Что такое RTX и трассировка лучей: современные технологии игровой графики

Что такое RTX и трассировка лучей

Трассировка лучей (Ray Tracing) - это технология рендеринга, при которой в виртуальной сцене моделируется физическое поведение света и теней для достижения фотореалистичного изображения. В отличие от классической растеризации, где картинка строится из треугольников с помощью различных ухищрений (например, SSAO - экранное окружающее затенение), трассировка лучей отправляет виртуальные лучи от камеры в сцену и анализирует их пересечения с объектами и источниками света. Это позволяет добиться более точного освещения, реалистичных отражений и мягких теней - свет действительно "распространяется" по сцене, а не рисуется шаблонно.

Как работает трассировка лучей

В процессе трассировки лучей для каждого пикселя изображения запускается один или несколько лучей из виртуальной камеры (точки зрения игрока). Если луч сталкивается с объектом, вычисляются его физические свойства: цвет, материал, нормаль в точке пересечения. Далее из этой точки могут генерироваться дополнительные лучи - к источникам света (для расчёта теней) и к отражающим поверхностям (для отражений). В отличие от растеризации, где свет и тени имитируются дополнительными эффектами, трассировка физически корректно определяет взаимодействие света с поверхностью: отражение, преломление, рассеивание. Благодаря этому изображение становится максимально приближённым к реальности, хотя такой подход требует значительно больше вычислительных ресурсов.

Что такое NVIDIA RTX

RTX (Ray Tracing eXtreme) - это бренд NVIDIA, объединяющий технологии аппаратного ускорения трассировки лучей. Первая серия видеокарт с RTX (архитектура Turing, GeForce RTX 20) появилась в 2018 году. В этих видеокартах были реализованы специальные RT-ядра для ускорения вычислений пересечений лучей с геометрией, а также тензорные ядра для задач искусственного интеллекта и работы технологий типа DLSS. Совместно с Microsoft был создан API DirectX Raytracing (DXR), что позволило запускать трассировку лучей в играх на PC в реальном времени. Благодаря RTX сцены становятся динамичнее: освещение и отражения обновляются мгновенно, реагируя на изменения в игре, без необходимости предварительных расчётов.

Растеризация против трассировки лучей (SSAO)

До появления RTX практически все 3D-игры работали на растеризации - быстрой проекции полигонов на экран. Объекты разбиваются на треугольники, которые отрисовываются с помощью Z-буфера, а освещение и тени реализуются шейдерами и дополнительными приёмами. Например, SSAO (Screen Space Ambient Occlusion) - это метод имитации глобального затенения в сцене, который затемняет углы и щели на уже готовом изображении, но не учитывает физику света. В итоге тени получаются грубыми и неестественными. Трассировка лучей же вычисляет освещение физически корректно: учитывает все источники света, цвет и отражающие свойства поверхностей, а также сложные отражения. Например, при трассировке цвет стен может влиять на оттенок света, тени от разных источников будут мягкими, а отражения - максимально реалистичными.

Примеры игр с поддержкой RTX

Технология RTX активно внедряется в современные игры. Среди первых проектов с реалистичной трассировкой лучей были Metro Exodus (2019 - глобальное освещение) и Shadow of the Tomb Raider (2018 - тени). Позже появились Battlefield V (реалистичные отражения) и Control (реалистичные тени и отражения в интерьерах). Самый известный пример - Cyberpunk 2077 (2020), где трассировка лучей используется для всех ключевых графических эффектов: глобального и рассеянного освещения, отражений, точных теней и световых бликов. Также RTX поддерживают Watch Dogs: Legion, обновлённая Shadow of the Tomb Raider и другие игры. Ниже приведены примеры популярных игр и реализованных в них RTX-эффектов:

На примере Minecraft RTX заметна разница: с трассировкой лучей освещение становится естественным, вода и стекло точно отражают окружение, а светящиеся объекты действительно освещают сцену. Без RTX картинка выглядит более плоской и "мыльной". Это отлично иллюстрирует преимущества физически корректного рендеринга.

Преимущества RTX

Трассировка лучей через RTX даёт целый ряд преимуществ для игровой графики:

• Максимальная реалистичность сцен: натуральные тени, мягкие блики, правильные отражения и рассеянный свет.
• Точные зеркальные и полуматовые отражения на любых поверхностях.
• Эффект цветового переналивания: цвет одной поверхности влияет на освещённость другой.
• Динамическое реагирование на изменения освещения и времени суток в игре.
• Более выразительная и "живая" картинка, особенно в сложных интерьерах и при большом количестве источников света.

Например, в Control благодаря RTX световые блики появляются на стенах и мебели там, где раньше была просто тень. В Minecraft RTX даже внутренние части построек получают косвенное освещение от солнца, что невозможно реализовать стандартными методами.

Требования к видеокартам и производительность

Главный недостаток RTX - высокая нагрузка на железо. Для комфортной игры с трассировкой лучей необходимы современные видеокарты RTX серий 20, 30 или выше. Например, Cyberpunk 2077 с включённым RTX и DLSS на RTX 3070 или 2080 Ti выдаёт около 50 FPS при высоких настройках, тогда как без трассировки - 60+ FPS. В Control с RTX без DLSS частота кадров на RTX 2080 Ti может падать ниже 24 FPS в 4K, но с DLSS производительность возрастает почти на 80%. Также потребуется мощный процессор и достаточный объём оперативной памяти. Хотя некоторые RTX-эффекты можно эмулировать на старых видеокартах через DXR, такая имитация ещё сильнее снижает FPS. В большинстве случаев для игр с RTX выбирают баланс между качеством и производительностью с помощью DLSS (ИИ-сглаживание).

История RTX и трассировки лучей в играх

Идея трассировки лучей появилась ещё в 1960-1970-х годах и долгое время использовалась в кино и анимации для создания фотореалистичного рендеринга. В игровые проекты реальный ray tracing пришёл с выходом NVIDIA RTX: в 2018 году была представлена архитектура Turing с RT-ядрами. Первые игры с поддержкой RTX появились в 2019 году - Battlefield V (реалистичные отражения), Metro Exodus (глобальное освещение), Shadow of the Tomb Raider (трассировка теней). В 2020 году вышла Cyberpunk 2077 с полным набором RTX-эффектов. Позже трассировка лучей стала стандартом для множества проектов на Unreal Engine 4/5 и других движках (например, Call of Duty: Warzone, Fortnite, Watch Dogs Legion). С поколениями Ampere (RTX 30) и Ada Lovelace (RTX 40) производительность RT-ядер значительно выросла, а конкуренция подтянула и AMD: их карты с RDNA2 также получили ускорение трассировки лучей. Сегодня RTX и трассировка лучей - ключевые технологии в игровой графике высокого класса.

Заключение

RTX - это современный стандарт NVIDIA для аппаратной трассировки лучей в играх и приложениях, который обеспечивает физически достоверное освещение, тени и отражения, делая изображение максимально реалистичным. В сравнении с растеризацией и SSAO RTX-эффекты выглядят гораздо правдоподобнее, но требуют мощных видеокарт. Среди популярных игр с RTX: Cyberpunk 2077, Minecraft RTX, Control и многие другие. Технология RTX создаёт впечатляющий визуальный эффект и стремительно становится новым ориентиром в мире игровой графики.