie rzeczywistym, które jest w stanie oddać fizyczną dokładność odbić czy załamań światła. Mniej zaawansowane rozwiązania stają się powoli przestarzałe – np. nie wyświetlają odbić obiektów, które znajdują się poza kadrem (patrz odbicia w przestrzeni ekranu, ang. Screen Space Reflections, SSR).

Ray tracing znosi część ograniczeń. Choć sam w sobie jest jedynie namiastką tego, co można osiągnąć za pomocą tej techniki. I stanowi raptem dodatek do tradycyjnych metod, koegzystując z nimi, bo przecież deweloperzy gier nie mogą z nich zrezygnować. Uproszczone śledzenie promieni w czasie rzeczywistym nadal wymaga znacznie większej mocy obliczeniowej niż mniej zaawansowane techniki, ale nawet w tej postaci ray tracing podnosi poprzeczkę wysoko.

demo technologiczne star wars z ray tracingiem

Ray tracing potrafi tchnąć nowe życie w wykreowaną scenę, zwiększając naturalność i realizm dzięki temu, że promienie świetlne zachowują się tak jak w rzeczywistości. I nie jest to przyszłość, lecz teraźniejszość w świecie gier wideo. Niemniej jednak to dopiero początek drogi ku fotorealizmowi. Choć obranie tej ścieżki wiąże się z dużym kosztem, efekty mogą być pokrzepiające i zachęcające do zakupu sprzętu, który pozwala zakosztować ray tracingu.

Jak ray tracing wpływa na wydajność w grach?

Niestety, ray tracing ma drastyczny wpływ na płynność działania w grach. Aktywacja może skutkować obniżeniem wydajności o kilkanaście lub nawet 20-30 fps. Im tytuł oferuje więcej opcji graficznych opartych na śledzeniu promieni, tym różnica może być większa (procentowa, bo spadek liczby fps jest wyższy, im niższa jest rozdzielczość). Wpływ na wydajność jest uzależniony od implementacji, a zatem samej gry, zakresu ray tracingu oraz możliwości karty graficznej.

Dla przykładowego porównania wydajności przygotowałem krótki test w Control Ultimate Edition w rozdzielczości 1080p na GeForce’ie RTX 3050 Ti.

Sprawdź laptopy z RTX 3050 Ti w x-komie

Control Ultimate Edition – test wydajności ze śledzeniem promieni

Zobacz dodatkowy minitest, który potwierdza to, jak śledzenie promieni mocno obciąża sprzęt w grach:

Jak zwiększyć liczbę fps w grach z ray tracingiem?

Do ray tracingu nie wystarczy wyłącznie mocna karta graficzna. Potrzebujesz także odpowiednio szybkiego CPU, który będzie w stanie dotrzymać kroku GPU. Przeczytaj więcej o tym, jak dopasować procesor do karty graficznej.

Jednak producenci GPU opracowali specjalne techniki skalowania obrazu, które poprawiają wydajność, ale zwykle kosztem jakości obrazu. Powstały one właśnie z myślą o współpracy z techniką ray tracingu. To dzięki NVIDIA DLSS, AMD FSRIntel XeSS rozgrywka z RT w odpowiedniej płynności jest w ogóle możliwa. Bez nich trzeba byłoby iść na duże kompromisy w ustawieniach graficznych. Albo całkowicie rezygnować z opcji opartych a śledzeniu promieni, zwłaszcza na słabszych GPU.

Sprawdź też:

control z rtx on
Źródło: NVIDIA

Dodatkowo zarówno NVIDIA, jak i AMD przygotowały techniki Image Scaling i Radeon Super Resolution (RSR), które możesz uruchomić z poziomu sterowników do karty graficznej. Nie wymagają one implementacji w grach. A mogą również uratować płynność przy włączonym RT w tych produkcjach, które nie oferują DLSS, FSR czy Intel XeSS.

Przeczytaj testy AMD Radeon Super Resolution i NVIDIA Image Scaling

Co zmienia ray tracing w grafice? Jak bardzo poprawia jakość obrazu w grach?

