ری‌تریسینگ (Ray Tracing) یک تکنیک پردازش تصویر در گرافیک کامپیوتری است که برای شبیه‌سازی نور و تعامل آن با اجسام و صحنه‌های سه‌بعدی استفاده می‌شود. در این تکنیک، شعاع‌های نوری به طور معکوس پیگرد داده می‌شوند، به این معنی که از منبع نور شروع می‌شوند و در طول مسیر خود با اجسام تداخل کرده و در نهایت رنگ و سایه‌بانی در هر پیکسل تصویر محاسبه می‌شوند.
در روش ری‌تریسینگ، شعاع‌های نوری از منبع نور شروع می‌شوند و به صورت مستقیم به سمت چشم انتظار (eye point) یا دوربین حرکت می‌کنند. در طول این مسیر، شعاع‌های نوری با اجسام صحنه برخورد می‌کنند و تعاملی با آنها دارند. اجسام می‌توانند شعاع نور را بازتاب کنند، جذب کنند یا به طور کلی تغییر دهند. در نتیجه، رنگ و سایه‌بانی در هر نقطه از صحنه بر اساس تعامل نور با اجسام محاسبه می‌شود.
معرفی ری تریسینگ یا رهگیری پرتو
تکنیک ری‌تریسینگ به دلیل قدرت بالا در تولید تصاویر با جزئیات و واقع‌گرایی بالا، به ویژه در مواردی که نور و سایه‌ها نقش مهمی در تصویر ایفا می‌کنند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از ری‌تریسینگ، می‌توان جزئیات مانند بازتاب نور در سطوح، سایه‌ها، انعکاس نور از سطوح و اثرات دیگر را به طور دقیق و واقعی شبیه‌سازی کرد.
همچنین، مقرون به صرفه بودن تکنولوژی ری‌تریسینگ در سخت‌افزار مدرن، از جمله کارت‌های گرافیک با قابلیت ری‌تریسینگ، باعث شده است که این تکنیک به طور گسترده در بازی‌های ویدئویی و نرم‌افزارهای گرافیکی استفاده شود.
آیا رهگیری پرتو در صنعت بازی‌های ویدئویی استفاده می‌شود؟
بله، رهگیری پرتو در صنعت بازی‌های ویدئویی استفاده می‌شود و بخشی از تکنولوژی‌های رندرینگ در بازی‌های مدرن به حساب می‌آید. تا قبل از رایانه‌های قدرتمند و کارت‌های گرافیک پیشرفته، استفاده از رهگیری پرتو در بازی‌های ویدئویی به دلیل محدودیت‌های سخت‌افزاری ممکن نبود. اما با پیشرفت تکنولوژی و معرفی کارت‌های گرافیک با قابلیت رهگیری پرتو، این تکنیک در صنعت بازی‌های ویدئویی بسیار محبوب شده است.
استفاده از رهگیری پرتو در بازی‌ها به واقعی‌تر شدن تصاویر و بهبود واقع‌گرایی آنها کمک می‌کند. این تکنیک امکان شبیه‌سازی بازتاب نور در سطوح، سایه‌های دقیق‌تر، انعکاس نور از اجسام و اثرات نوری دیگر را فراهم می‌کند. به طور مثال، با استفاده از رهگیری پرتو می‌توان نور خورشید دریافتی توسط سطوح مختلف، بازتاب نور از آب، آینه‌ها، شیشه و سایر اجسام را به طور واقع‌گرایانه شبیه‌سازی کرد.
بازی‌هایی معروف مانند “Cyberpunk 2077″، “Control” و “Minecraft” با استفاده از رهگیری پرتو به تولید تصاویر با کیفیت واقع‌گرایانه و جزئیات بالا پرداخته‌اند. همچنین، کمپانی‌های سازنده کارت‌های گرافیک نیز اقدام به معرفی کارت‌هایی با قابلیت رهگیری پرتو کرده‌اند که به توسعه‌دهندگان بازی‌ها این امکان را می‌دهند تا از این تکنیک در طراحی و توسعه بازی‌ها استفاده کنند.
