هرآنچه باید درباره رهگیری پرتو، جهش گرافیکی بزرگ بعدی بدانید

ماه گذشته، انویدیا سرانجام جدیدترین سری کارت‌های گرافیک RTX خود را در مدل‌های مصرفی (GeForce) و حرفه‌ای (Quadro) معرفی کرد. این شرکت وعده می‌دهد که این کارت‌ها، گرافیک بازی‌های ویدئویی را در دهه‌ی بعدی و فراتر متحول خواهند کرد و رمز این تغییر تازه نیز در تغییر نام GTX به RTX نهفته است. حرف R در نام جدید کارت‌های گرافیک انویدیا، مخفف رهگیری پرتو (Ray Tracing) است؛ فناوری منحصربه‌فردی که برای سال‌ها جزئی از صنعت جلوه‌های ویژه‌ی سینمایی بوده؛ اما اکنون به‌لطف برخی از سیستم‌های هوش مصنوعی، سرانجام راه خود را به گیمینگ نیز باز کرده است. علاوه‌بر این، بهره‌گیری از رهگیری پرتو اکنون برای کاربران حرفه‌ای، خالقان محتوا و استودیوها نیز با صرف هزینه و زمان بسیار کمتر امکان‌پذیر شده است. بنابراین، طیف وسیعی از کاربران می‌توانند از مزایای کارت‌های گرافیک نسل جدید انویدیا بهره‌مند شوند. اما رهگیری پرتو دقیقا چیست؟ چه مزیتی به همراه دارد و چه تاثیری در آینده‌ی گرافیک کامپیوتری خواهد داشت؟ برای پاسخ به این سؤال‌ها با زومیت همراه باشید.

نور و نحوه مدل‌سازی آن

برای درک ماهیت رهگیری پرتو، اول باید از نحوه‌ی عملکرد نور در دنیای واقعی اطلاع پیدا کرد. هنگامی که یک منبع به تابش اشعه یا «پرتو» می‌پردازد، در این حالت، نور در مسیر خود به یک سطح برخورد می‌کند. این سطح در مقابل، یکی از این چهار کار را انجام می‌دهد؛ نور را در خود جذب می‌کند، بازتاب می‌دهد، موجب شکست نور می‌شود یا به‌شکل شفاف درمی‌آید. تفاوت بین این چهار کنش، تعیین می‌کند که شی زیر یک منبع نورِ به‌خصوص چگونه به‌نظر برسد.

به‌طور معمول، درخواست از کامپیوتر برای شبیه‌سازی تمام این چهار وضعیت و واکنش‌های آن‌ها به یک منبع نور، وظیفه‌ای نیازمند صرف هزینه و زمان بسیار زیاد است؛ بدین معنی که توسعه‌دهندگان گیمینگ برای جعل نتایج مشابه، باید با راه‌حلی ارزا‌ن‌تر کنار بیایند. برای سال‌ها، گیمینگ سه‌بعدی برای جلوه دادن طبیعی بازگشت نور از سطح یک شی، به‌نوعی تقلب کرده و از تکنیکی به نام شطرنجی‌سازی (Rasterization) بهره گرفته است.

شطرنجی‌سازی، اشیا سه‌بعدی را به‌منظور نمایش در مانیتور به پیکسل‌های دوبعدی تبدیل می‌کند و به همین شیوه نیز به پردازش نور می‌پردازد؛ سپس همانند نقاشی که با طیفی از خطوط تیره به اثر خود عمق می‌بخشد، جزئیات از دست‌رفته را با سایه‌زن‌ها (Shaders) پر می‌کند. درواقع، فناوری گرافیکی فعلی انویدیا و بسیاری از دیگر شرکت‌های حاضر در عرصه‌ی گرافیک کامپیوتری، نور و نحوه‌ی رفتار آن در یک صحنه‌ی معین را به ‌کمک همین تکنیک، به‌نحو بسیار ساده‌تری شبیه‌سازی می‌کند. این روش برای بازی‌های کنسول و پی‌سی به اندازه‌ی کافی مناسب است؛ اما هرچه به سمت قلمرو گیمینگ 4K نزدیک‌تر می‌شویم، تکنیک‌های نورپردازی قدیمی که برای سال‌ها از آن‌ها استفاده کرده‌ایم، دیگر قادر به حفظ آن سطح یکسان از دقت و موشکافی نخواهند بود.

