Wenn Sie in letzter Zeit auch nur einen flüchtigen Blick auf Spiele- und Grafiknachrichten geworfen haben, dann haben Sie das neueste und größte Schlagwort gehört: Raytracing. Vielleicht haben Sie auch ein ähnlich klingendes Wort namens Path Tracing gehört. Und es könnte Ihnen völlig verziehen werden, dass Sie nicht vollständig verstanden haben, was einer der Prozesse ist.

Eine einfache Erklärung ist, dass sowohl Path Tracing als auch Ray Tracing grafische Techniken sind, die zu realistischer aussehenden Bildern auf Kosten von deutlich mehr Rechenleistung führen. Auf YouTube^(YouTube) gibt es ein Minecraft -Video , das die Besonderheiten von Raytracing anschaulich demonstriert, aber auch die Belastung eines Systems verdeutlicht.

Wenn das die einzige Erklärung ist, die Sie brauchen, großartig! Aber wenn Sie tief graben und herausfinden möchten, wie jede Technik funktioniert und warum GPU -Hardwareunternehmen ein kleines Vermögen für Raytracing-fähige Karten verlangen, lesen Sie weiter.

Rasterung und Computergrafik

Jedes Bild, das Sie auf einem Computerbildschirm sehen, war ursprünglich nicht dieses Bild. Es beginnt entweder als Raster- oder Vektorbild. Ein Rasterbild besteht aus einer Sammlung schattierter Pixel.

Ein Vektorbild basiert auf mathematischen Formeln, wodurch das Bild nahezu unbegrenzt vergrößert werden kann. Der Nachteil von Vektorbildern ist, dass genauere Details schwer zu erreichen sind. Vektorbilder^(Vector) werden am besten verwendet, wenn nur wenige Farben benötigt werden.

Die Hauptstärke der Rasterung ist ihre Geschwindigkeit, insbesondere im Vergleich zu Techniken wie Raytracing. Ihre GPU oder Grafikverarbeitungseinheit weist das Spiel an, ein 3D-Bild aus kleinen Formen, meistens Dreiecken, zu erstellen. Diese Dreiecke werden in einzelne Pixel umgewandelt und dann durch einen Shader geleitet, um das Bild zu erstellen, das Sie auf dem Bildschirm sehen.

Die Rasterung war lange Zeit die erste Wahl für Videospielgrafiken, da sie schnell verarbeitet werden kann, aber da die aktuelle Technologie an ihre Grenzen stößt, sind fortschrittlichere Techniken erforderlich, um auf die nächste Ebene zu gelangen. Hier kommt Raytracing ins Spiel.

Raytracing^(Ray) sieht viel realistischer aus als Rasterung, wie das Bild unten zeigt. Betrachten Sie die Reflexionen auf der Teekanne und dem Löffel.

Was ist Raytracing?

Auf der Oberflächenebene ist Raytracing ein Überbegriff, der alles von einer einzelnen Überschneidung von Licht und Objekt bis hin zu vollständigem Fotorealismus bedeutet. Im heute gebräuchlichsten Kontext bezieht sich Raytracing jedoch auf eine Rendering-Technik, die einem Lichtstrahl (in Pixeln) von einem festgelegten Punkt aus folgt und simuliert, wie er reagiert, wenn er auf Objekte trifft.

Nehmen Sie sich einen Moment Zeit und schauen Sie auf die Wand des Raums, in dem Sie sich befinden. Befindet sich eine Lichtquelle an der Wand oder wird Licht von einer anderen Quelle von der Wand reflektiert? Raytracing^(Ray) -Grafiken würden an Ihrem Auge beginnen und Ihrer Sichtlinie zur Wand folgen und dann dem Lichtweg von der Wand zurück zur Lichtquelle folgen.

Das obige Diagramm veranschaulicht, wie dies funktioniert. Der Grund für die simulierten „Augen“ (die Kamera in diesem Diagramm) besteht darin, die Belastung der GPU zu verringern .

Wieso den? Nun, Raytracing ist nicht brandneu. Den gibt es eigentlich schon seit geraumer Zeit. Pixar verwendet Raytracing-Techniken, um viele seiner Filme zu erstellen, aber High-Fidelity-Frame-by-Frame-Grafiken mit den Auflösungen , die Pixar erreicht, brauchen Zeit.

Viel^{(A lot)} Zeit. Einige Frames in der Monsters University dauerten jeweils 29 Stunden. Toy Story 3 dauerte durchschnittlich 7 Stunden pro Frame, wobei einige Frames laut einer Geschichte von Wired aus dem Jahr 2010 39 Stunden dauerten.^{(Wired. )}

Da der Film die Reflexion des Lichts von jeder Oberfläche veranschaulicht, um den grafischen Stil zu schaffen, den jeder kennt und liebt, ist die Arbeitsbelastung fast unvorstellbar. Durch die Beschränkung der Raytracing-Techniken auf das, was das Auge sehen kann, können Spiele die Technik nutzen, ohne dass Ihr Grafikprozessor einen (buchstäblichen) Zusammenbruch erleidet.

