Waarom Path Tracing beter is dan Ray Tracing voor gamingbeelden

Real-time ray tracing in games maakt furore sinds Nvidia in 2018 zijn kaarten uit de RTX 20-serie lanceerde. Wat aanvankelijk weinig meer was dan een gimmick, evolueerde geleidelijk naar een functie waar gamers consequent naar op zoek zijn in hun favoriete games. Meer recentelijk heeft het debat over path tracing versus ray tracing veel ophef veroorzaakt, waarbij de eerste meer geavanceerde en realistische beelden laat zien dan de laatste. Met nog een paar jaar en GPU-generaties kan padtracering eindelijk mainstream worden.

Rasterisatie, Ray Tracing en Path Tracing

Laten we path tracing vergelijken met ray tracing om te zien waarom ze nodig zijn in gaming-graphics.

Traditioneel gebruiken ontwikkelaars een techniek genaamd rasterisatie om gaming-beelden weer te geven. Rasterisatie is de vertaling van wiskundige vectorvormen in pixels, zodat ze kunnen worden bekeken op computermonitors en andere op pixels gebaseerde beeldschermen (in tegenstelling tot oudere CRT-beeldschermen).

Toegegeven, rasterisatie is behoorlijk effectief geweest bij het benaderen van het gedrag van licht in de echte wereld door gebruik te maken van “vooraf gerenderde” verlichting met statische lichtbronnen. Maar toen de vraag naar fotorealistische gaming-beelden groeide – naast de technologie om deze aan te drijven – werd real-time ray tracing eindelijk beschikbaar voor gamers.

In tegenstelling tot rastering probeert ray tracing het gedrag van licht in de echte wereld in elk frame van een game of applicatie te simuleren. Omdat licht in werkelijkheid kan reflecteren, breken of geabsorbeerd kan worden na interactie met meerdere objecten, wordt hetzelfde gedrag van lichtstralen berekend voor elke afzonderlijke pixel van een frame. Dit komt neer op het berekenen van het gedrag van miljoenen gesimuleerde stralen voor slechts één frame. Dit is de reden waarom ray tracing zo rekenkundig zwaar is.

Ray tracing zelf is niets nieuws. Ray tracing, ontwikkeld in 1969, wordt sinds de jaren zeventig in verschillende mate door filmstudio’s gebruikt. Maar Hollywood heeft de luxe om elk frame van een film vooraf te renderen door gebruik te maken van ‘renderfarms’, waarbij het soms weken kan duren om een ​​enkele ray-traced scène weer te geven.

Real-time ray tracing in games is anders, omdat deze complexe berekeningen voor elk afzonderlijk frame moeten worden uitgevoerd in een dynamisch veranderende omgeving. Dit is ook een reden waarom de meeste ray-tracing-games – zelfs als ze hardwareversnelling van moderne GPU’s gebruiken – slechts één of twee elementen van ray-tracing gebruiken in combinatie met rastering, zoals ray-traced reflecties of schaduwen.

Nu komen we bij padtracering. In de kern is path tracing slechts een aangepaste versie van ray tracing. In plaats van het pad van elke afzonderlijke lichtstraal te volgen – of het nu primaire of teruggekaatste (secundaire) stralen zijn – berekent padtracering alleen het meest waarschijnlijke pad dat het licht zou afleggen als het door een scène wordt geschoten.

Padtracering, bedacht in de jaren tachtig, vereist complexere wiskunde met meerdere stralen voor elke afzonderlijke pixel, maar komt uiteindelijk neer op een lagere overhead voor de weergavehardware, dat wil zeggen uw GPU. Path tracing is een benadering van ray tracing met behulp van Monte Carlo-simulaties: waarschijnlijkheidsmodellen die de meest waarschijnlijke uitkomsten helpen voorspellen in situaties waarin nauwkeurige voorspelling onmogelijk is.

Er zijn andere varianten van ray tracing, zoals photon mapping (ontwikkeld in 2001), een tweestaps globale verlichtingstechniek. De eerste stap gebruikt lichtstralen door een scène om een ​​fotonenkaart te creëren die kleur- en verlichtingsgegevens bevat, en de tweede stap geeft de scène in realtime weer, met behulp van de voorbewerkte fotonenkaart. Fotonenmapping kan de rendering-overhead technisch nog verder verminderen, maar het is behoorlijk complex en vatbaar voor artefacten als er minder krachtige hardware is.

Path Tracing ziet er beter uit dan Ray Tracing

Als padtracering slechts het effect van raytracing benadert, waarom is het dan beter? Moet het resultaat niet inferieur zijn aan ray tracing?

Nee. Het debat over path tracing versus ray tracing is iets genuanceerder. Het is aangetoond dat path tracing – ook wel full ray tracing genoemd – realistischere verlichting in games oplevert. Recente games als Cyberpunk 2077 en Alan Wake 2 hebben laten zien hoe volwaardige ray tracing (met behulp van path tracing) eruit kan zien.