رهگیری پرتو

در پاسخ به نیاز نسل جدید بازی‌های ویدئوهایی، رهگیری پرتو پا به میدان می‌گذارد. رهگیری پرتو از زمان ابداع در سال‌های گذشته ، همواره آرزویی دست‌نیافتنی در عرصه‌ی گیمینگ بوده است. در پاسخ به این سؤال که این فناوری چیست، به زبان ساده می‌توان گفت که رهگیری پرتو یا پرتویابی نوعی تکنیک رندرینگ است که رفتار نور را  با برخورد آن به اشیاء به‌صورت بی‌درنگ در صحنه مدل‌سازی می‌کند. این شیوه با رهگیری جداگانه‌ی پرتوهای نور به‌محض بازگشت آن‌ها از سطوح مختلف، می‌تواند بازتاب‌ها، پراکندگی‌های زیرسطح، نیم‌شفافی و دیگر جزئیاتی را که به باورپذیر ساختن یک صحنه کمک می‌کنند، با دقت زیاد بازآفرینی کند.

انویدیا تقریبا از یک دهه‌ی پیش مشغول سرمایه‌گذاری روی رهگیری پرتو بوده است. غول سازنده‌ی کارت گرافیک در سال ۲۰۰۸ شرکتی به نام RayScale را تصاحب کرد و دو سال بعد در رویداد سیگراف ۲۰۱۰، از نخستین پیش‌نمایش رهگیری پرتو تعاملی روی کارت‌های مبتنی بر معماری Fermi کوادرو رونمایی کرد. پس از تماشای آن نمونه‌ی نمایشی، گمان می‌رفت که قابلیت رهگیری بدون درنگ پرتو به‌زودی در نسل‌های بعدی امکان‌پذیر خواهد شد. اما ۸ سال طول کشید تا انویدیا، رهگیری بی‌درنگ پرتو را در دسترس مصرف‌کنندگان عادی قرار دهد؛ دستاوردی که پیش از این رسیدن به آن به‌شدت دشوار و پرهزینه بود.

همان‌طور که در ابتدا اشاره شد، استودیوهای جلوه‌های ویژه از سال‌ها پیش، رهگیری پرتو را در فیلم‌های بزرگ هالیوودی به‌کارگرفته‌اند. اما پس چگونه فیلم‌ها برخلاف بازی‌های ویدئویی قادر به بهره‌مندی از مزایای این تکنیک بوده‌اند؟ این صرفا بدین خاطر است که برخلاف صحنه‌های گرافیکی بی‌درنگ، هالیوود می‌توانسته جلوه‌های خود را به آنچه با عنوان «مزرعه‌ی رندر» شناخته می‌شود، ارسال کند و ساعت‌ها، روزها و حتی گاهی اوقات هفته‌ها منتظر بماند تا رندرینگ نورپردازی یک صحنه‌ی واحد به اتمام برسد؛ درست به همین دلیل است که از رهگیری پرتو در بازی‌های ویدئویی تنها در صحنه‌های از پیش رندرشده‌ی میان بازی (Cut-Scenes) استفاده می‌شود.