بنابراین، رهگیری پرتو در حال حاضر در صنعت بازی‌های ویدئویی به عنوان یک تکنیک رندرینگ حیاتی محسوب می‌شود و در آینده نیز احتمالاً استفاده گسترده‌تری در بازی‌های ویدئویی خواهد داشت.
تکنیک‌های رندرینگ واقع‌گرایانه در بازی‌های ویدئویی
علاوه بر ری تریسینگ، تکنیک‌های دیگری برای رندرینگ واقع‌گرایانه در بازی‌های ویدئویی وجود دارد. در زیر به برخی از این تکنیک‌ها اشاره می‌کنم:
رندرینگ با استفاده از شیدرهای واقع‌گرایانه (Real-Time Shader Rendering):
این تکنیک از طریق استفاده از شیدرهای قدرتمند در پردازشگرهای گرافیکی، امکان ایجاد جزئیات واقع‌گرایانه در بازی‌ها را فراهم می‌کند. با استفاده از ترکیب‌های پیچیده از شیدرها، می‌توان جزئیات نورپردازی، سطوح مواد و انعکاس‌ها را به طور واقع‌گرایانه نشان داد.
رندرینگ مبتنی بر تکنیک‌های رایج (Rasterization-based Rendering):
این تکنیک بر اساس روش رستریزاسیون که توسط بیشتر بازی‌ها استفاده می‌شود، عمل می‌کند. در این روش، سه‌بعدی‌سازی، نورپردازی و رندرینگ صحنه به صورت سریع انجام می‌شود. این روش عملکرد بالا و سرعت رندرینگ بالا را در اختیار قرار می‌دهد، اما معمولاً جزئیات واقع‌گرایانه کمتری ارائه می‌دهد.
رندرینگ به کمک فیزیک محاسباتی (Physically Based Rendering – PBR):
این تکنیک بر اساس مدل‌های ریاضی فیزیکی استوار است و سعی در شبیه‌سازی نورپردازی و مواد واقعی دارد. با استفاده از این تکنیک، می‌توان جزئیات واقع‌گرایانه‌تری را در خصوص نورپردازی، بازتاب‌ها و تعامل نور با مواد ایجاد کرد.
تکنیک‌های مبتنی بر ترکیبی از ری تریسینگ و رستریزاسیون (Hybrid Rendering Techniques):
برخی از بازی‌ها از ترکیب روش‌های ری تریسینگ و رستریزاسیون استفاده می‌کنند. در این تکنیک‌ها، با استفاده از ری تریسینگ برای بخش‌های خاصی از صحنه مانند سایه‌ها، بازتاب‌ها یا انعکاس‌ها، جزئیات واقع‌گرایانه‌تری ایجاد می‌شود و سایر بخش‌های صحنه با استفاده از رستریزاسیون پردازش می‌شوند.
این تکنیک‌ها تنها برخی از مثال‌هایی هستنداز تکنیک‌های دیگر رندرینگ واقع‌گرایانه در بازی‌های ویدئویی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
رندرینگ حجمی (Volumetric Rendering):
این تکنیک برای شبیه‌سازی و رندر کردن جریان‌های حجمی مانند دود، مه، آب و غیره استفاده می‌شود. با استفاده از روش‌های حجمی، جزئیات واقع‌گرایانه‌تری در مورد شفافیت، روشنایی و انتشار نور در این جریان‌ها به نمایش در می‌آید.
رندرینگ پوشش بخشی (Partial Coverage Rendering):
در برخی از بازی‌ها، تکنیک رندرینگ پوشش بخشی استفاده می‌شود تا در مواقعی که یک شیء به طور جزئی توسط شیء دیگر پوشانده شود، جزئیات واقع‌گرایانه‌تری ارائه شود. این تکنیک باعث ایجاد سایه‌ها، انعکاس‌ها و تغییرات روشنایی و رنگ در ناحیه‌های پنهان شده از دید قرار می‌گیرد.