Implementacja ray tracingu w grach jest zależna od gry i decyzji deweloperów. Jeśli gra stawia na wysokiej jakości odbicia, zastosowanie śledzenia promieni może przynieść większe korzyści niż w tytułach, których siła tkwi w innym elemencie grafiki.

odbicia oparte na ray tracingu w demie star wars

Zakres i efekty aktywacji RT są różne. Niektóre gry wykorzystują raptem jeden efekt oparty na RT, a rekordowe nawet cztery lub pięć. Niemniej jednak ray tracing w obecnej formie to zaledwie ułamek tego, co można stworzyć w grach, a wynika to z wielokrotnie przytaczanych ograniczeń technologicznych.

Jakie efekty graficzne mogą być oparte na ray tracingu?

Co może obejmować śledzenie promieni? Deweloperzy mogą przygotować takie ustawienia graficzne oparte na śledzeniu promieni jak:

  • Cienie (lepsza symulacja cieni w zależności od rozmiaru i kąta padania źródła świata; stają się ostrzejsze, gdy stykają się z obiektem, a miękną i poszerzają się, gdy są oddalone od obiektu).
  • Odbicia (wierniejsze odwzorowanie otoczenia, RT jest zdolny do wygenerowania wielu odbić w czasie rzeczywistym, w tym tych, których nie widzimy na ekranie; sprawia, że korelują one między sobą, tworząc wzajemne odbicia między różnymi powierzchniami).
  • Okluzja otoczenia (precyzyjniej cieniuje konkretne obszary w danej scenie, np. krawędzie stykających się obiektów; uwypukla i dodaje głębi w scenie, tworząc naturalnie prezentujące się cienie w pośrednio oświetlonych obszarach).
  • Oświetlenie rozproszone (tworzy interaktywne oświetlenie, które odbija się w obszarach tych scen, które nie są bezpośrednio oświetlone przez dane źródło światła).

Przykładami gier o szerokim zakresie wykorzystania ray tracingu są Control i polski Cyberpunk 2077. I te właśnie tytuły, obok chociażby Metro Exodus Enhanced Edition, wiodą prym wśród produkcji opartych na RT. I to one są uważane za dobry pretekst, by kupić odpowiednią kartę graficzną.

techniki ray tracingu
Źródło: NVIDIA

Ray tracing może dodać lub poprawić m.in. odbicia na mokrych powierzchniach, w szybach pojazdów i lustrach czy zwiększyć dokładność okluzji otoczenia. Dzięki tej technice oświetlenie i cienie naturalnie oraz dynamicznie reagują na np. zmianę kąta patrzenia, który ma niebagatelny wpływ na wygląd otoczenia.

Technika, ogólnie rzecz biorąc, pozwala odzwierciedlić precyzyjniej daną scenę, czego przykładem są chociażby pomieszczenia w Metro Exodus. Bez ray tracingu całe wnętrze jest sztucznie i równomiernie oświetlone, natomiast dzięki RT ożywa – światło i cienie wypełniają każdy zakamarek zgodnie z naturą i zmieniają się na bieżąco zależnie od źródeł i położenia kamery.

Możliwości są spore, ale rezultaty nie są takie same w każdej grze. Niemniej jednak nawet w swojej uproszczonej formie śledzenie promieni w czasie rzeczywistym robi wrażenie. Do porównania grafiki wykorzystałem kartę GeForce RTX 3070 Ti.

Control Ultimate – porównanie graficzne śledzenia promieni

Cyberpunk 2077 – porównanie graficzne śledzenia promieni

Więcej przykładów, które obrazują różnice w grafice w sztandarowym pod względem jakości efektów opartych na śledzeniu promieni Cyberpunk 2077, znajdziesz w publikacji:

Przykłady użycia RT w grach i demach technologicznych

Battlefield 5

Control

Cyberpunk 2077

Metro Exodus (Enhanced Edition)

Minecraft RTX

Quake 2 RTX

Atomic Heart

Demo NVIDIA Apollo 11

Demo Star Wars na Unreal Engine 4

Jak włączyć ray tracing w grach?

RT aktywujesz w ustawieniach graficznych gier, w których dodano opcje oparte na śledzeniu promieni. Są one odpowiednio oznaczone lub niekiedy mają wręcz wydzieloną stosowną sekcję. Przykładem takiej gry jest Control od studia Remedy, które oferuje rozbudowane ustawienia ray tracingu. Niektóre opcje RT możesz tylko włączyć lub wyłączyć, a w innych dobrać stopień jakość (np. oświetlenie w Cyberpunk 2077). Nie wszystkie produkcje i karty graficzne obsługują RT, o czym dowiesz się poniżej.

ustawienia ray tracingu w control

Jakie karty graficzne obsługują ray tracing?