این در حالی است که گیمینگ تعاملی باید بتواند همین جلوه‌های نورپردازی مشابه را در یک محیط پویا و در حال تغییر تولید کند؛ اما به‌دلیل آنکه رهگیری پرتو نیازمند قدرت پردازشی بسیار بالایی است، تاکنون تنها فیلم‌های بلند سینمایی قادر به بهره‌گیری از آن بوده‌اند. علاوه‌بر این، هزینه‌های محاسباتی نیز یکی از موانع عمده بر سر راه استفاده از رهگیری پرتو محسوب می‌شود. بهترین کارت گرافیک تورینگ برای موارد استفاده‌ی حرفه‌ای، ۱۰ هزار دلار قیمت دارد؛ بااین‌حال، استفاده از رهگیری پرتو پیش از این به‌مراتب هزینه‌ی بیشتری دربرداشت. اما آنچه اکنون اتفاق افتاده این است که انویدیا فناوری رهگیری پرتو را به پردازنده‌های گرافیکی سطح مصرف‌کننده آورده است؛ اقدامی که پیش از این هرگز انجام نشده بود. به‌گفته‌ی انویدیا به‌لطف بهره‌مندی کارت‌های گرافیک RTX از برخی یکپارچگی‌های هوشمندانه‌ی هوش مصنوعی، دوران «رهگیری بی‌درنگ پرتو» سرانجام از راه رسیده است.

اکنون می‌توان مسیر طی‌شده توسط نور در طول یک صحنه را به نحو پیچیده‌تری رندر کرد. با رهگیری پرتو می‌توان نحوه‌ی تعامل پرتوهای نور با اشیاء را شبیه‌سازی و بازتاب‌ها، انکسارها (شکست نور) و جلوه‌های پراکندگی را به‌صورت بی‌درنگ خلق کرد. رهگیری پرتو حتی می‌تواند آینه‌ها را شناسایی و رندر کند، شکست نور در عبور از شیشه و سرچشمه‌ی نور در یک صحنه را تشخیص دهد و حتی رنگ نور در عبور از اشیاء را تعیین کند. رهگیری پرتو با شبیه‌سازی این موارد، صحنه‌ای به‌شدت طبیعی‌تر و واقع‌گرایانه‌تر خلق می‌کند و گرافیک گیمینگ را تا حد زیادی به واقع‌گرایی عکس‌واری که از فیلم‌های محبوب خود انتظار داریم، نزدیک‌تر می‌کند.

برای درک بهتر مزیت به‌کارگیری رهگیری بی‌درنگ پرتو می‌توانید نمونه‌ی نمایشی زیر را تماشا کنید.

تماشای چنین سطح خارق‌العاده‌ای از نورپردازی هیجان‌انگیز به‌نظر می‌رسد؛ اما باید درنظر داشت که این پیش‌نمایش روی یک کوادرو RTX 6000 رندر شده است؛ کارت گرافیکی که برای ورک‌استیشن‌های حرفه‌ای طراحی شده و برچسب قیمت فوق‌العاده بالای ۶٫۳۰۰ دلار را دارد. در نتیجه فعلا باید انتظارها را پایین نگاه داشت؛ زیرا بازی‌ها به این زودی‌ها با چنین ظاهر خوبی روی کامپیوترهای خانگی اجرا نخواهند شد.

رهگیری پرتو چگونه عمل می‌کند

توضیح سازوکار فناوری گرافیک معمولا دشوار است؛ اما رهگیری پرتو، همان‌طور که از نام برمی‌آید، توضیح نسبتا ساده‌ای دارد. رهگیری پرتو با رهگیری مسیر نور شبیه‌سازی‌شده یا بلکه میلیون‌ها نور شبیه‌سازی‌شده، تصویری را می‌سازد. نور با حرکت، سپس برخورد به اشیا و تعامل با ویژگی‌های آن‌ها بازمی‌گردد. به‌عنوان مثال، اگر بازگشت از یک سطح سبز براق اتفاق بیافتد، فام (ته‌رنگ) نور می‌تواند تغییر کند. این در اصل همان نحوه‌ی کارکرد نور در دنیای واقعی است. ذره‌ای نور از منبع خود سرچشمه می‌گیرد و در امتداد حرکت می‌کند تا زمانی‌که با یک شی در نقطه‌ای تعامل برقرار کند و مسیرش به‌وسیله‌ی ویژگی‌های آن شی تعیین شود. نور می‌تواند توسط یک جسم متراکم و تیره جذب یا توسط یک آینه به‌کلی بازتابیده شود.