رندرینگ ترکیبی (Deferred Rendering):
در روش رندرینگ ترکیبی، محاسبات نورپردازی و رندرینگ سایر جزئیات مانند سایه‌ها، بازتاب‌ها و نورهای پرتوان در مرحله‌ای جداگانه و به صورت مستقل انجام می‌شود. سپس در مرحله‌ی ادغام، اطلاعات محاسبه شده به همراه اطلاعات جزئیات دیگر صحنه ترکیب می‌شوند. این روش می‌تواند بهبود قابل توجهی در کارایی رندرینگ داشته باشد.
رندرینگ با استفاده از فیزیک شار (Photon Mapping):
در این روش، از مفهوم فیزیک شار استفاده می‌شود تا نور را در صحنه شبیه‌سازی کند. با استفاده از فیزیک شار، اثرات نورپردازی و سایه‌ها به طور واقع‌گرایانه‌تری نشان داده می‌شوند. این روش معمولاً برای بازی‌هایی با نورپردازی پیچیده و بازتاب‌های شفاف استفاده می‌شود.
همچنین، توسعه‌ی روش‌های جدید و پیشرفته برای رندرینگ واقع‌گرایانه همچون رندرینگ پرتوی (Ray Tracing) در طول زمان ادامه خواهد داشت و تکنیک‌های جدیدتری نیز معرفی خواهند شد.
مزایا و معایب ری تریسینگ یا رهگیری پرتو
ری تریسینگ (رهگیری پرتو) مزایا و معایب خاص خود را دارد. در ادامه به برخی از مزایا و معایب این تکنیک می‌پردازم:
مزایا:
- واقع‌گرایی و جزئیات بالا: ری تریسینگ به طور دقیق بازتاب نور، سایه‌ها، انعکاس‌ها و تعامل نور با اجسام را شبیه‌سازی می‌کند. این باعث می‌شود تصاویر با جزئیات بالا و واقع‌گرایی بیشتر ایجاد شود و صحنه به طور واقعی و متناسب با رفتار نور در دنیای واقعی نشان داده شود.
- نورپردازی دقیق: ری تریسینگ به توسعه‌دهندگان این امکان را می‌دهد تا نورپردازی دقیق‌تری را در بازی‌ها ایجاد کنند. با استفاده از این تکنیک، نور به طور واقع‌گرایانه در سطوح، بازتاب از اجسام و انعکاس نور از شیشه و آینه‌ها شبیه‌سازی می‌شود.
- امکان شبیه‌سازی مواد مختلف: ری تریسینگ امکان شبیه‌سازی واکنش نور با مواد مختلف را فراهم می‌کند. مثلاً در یک بازی، می‌توان براقیت و درخشندگی فلزات، شفافیت شیشه و ماتیته سطوح را به طور دقیق شبیه‌سازی کرد.
- رنگبندی و مواد واقع‌گرایانه: ری تریسینگ به توسعه‌دهندگان این امکان را می‌دهد تا رنگبندی و مواد واقع‌گرایانه‌تری را در بازی‌ها ایجاد کنند. با استفاده از این تکنیک، می‌توان جزئیات رنگی مواد را به طور دقیق و با واقع‌گرایی بالا نمایش داد.
معایب:
- بار محاسباتی بالا: ری تریسینگ یک روش محاسباتی پیچیده است و نیاز به قدرت پردازشی بالا دارد. این مورد می‌تواند بار محاسباتی را بر روی سیستم‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری افزایش دهد و ممکن است نیاز به سخت‌افزار قدرتمندتری داشته باشد.
