اگر اخیراً حتی کوچکترین نگاهی به اخبار بازی و گرافیک^{(gaming and graphics news)} انداخته‌اید، جدیدترین و بهترین کلمه کلیدی را شنیده‌اید: ray tracing . همچنین ممکن است کلمه ای مشابه به نام مسیریابی^{(path tracing)} را شنیده باشید . و شما می توانید کاملاً ببخشید که به طور کامل درک نکردید که یکی از فرآیندها چیست.

یک توضیح ساده این است که هم ردیابی مسیر و هم ردیابی پرتو^{(ray tracing)} ، تکنیک‌های گرافیکی هستند که به قیمت قدرت محاسباتی بسیار بیشتر، تصاویری با ظاهر واقعی‌تر ایجاد می‌کنند. یک ویدیوی Minecraft^{(Minecraft video)} در یوتیوب^(YouTube) وجود دارد که جنبه‌های خاص ردیابی پرتو را به روشی واضح نشان می‌دهد، اما استرسی که بر سیستم وارد می‌کند را نیز نشان می‌دهد.

اگر این تنها توضیحی است که نیاز دارید، عالی است! اما اگر می‌خواهید عمیق‌تر بگردید و بفهمید که هر تکنیک چگونه کار می‌کند و چرا شرکت‌های سخت‌افزار GPU^{(GPU hardware)} ثروت اندکی را برای کارت‌های دارای قابلیت ردیابی پرتو می‌گیرند، ادامه مطلب را بخوانید.

شطرنجی سازی و گرافیک کامپیوتری

هر تصویری که روی صفحه رایانه نمایش^{(computer screen)} داده می‌شود، به عنوان آن تصویر شروع نشده است. به عنوان یک تصویر شطرنجی یا یک تصویر برداری^{(vector image)} شروع می شود . یک تصویر شطرنجی^{(raster image)} از مجموعه ای از پیکسل های سایه دار تشکیل شده است.

یک تصویر برداری^{(vector image)} بر اساس فرمول های ریاضی است که به این معنی است که اندازه تصویر را می توان تقریباً به طور نامحدود افزایش داد. نقطه ضعف تصاویر برداری^{(vector image)} این است که دستیابی به جزئیات دقیق تر دشوار است. تصاویر وکتور^(Vector) زمانی بهترین استفاده را دارند که فقط به چند رنگ نیاز باشد.

نقطه قوت اصلی شطرنجی سرعت آن است، به ویژه در مقایسه با تکنیک هایی مانند ردیابی پرتو. GPU یا واحد پردازش گرافیکی شما به بازی می‌گوید که از اشکال کوچک، اغلب مثلث، یک تصویر سه بعدی ایجاد کند. این مثلث ها به پیکسل های جداگانه تبدیل می شوند و سپس از طریق سایه زن قرار می گیرند تا تصویری را که روی صفحه می بینید ایجاد کنند.

Rasterization به دلیل سرعت پردازش گرافیکی بازی های ویدیویی برای مدت طولانی گزینه مورد استفاده برای گرافیک بازی های ویدیویی بوده است، اما با توجه به اینکه فناوری فعلی شروع به برخورد با محدودیت های خود می کند، به تکنیک های پیشرفته تری نیاز است تا به سطح بعدی برسد. اینجاست که ردیابی پرتو وارد می شود.

همانطور که تصویر زیر نشان می دهد، ردیابی پرتو^(Ray) بسیار واقعی تر از شطرنجی به نظر می رسد. به بازتاب های قابلمه چای^{(tea pot)} و قاشق نگاه کنید.

Ray Tracing چیست؟

در سطح سطح^{(surface level)} ، ردیابی پرتو^{(ray tracing)} یک اصطلاح چتر است که به معنای همه چیز است، از یک تقاطع نور و شی تا فوتورئالیسم کامل. با این حال، در رایج‌ترین زمینه‌ای که امروزه استفاده می‌شود، ردیابی پرتو به ^{(ray tracing)}تکنیک^{(rendering technique)} رندری اشاره دارد که پرتوی نور (بر حسب پیکسل) را از یک نقطه تنظیم^{(set point)} دنبال می‌کند و نحوه واکنش آن را هنگام برخورد با اشیا شبیه‌سازی می‌کند.