Path tracing is zelfs geïmplementeerd in oudere titels zoals Quake 2, Portal, The Elder Scrolls V: Skyrim en Half-Life, waardoor ze zijn getransformeerd van gedateerde graphics naar technologische demo’s.

Padtracering kan realistischere verlichting produceren vanwege de grotere gegevenssteekproef waartoe het toegang heeft. In tegenstelling tot ray tracing schiet path tracing meerdere lichtstralen voor elke pixel in de scène, waarbij een handvol daarvan wordt bemonsterd om tot het uiteindelijke resultaat te komen. Hierdoor kan het algoritme – ondersteund door ruisonderdrukking, dankzij Nvidia’s DLSS – meer gedefinieerde schaduwen, reflecties en globale verlichting produceren.

Path Tracing is technisch eenvoudiger op GPU’s

Ondanks de complexere berekeningen, ruisonderdrukking en AI-bedrog die gepaard gaan met padtracering, wordt het uiteindelijk gemakkelijker voor GPU’s – althans in theorie.

Games die vanaf de basis zijn ontwikkeld met behulp van padtracering zouden het meeste profiteren van deze lagere overhead. Dit is niet zo vaak het geval geweest. Path tracing is als update in verschillende games geïntroduceerd, jaren na de oorspronkelijke release.

Zelfs Alan Wake 2, waarvan Nvidia beweert dat het een “volledig ray-traced spel” is, maakt geen universeel gebruik van path tracing. Het is anders, want het ziet er zelfs zonder dat adembenemend uit, omdat het ook een van de beste games op de PS5 is.

Zoals de zaken er nu voorstaan, zijn dergelijke titels belachelijk moeilijk uit te voeren op afspeelbare framesnelheden, zelfs met de meest geavanceerde GPU’s. De RTX 40-serie van Nvidia moet een reeks AI-functies gebruiken om deze games met lagere resoluties weer te geven en op te schalen om acceptabele resultaten te produceren.

Maar over een paar jaar, terwijl AI in games een revolutie teweegbrengt in de game-industrie, zullen implementaties van padtracering veel eenvoudiger worden op reguliere GPU’s .

Deze GPU’s komen overeen met of overtreffen de PS5.

Padtracering is geen nieuwe techniek

Sinds de jaren 2000 wordt path tracing gebruikt door filmstudio’s, zoals Disney en Sony, om animatiefilms met volledige path tracing weer te geven. De theorie is al sinds de jaren tachtig gegrond, en nu is realtime padtracering zijn intrede gedaan in populaire, zij het onbetaalbaar zware, games waarmee mensen het voor hun ogen kunnen zien gebeuren.

Path tracing is geen radicaal nieuwe techniek die lang zal duren voordat deze doorsijpelt naar meer games en meer betaalbare hardware. Terwijl bedrijven als Nvidia, AMD en Intel concurreren om hun GPU’s te verbeteren en te investeren in geavanceerde AI-algoritmen, zal padtracering alleen maar vaker voorkomen in games en andere media. En dit zal vroeg of laat gebeuren.

Ontdek of een Intel Arc GPU goed is voor gamen.

Ray Tracing, Path Tracing en Rasterisatie zullen samenwerken

Hoe geavanceerd en indrukwekkend padtracering ook is, het kan nog steeds niet alles perfect doen. Het grootste voordeel van toegang tot meer gegevens is ook het grootste nadeel.

Raytracing is nog steeds superieur in gevallen waarin de beschikbare gegevens klein zijn (zoals donkere kerkers) of in het geval van reflecterende en brekende oppervlakken (zoals waterlichamen of glas). Dit is de reden waarom rayracen niet plotseling van het toneel zal verdwijnen met de komst van path tracing in games.

Ontwikkelaars zullen, zoals altijd, waarschijnlijk een combinatie van renderingtechnieken gebruiken om in elke situatie de meest realistische scène te produceren. Daarom zullen zowel ray tracing als path tracing, samen met rasterisatie, in de nabije toekomst een machtsspel gaan vormen.

Elke paar jaar haalt een nieuwe technologie het nieuws, omdat deze belooft games fotorealistischer dan ooit te maken. Eerst waren het shaders, daarna tessellation, gevolgd door ray tracing en nu path tracing. Maar deze technologieën eisen ook een enorme tol van de spelprestaties. Als u denkt dat uw huidige pc niet in staat is om te profiteren van deze nieuwe technieken in games, moet u wellicht een nieuwe GPU kopen . Ik hoop alleen dat, terwijl we wachten op volledig gedocumenteerde games van de toekomst, de GPU’s van de toekomst ook toegankelijk zullen worden voor de gemiddelde gamer.

Afbeelding: Close-up van een moderne GPU-kaart met circuit door DepositPhotos