- زمان پردازش بالا: به دلیل محاسبات پیچیده، رندرینگ با استفاده از ری تریسینگ زمان بیشتری نسبت به روش‌های سنتی می‌برد. این ممکن است باعث کاهش سرعت فعملکرد و پاسخ‌گویی بازی شود، به خصوص در مواردی که نیاز به تعداد زیادی پرتو برای ردیابی در صحنه داریم.
- پیچیدگی پیاده‌سازی: پیاده‌سازی ری تریسینگ نسبت به روش‌های سنتی پیچیده‌تر است. این ممکن است نیاز به تجربه و دانش بیشتری در زمینه تکنیک‌ها و الگوریتم‌های ری تریسینگ داشته باشد.
- محدودیت منابع سخت‌افزاری: ری تریسینگ نیاز به قدرت پردازشی بالا و منابع گرافیکی قوی‌تری دارد. برای اجرای بهتر ری تریسینگ، ممکن است نیاز به کارت گرافیک قدرتمندتری با قابلیت های خاص مانند پردازشگرهای پرتوگرا (RT Cores) داشته باشیم.
چه نوع نرم‌افزارها و بازی‌هایی از ری‌تریسینگ استفاده می‌کنند؟
استفاده از ری تریسینگ برای رندرینگ واقع‌گرایانه در بازی‌ها و نرم‌افزارهای مختلف روز به روز در حال افزایش است. در زیر به برخی از نرم‌افزارها و بازی‌هایی که از ری تریسینگ استفاده می‌کنند، اشاره می‌کنم:
بازی‌ها:
- Cyberpunk 2077
- Control
- Minecraft (با استفاده از نسخه‌ی RTX)
- Battlefield V
- Metro Exodus
- Shadow of the Tomb Raider (با استفاده از نسخه‌ی RTX)
- Quake II RTX
- Call of Duty: Modern Warfare (با استفاده از نسخه‌ی RTX)
- Watch Dogs: Legion
- Marvel’s Spider-Man: Miles Morales (بر روی کنسول‌های پلی‌استیشن 5)
نرم‌افزارهای رندرینگ:
- Autodesk 3ds Max
- Autodesk Maya
- Blender
- Cinema 4D
- Unreal Engine
- Unity
این فهرست تنها برخی از مثال‌های معروف استفاده از ری تریسینگ است و تعدادی دیگر از نرم‌افزارها و بازی‌ها نیز از این تکنیک بهره می‌برند. ارزش توجه دارد که توجه به سخت‌افزارهای مناسب نیز برای اجرای رندرینگ با ری تریسینگ لازم است، به خصوص استفاده از کارت‌های گرافیکی قدرتمند که قابلیت مدیریت پردازش‌های موازی و شدت محاسباتی بالا را داشته باشند.
چه کارت گرافیک‌هایی از ری تریسینگ پشتیبانی می‌کنند؟
در حال حاضر، برخی از کارت‌های گرافیک معروف که از ری تریسینگ پشتیبانی می‌کنند، عبارتند از:
- NVIDIA GeForce RTX سری 20:
- GeForce RTX 2080 Ti
- GeForce RTX 2080 Super
- GeForce RTX 2080
- GeForce RTX 2070 Super
- GeForce RTX 2070
- GeForce RTX 2060 Super
- GeForce RTX 2060
- NVIDIA GeForce RTX سری 30:
- GeForce RTX 3090
- GeForce RTX 3080 Ti
- GeForce RTX 3080
- GeForce RTX 3070 Ti
- GeForce RTX 3070
- GeForce RTX 3060 Ti
- GeForce RTX 3060
این لیست تنها برخی از کارت‌های گرافیکی است که از ری تریسینگ پشتیبانی می‌کنند. برند دیگری مانند AMD نیز بر روی تکنولوژی مشابهی به نام ری‌تریسینگ تلاش می‌کند، اما در حال حاضر کارت‌های گرافیکی این برند با پشتیبانی کامل از ری تریسینگ مانند کارت‌های گرافیکی NVIDIA عرضه نشده‌اند.