لحظه ای وقت بگذارید و به دیوار اتاقی که در آن هستید نگاه^{(moment and look)} کنید . آیا منبع نوری روی دیوار وجود دارد یا نور از منبع دیگری از دیوار منعکس می شود؟ گرافیک Ray^(Ray) Traced از چشم شما شروع می شود و خط دید شما را تا دیوار دنبال می کند و سپس مسیر نور را از دیوار به سمت منبع نور دنبال می کند.

نمودار بالا نحوه عملکرد این کار را نشان می دهد. دلیل شبیه سازی "چشم ها" (دوربین در این نمودار) کاهش بار روی GPU است.

چرا؟ خب، ردیابی اشعه کاملاً جدید^{(t brand-new)} نیست. در واقع مدتی است که وجود داشته است. Pixar از تکنیک‌های ردیابی پرتو برای ساخت بسیاری از فیلم‌های خود استفاده می‌کند، اما گرافیک با کیفیت بالا و فریم به فریم در وضوح‌هایی که Pixar به دست می‌آورد زمان می‌برد.

زمان زیادی^{(A lot)} . برخی از فریم ها در دانشگاه هیولاها^{(Monsters University)} هر کدام 29 ساعت طول کشید. داستان اسباب‌بازی 3^{(Toy Story 3 )} به طور متوسط ​​7 ساعت در هر فریم طول می‌کشد، با توجه به داستانی از Wired در سال 2010، برخی از فریم‌ها 39 ساعت طول می‌کشند.^{(Wired. )}

از آنجایی که فیلم بازتاب نور را از هر سطحی نشان می‌دهد تا سبک گرافیکی را ایجاد کند که همه^{(style everyone)} آن را می‌شناسند و دوست دارند، حجم کار^{(work load)} تقریباً غیرقابل تصور است. با محدود کردن تکنیک‌های ردیابی پرتوی فقط به آنچه که چشم می‌تواند ببیند، بازی‌ها می‌توانند از این تکنیک استفاده کنند بدون اینکه باعث شوند پردازنده گرافیکی شما دچار اختلال (به معنای واقعی کلمه) شود.

به تصویر زیر دقت کنید.

این یک عکس نیست، با وجود اینکه چقدر واقعی به نظر می رسد. این یک تصویر ردیابی پرتو است. سعی کنید تصور کنید که برای ایجاد تصویری به این شکل چقدر نیرو لازم است. یک پرتو را می توان بدون مشکل ردیابی و پردازش کرد، اما در مورد زمانی که آن پرتو از یک شی منعکس می شود، چطور؟

یک پرتو می تواند به 10 پرتو تبدیل شود و آن 10 پرتو می تواند به 100 و غیره تبدیل شود. افزایش تصاعدی است. پس از یک نقطه، جهش ها و بازتاب های فراتر از دوره سوم و چهارم بازدهی کاهش می یابد. به عبارت دیگر، آنها برای محاسبه و نمایش به قدرت بسیار بیشتری از ارزششان نیاز دارند. برای رندر کردن یک تصویر، باید در جایی محدودیتی ترسیم شود.  

حالا تصور کنید این کار را 30 تا 60 بار در ثانیه انجام دهید. این مقدار قدرت مورد نیاز برای استفاده از تکنیک های ردیابی پرتو در بازی ها است. مطمئناً تأثیرگذار است، درست است؟

دستیابی به کارت‌های گرافیکی با قابلیت ردیابی پرتو^{(ray tracing)} با گذشت زمان افزایش می‌یابد و در نهایت این تکنیک به آسانی به اندازه گرافیک‌های سه بعدی در دسترس خواهد بود. با این حال، در حال حاضر، ردیابی پرتو^{(ray tracing)} هنوز هم به عنوان پیشرفته ترین گرافیک کامپیوتری در نظر گرفته می شود. بنابراین چگونه ردیابی مسیر وارد عمل می شود؟

Path Tracing چیست؟

ردیابی مسیر^{(Path tracing)} نوعی ردیابی پرتو^{(ray tracing)} است. تحت این چتر قرار می گیرد، اما در جایی که ردیابی پرتو^{(ray tracing)} در ابتدا در سال 1968 تئوری شد، ردیابی مسیر تا سال 1986 به صحنه نیامد (و نتایج به اندازه نتایج کنونی چشمگیر نبود).