شباهت بنیادین رهگیری پرتو به دنیای وقایع، آن را به یک تکنیک رندریگ سه‌بعدی به‌شدت واقع‌گرایانه تبدیل می‌کند. اما این وسط تنها یک مشکل وجود دارد و آن شبیه‌سازی است. دنیایی که ما هر روزه می‌بینیم، به‌وسیله‌ی میلیون‌ها ذرات نوری که با سرعت نور در اطراف ما در حال حرکت هستند، قابل رویت شده است. شبیه‌سازی چنین چیزی آسان نیست و همان‌طور که پیش از این اشاره شد به‌همین دلیل رهگیری پرتو تا به امروز تنها در دسترس فیلم‌های سینمایی و دیگر گرافیک‌های از پیش رندرشده قرار داشت. اما انویدیا این مشکل را حل کرده است و دنیای بازی‌هایی ویدئویی در آستانه‌ی تحولی شگرف قرار دارد.

نسل بعدی گیمینگ و شبیه‌سازی‌های گرافیکی

همان‌طور که اشاره شد، آنچه تاکنون مانع از دستیابی مصرف‌کنندگان عادی به رهگیری پرتو می‌شد، نیازمندی این تکنیک رندرینگ به حجم غیر قابل تصوری از قدرت محاسباتی بود. جنسن هوانگ، مدیرعامل انویدیا درباره‌ی دستاورد شرکتش در ارائه‌ی رهگیری پرتو می‌گوید:

این بزرگ‌ترین پیشرفتی است که ما تاکنون در یک نسل موفق به دستیابی به آن شده‌ایم.

با درنظر گرفتن این نکته که معماری جدید به‌کار رفته در پردازنده‌های گرافیکی جدید انویدیا برای حل مشکل پردازشی یادشده طراحی شده است، صحبت جنسن منطقی به‌نظر می‌رسد. هسته‌های اختصاصی رهگیری پرتو در پیوستگی با هسته‌های Tensor و با بهره‌گیری از هوش مصنوعی فعالیت می‌کنند تا شبیه‌سازی‌ها را ۶ برابر سریع‌تر از پلتفرم نسل پیشین پاسکال (کارت‌هایی همچون GTX 1080 Ti) خلق کنند. این یک جهش بزرگ در فناوری گرافیک کامپیوتری به‌حساب می‌آید و با تصور اینکه اکنون استودیوها و اشخاص می‌توانند موارد جدید استفاده از رهگیری پرتو را در انیمیشن‌سازی، بازی‌های ویدئویی و شبیه‌سازی‌های علمی پیدا کنند، ارزش کار انویدیا بیش‌ازپیش به چشم می‌آید.

شرکای بازی‌ساز انویدیا نیز از مدتی پیش دست به کار شده‌اند و در ساخت محصولات بعدی خود در حال بهره‌گیری از رهگیری بی‌درنگ پرتو هستند. در حال حاضر، پیش‌نمایش برخی از بازی‌هایی که به‌زودی معرفی می‌شوند، نظیر مترو: اکسدس مزایای استفاده از معماری جدید انویدیا و تکنیک رهگیری بی‌درنگ پرتو را به‌خوبی نشان داده‌اند

برای مشاهده‌ی آنچه انویدیا از توسعه‌دهندگان انتظار دارد، می‌توانید تریلر رسمی بازی بتفیلد ۵ را در ادامه تماشا کنید. این پیش‌نمایش، بازتاب اشیای خارج از قاب تصویر از جمله شعله‌ها و انفجارها را نشان می‌دهد که به‌تصویر کشیدن آن‌ها تنها با استفاده از رندرینگ مبتنی بر آنچه در قاب حضور دارد، امکان‌پذیر نخواهد بود. بازتاب‌ها همچنین به‌دقت ویژگی‌های فیزیکی سطوح را مدل‌سازی می‌کنند؛ قابلیتی که یکی دیگر از مزایای رهگیری پرتو به‌حساب می‌آید.