Aby móc korzystać z technik ray tracingu w grach, potrzebujesz odpowiedniej karty graficznej. Takiej, która jest wyposażona w specjalne rdzenie RT, przystosowane do wykonywania obliczeń związanych ze śledzeniem promieni.

Seria GeForce RTX 2000 to pierwsze konsumenckie GPU, które mogą pochwalić się kompatybilnością z RT. Modele z kolejnej generacji, RTX 3000, NVIDIA wyposażyła w więcej (lepszych) rdzeni RT, dzięki czemu gry działają wydajniej. Ten trend będzie naturalnie utrzymywać się wraz z kolejnymi seriami.

Pełna lista kart graficznych NVIDIA GeForce do ray tracingu

NVIDIA później wydała stosowne sterowniki, dzięki którym możesz aktywować ray tracing na kartach graficznych GeForce GTX z serii 1xxx i 16xx (DXR). Są one jednak pozbawionych wyspecjalizowanych jednostek RT do tego typu obliczeń, więc i nie grzeszą wydajnością.

karty graficzne nvidia geforce z obsługą ray tracingu
Źródło: NVIDIA

Jak kształtuje się sytuacja u konkurencji, czyli w obozach „czerwonym” i „niebieskim”?

Ray tracing na kartach graficznych AMD i Intel

Pierwszą generacją kart graficznych AMD, która przyniosła sprzętową obsługę techniki śledzenia promieni, okazała się zapoczątkowana pod koniec 2020 roku seria Radeon RX 6000. Pod względem możliwości ustępuje ona RTX-om 3000, a co za tym idzie – w większości przypadków oferuje gorszą wydajność w grach po aktywacji RT. Jest to zrozumiałe, bo to początek rozwoju. AMD dopiero nadgania karty GeForce RTX i w kolejnej generacji, AMD RDNA 3, można będzie zapewne liczyć na znaczącą poprawę.

Co z Intelem? „Niebiescy” dopiero szykują się do ofensywy na rynku gamingowych GPU. Ray tracing będą obsługiwać karty graficzne Intel ARC. Nie wiadomo jeszcze, jaką wydajność zaoferują po aktywacji śledzenia promieni. Nie spodziewałbym się jednak gorszych osiągów niż w układach AMD.

Pełna lista kart AMD Radeon do ray tracingu

Jakie gry obsługują ray tracing? W co zagrasz ze śledzeniem promieni?

Ray tracing jest zintegrowany z popularnymi silnikami, takich jak Unreal Engine, Unity, Northlight (Remedy) czy Frostbite (EA). Gry wymagają implementacji RT, ale liczba tytułów wykorzystujących technikę śledzenia promieni sukcesywnie rośnie. Nie tylko na PC, ale także na konsolach nowej generacji – PS5 i Xboksach Series X/S, w których ray tracing jest dostępny zwykle w bardziej ograniczonej formie.