Schauen Sie sich das Bild unten an.

Das ist kein Foto, obwohl es echt aussieht. Es ist ein Raytracing-Bild. Versuchen Sie sich vorzustellen, wie viel Energie erforderlich ist, um ein Bild zu erstellen, das so aussieht. Ein Strahl kann ohne große Probleme verfolgt und verarbeitet werden, aber was ist, wenn dieser Strahl von einem Objekt abprallt?

Ein einzelner Strahl kann zu 10 Strahlen werden, und diese 10 können zu 100 werden, und so weiter. Der Anstieg ist exponentiell. Nach einem bestimmten Punkt zeigen Sprünge und Reflexionen jenseits des Tertiär- und Quartärbereichs abnehmende Renditen. Mit anderen Worten, sie benötigen viel mehr Rechen- und Anzeigeleistung, als sie wert sind. Um ein Bild zu rendern, muss irgendwo eine Grenze gezogen werden.  

Stellen Sie sich nun vor, Sie machen das 30 bis 60 Mal pro Sekunde. Das ist die Menge an Leistung, die erforderlich ist, um Raytracing-Techniken in Spielen einzusetzen. Es ist sicherlich beeindruckend, oder?

Die Verfügbarkeit von Grafikkarten, die Raytracing unterstützen, wird im Laufe der Zeit steigen, und schließlich wird diese Technik so leicht verfügbar sein wie 3D-Grafiken. Im Moment gilt Raytracing jedoch immer noch als die Speerspitze der Computergrafik. Wie kommt also die Pfadverfolgung ins Spiel?

Was ist Pfadverfolgung?

Pathtracing^(Path) ist eine Art Raytracing. Es fällt unter diesen Schirm, aber wo Raytracing ursprünglich 1968 theoretisiert wurde, kam Pathtracing erst 1986 auf die Bühne (und die Ergebnisse waren nicht so dramatisch wie heute).

Erinnern Sie sich an die zuvor erwähnte exponentielle Zunahme der Strahlen? Path Tracing bietet dafür eine Lösung. Bei Verwendung der Pfadverfolgung zum Rendern erzeugen die Strahlen nur einen einzigen Strahl pro Bounce. Die Strahlen folgen nicht einer festgelegten Linie pro Abpraller, sondern schießen in eine zufällige Richtung ab.

Der Pfadverfolgungsalgorithmus nimmt dann eine zufällige Abtastung aller Strahlen vor, um das endgültige Bild zu erstellen. Dies führt dazu, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Beleuchtungsarten, insbesondere aber die globale Beleuchtung, erprobt werden.

Eine interessante Sache beim Path Tracing ist, dass der Effekt durch die Verwendung von Shadern emuliert werden kann. Kürzlich erschien ein Shader-Patch für einen Nintendo Switch- Emulator, mit dem Spieler in Titeln wie The Legend of Zelda: Breath of the Wild und Super Mario Odyssey die globale Beleuchtung mit Pfadverfolgung emulieren konnten. ^{(Super Mario Odyssey.)}Die Effekte sehen zwar gut aus, sind aber nicht so vollständig wie True Path Tracing.

Pfadverfolgung^(Path) ist nur eine Form von Raytracing. Obwohl es als die beste Methode zum Rendern von Bildern gefeiert wurde, hat die Pfadverfolgung ihre eigenen Mängel.

Aber am Ende führen sowohl Pathtracing als auch Raytracing zu absolut schönen Bildern. Jetzt, da die Hardware in Verbrauchergeräten einen Punkt erreicht hat, an dem Raytracing in Echtzeit in Videospielen möglich ist, steht die Industrie vor einem Durchbruch, der fast so beeindruckend ist wie der Schritt von 2D- zu 3D-Grafiken.

Es wird jedoch noch einige Zeit dauern – mindestens einige Jahre –, bis die erforderliche Hardware als „bezahlbar“ gilt. Stand jetzt kosten selbst die nötigen Grafikkarten weit über 1.000 Dollar.

What is Path Tracing and Ray Tracing? And Why do They Improve Graphics?

If you’ve taken even the slightest glance towards gaming and graphics newѕ lately, then you’ve heard the latest and greаtest buzzword: ray tracing. You might аlso have heard a similar-sounding word called path tracing. And yoυ could be totally forgіvеn for not fully understanding what either one of the processes is.

A simple explanation is that both path tracing and ray tracing are graphical techniques that result in more realistic-looking images at the cost of significantly more computational power. There is a Minecraft video on YouTube that demonstrates the particular aspects of ray tracing in a clear way, but also illustrates the stress it puts on a system.

If that’s the only explanation you need, great! But if you want to dig deep and find out how each technique works and why GPU hardware companies are charging a small fortune for ray tracing-capable cards, read on.

Rasterization and Computer Graphics

Any image you see displayed on a computer screen did not start out as that image. It begins as either a raster or a vector image. A raster image is composed of a collection of shaded pixels.

A vector image is based on mathematical formulas that mean the image can be increased in size almost indefinitely. The downside of vector images is that more precise details are difficult to achieve. Vector images are best used when only a few colors are needed.

The main strength of rasterization is its speed, especially in comparison to techniques like ray tracing. Your GPU, or graphics processing unit, will tell the game to create a 3D image out of small shapes, most often triangles. These triangles are turned into individual pixels and then put through a shader to create the image you see on screen.

Rasterization has been the go-to option for video game graphics for a long time due to how quickly it can be processed, but as current technology begins to bump against its limits more advanced techniques are needed ot break through to the next level. That’s where ray tracing comes in.

Ray tracing looks far more realistic than rasterization, as the image below illustrates. Look at the reflections on the tea pot and the spoon.

What is Ray Tracing?

At the surface level, ray tracing is an umbrella term that means everything from a single intersection of light and object to complete photorealism. In the most common context used today, however, ray tracing refers to a rendering technique that follows a beam of light (in pixels) from a set point and simulates how it reacts when it encounters objects.

Take a moment and look at the wall of the room you’re in. Is there a light source on the wall, or is light reflected off the wall from another source? Ray traced graphics would start at your eye and follow your line of sight to the wall, and then follow the path of light from the wall back to the light source.

The diagram above illustrates how this works. The reason for the simulated “eyes” (the camera in this diagram) is to lessen the load on the GPU.

Why? Well, ray tracing isn’t brand-new. It’s actually been around for quite some time. Pixar uses ray tracing techniques to create many of its movies, but high-fidelity, frame-by-frame graphics at the resolutions Pixar achieves take time.

A lot of time. Some frames in Monsters University took a reported 29 hours each. Toy Story 3 took an average of 7 hours per frame, with some frames taking 39 hours according to a 2010 story from Wired.

Because the film illustrates the reflection of light from every surface to create the graphical style everyone has come to know and love, the work load is almost unimaginable. By limiting ray tracing techniques to only what the eye can see, games can utilize the technique without causing your graphics processor to have a (literal) meltdown.

Take a look at the image below.

That’s not a photograph, despite how real it looks. It’s a ray-traced image. Try to imagine how much power is required to create an image that looks like this. One ray can be traced and processed without much trouble, but what about when that ray bounces off an object?

A single ray can turn into 10 rays, and those 10 can turn into 100, and so on. The increase is exponential. After a point, bounces and reflections beyond tertiary and quaternary display diminishing returns. In other words, they require far more power to calculate and display than they are worth. For the sake of rendering an image, a limit has to be drawn somewhere.  

Now imagine doing that 30 to 60 times per second. That is the amount of power required to use ray tracing techniques in games. It’s certainly impressive, right?

The attainability of graphics cards capable of ray tracing will go up as time goes on, and eventually this technique will become as readily available as 3D graphics. For now, though, ray tracing is still considered the cutting-edge of computer graphics. So how does path tracing come into play?

What is Path Tracing?

Path tracing is a type of ray tracing. It falls under that umbrella, but where ray tracing was originally theorized in 1968, path tracing didn’t come onto the scene until 1986 (and the results were not as dramatic as those now.)

Remember the exponential increase in rays mentioned earlier? Path tracing provides a solution to that. When using path tracing for rendering, the rays only produce a single ray per bounce. The rays do not follow a set line per bounce, but rather shoot off in a random direction.

The path tracing algorithm then takes a random sampling of all of the rays to create the final image. This results in sampling a variety of different types of lighting, but especially global illumination.

An interesting thing about path tracing is that the effect can be emulated through the use of shaders. A shader patch appeared recently for a Nintendo Switch emulator that allowed players to emulate path traced global illumination in titles like The Legend of Zelda: Breath of the Wild and Super Mario Odyssey. While the effects look nice, they aren’t as complete as true path tracing.

Path tracing is just one form of ray tracing. While it was hailed as the best way to render images, path tracing comes with its own flaws.

But in the end, both path tracing and ray tracing result in absolutely beautiful images. Now that the hardware in consumer-grade machines has reached a point that ray tracing is possible in real-time in video games, the industry stands poised to make a breakthrough that’s almost as impressive as the step from 2D to 3D graphics.

However, it will still be some time—several years at least—before the necessary hardware will be considered “affordable.” As of now, even the necessary graphics cards cost well over $1,000.

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