افزایش تصاعدی پرتوها که قبلاً ذکر شد را به خاطر دارید؟ ردیابی مسیر راه حلی برای آن ارائه می دهد. ^(Path)هنگام استفاده از ردیابی مسیر برای رندر، پرتوها تنها یک پرتو در هر پرش تولید می کنند. پرتوها در هر پرش از یک خط مشخص^{(set line)} پیروی نمی کنند ، بلکه در جهتی تصادفی پرتاب می شوند.

سپس الگوریتم ردیابی مسیر یک نمونه تصادفی از تمام پرتوها برای ایجاد تصویر نهایی می گیرد. این منجر به نمونه برداری از انواع مختلف روشنایی، اما به ویژه روشنایی جهانی می شود.

یک نکته جالب در مورد ردیابی مسیر^{(path tracing)} این است که می توان افکت را با استفاده از سایه بان ها تقلید کرد. اخیراً یک پچ سایه‌زن^{(shader patch)} برای شبیه‌ساز نینتندو سوییچ^{(Nintendo Switch emulator)} ظاهر شد که به بازیکنان اجازه می‌داد تا از روشنایی جهانی مسیریابی شده در عناوینی مانند The Legend of Zelda: Breath of the Wild و Super Mario Odyssey شبیه‌سازی کنند. ^{(Super Mario Odyssey.)}در حالی که جلوه ها زیبا به نظر می رسند، به اندازه ردیابی مسیر^{(path tracing)} واقعی کامل نیستند .

ردیابی مسیر^{(Path tracing)} تنها یکی از اشکال ردیابی پرتو است. در حالی که از آن به عنوان بهترین راه برای رندر تصاویر یاد می شد، ردیابی مسیر دارای نقص های خاص خود است.

اما در نهایت، هر دو ردیابی مسیر و ردیابی پرتو^{(path tracing and ray)} ، تصاویر کاملاً زیبایی را به همراه دارند. اکنون که سخت‌افزار در ماشین‌های درجه یک مصرف‌کننده به نقطه‌ای رسیده است که ردیابی پرتو^{(ray tracing)} در بازی‌های ویدیویی در زمان واقعی امکان‌پذیر است، صنعت آماده است تا پیشرفتی را ایجاد کند که تقریباً به اندازه مرحله از گرافیک دو بعدی به سه بعدی چشمگیر است.

با این حال، هنوز مدتی طول می کشد - حداقل چندین سال - تا اینکه سخت افزار لازم "مقرون به صرفه" در نظر گرفته شود. در حال حاضر، حتی کارت‌های گرافیک ضروری نیز بیش از 1000 دلار قیمت دارند.

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 news lately, then you’ve heard the latest and greatest buzzword: ray tracing. You might also have heard a similar-ѕounding word called path tracing. And you could be totally forgiven 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.

Related posts

• نحوه برگرداندن متن در مسیر در ایلاستریتور

• 3 راه برای گرفتن Photo or Video در Chromebook

• چگونه Detect Computer & Email Monitoring یا Spying Software

• Panel Display Technology Demystified تخت: TN، IPS، VA، OLED و بیشتر

• چگونه Caps Lock را روشن یا خاموش بر روی Chromebook

• چگونه به Insert Emoji در Word، Google Docs and Outlook

• چگونه به Find Birthdays در Facebook

• 10 Best Ways به Child Proof Your Computer

• چگونه می توان Spotify Louder and Sound Better

• OLED vs MicroLED: باید شما صبر کنید؟

• چگونه Memories را در Facebook پیدا کنید

• چگونه به بازیگران به Roku TV از PC or Mobile

• چگونه Fix Hulu Error Code RUNUNK13

• Discord نه Opening؟ 9 Ways برای رفع

• آیا Computer Randomly Turn خود را بر روی خود به خود؟

• 8 Ways برای دریافت اعتبارات بیشتر در مورد قابل شنیدن

• چگونه به Download and Install Peacock در Firestick

• چگونه به ایجاد یک Transparent Background در GIMP

• نحوه جستجو و پیدا کردن توییت حذف شده کسی

• چگونه می Rid از Yahoo Search در Chrome