gry obsługujące ray tracing
Źródło: NVIDIA
  • Amid Evil
  • Aron’s Adventure
  • Battlefield V
  • Battlefield 2042
  • Bright Memory
  • Bright Memory: Infinite
  • Call of Duty: Black Ops Cold War
  • Call of Duty: Modern Warfare
  • Chorus
  • Control
  • Crysis Remastered
  • Crysis 2 Remastered
  • Crysis 3 Remastered
  • Cyberpunk 2077
  • Deathloop
  • Deliver Us The Moon
  • DiRT 5
  • Doom Eternal
  • Dying Light 2: Stay Human
  • Escape from Naraka
  • F1 2021
  • Far Cry 6
  • I.S.T: Forged In Shadow Torch
  • Fortnite
  • Forza Horizon 5
  • Ghostrunner
  • Ghostwire: Tokyo
  • Godfall
  • GTA 5 (next-gen)
  • Helios VR
  • Hellblade: Senua’s Sacrifice
  • Hitman 3
  • Icarus
  • Industria
  • Justice
  • JX3 Online
  • LEGO: Builder’s Journey
  • Life is Strange: True Colors
  • Little Nightmares 2
  • Loopmancer
  • Marvel’s Guardians of the Galaxy
  • Mechwarrior V: Mercenaries
  • Metro Exodus (Metro Exodus Enhanced Edition)
  • Minecraft RTX
  • Moonlight Blade
  • Mortal Shell
  • Myst
  • Myth of Empires
  • Observer: System Redux
  • Poker Club
  • Pumpkin Jack
  • Quake II RTX
  • RAZE 2070
  • Redout: Space Assault
  • Resident Evil 2
  • Resident Evil 3
  • Resident Evil 7: Biohazard
  • Resident Evil Village
  • Severed Steel
  • Shadow of the Tomb Raider
  • Stay in the Light
  • Sword and Fairy 7
  • The Ascent
  • The Fabled Woods
  • The Medium
  • The Orville Interactive Fan Experience
  • The Persistence
  • The Riftbreaker
  • The Hell With It
  • Watch Dogs: Legion
  • Wolfenstein: Youngblood
  • World Of Warcraft: Shadowlands
  • Wrench
  • Xuan-Yuan Sword VII
  • A Plague Tale: Requiem
  • Atomic Heart
  • Avatar: Frontiers of Pandora
  • Black Myth: Wukong
  • Boundary
  • Convallaria
  • Dying: 1983
  • Elden Ring
  • Enlisted
  • Faith of Danschant: Hereafter
  • Five Nights at Freddy’s: Security Breach
  • Forspoken
  • Grimmstar
  • Halo Infinite
  • In the Black
  • Instinction
  • Microsoft Flight Simulator
  • Mortal Online 2
  • Synced: Off-Planet
  • STALKER 2: Heart of Chernobyl
  • Stray
  • The Lord of the Rings: Gollum
  • Vampire: The Masquerade – Bloodlines 2
  • Warhammer 40,000: Darktide
  • Wiedźmin 3: Dziki Gon (Edycja RTX)

Ray tracing w grach. O krok bliżej realizmu czy z dużej chmury mały deszcz?

Ray tracing niewątpliwie wnosi jakość oprawy wizualnej w grach na nowy, nieosiągalny do tej pory poziom. Z drugiej strony zabija wydajność na obecnych układach graficznych, a efekt często jest nieproporcjonalny do spadku płynności animacji. Niemniej jednak każda kolejna generacja GPU powinna być coraz bardziej dostosowana pod kątem możliwości do śledzenia promieni w czasie rzeczywistym.

atomic heart z ray tracingiem

Deweloperzy gier będą też bardziej skłonni poszaleć z efektami opartymi na ray tracingu, choć już teraz można ujrzeć mniej ograniczone formy w takich grach, jak Control, Metro: Exodus (Enhanced Edition) i Cyberpunk 2077. Dużo zyskuje też Minecraft RTX. To właśnie one przodują pod względem wykorzystania technik RT. Przynajmniej na razie nie widać na horyzoncie zbyt wielu potencjalnych faworytów, którzy byliby w stanie strącić je z tronu.

Niestety, znaczna część producentów zachowuje wstrzemięźliwość, jeśli chodzi o zakres zastosowania ray tracingu, przez co wiele produkcji równie dobrze mogłoby nie mieć RT. I gracz niewiele by na tym stracił. Patrzę jednak na przyszłość z nadziejami. Szczególnie dużo obiecuję sobie chociażby po S.T.A.L.K.E.R. 2: Heart of Chernobyl, który ma szansę stać się na PC pierwszą w pełni nowogeneracyjną grą na tej platformie (przykro mi, Deathloop nią nie jest).

demo technologiczne apollo 11 z ray tracingiem
Źródło: NVIDIA

Ray tracing nie ogranicza się wyłącznie do PC, streamingu (vide GeForce Now) i konsol nowej generacji, ale obejmuje też… smartfony. Kto wie, co jeszcze przyniesie przyszłość. Jedno jest pewne:  technika śledzenia promieni w grach jeszcze długo pozostanie z nami i za kilka lat pewnie stanie się standardem. Tak jak standardem stała się np. trójwymiarowa grafika czy rozmaite, poprzedzające erę ray tracingu techniki, które zwiększyły doznania wizualne podczas rozgrywki.

Źródło: NVIDIA, GamesRadar, Epic Games, Tech Radar, Tom’s Hardware, Medium, Digitatrends, Wired, opracowanie własne

Poczytaj o kolejnych generacjach kart graficznych z obsługą ray tracingu: