За последние годы NVIDIA последовательно развивала несколько технологий, среди которых мы бы выделили трассировку лучей для графических эффектов и масштабирование DLSS на основе искусственного интеллекта. Чтобы показать преимущество обеих технологий, NVIDIA в сотрудничестве с разработчиками уделила особое внимание паре проектов: Cyberpunk 2077 2.0 вместе с DLC Phantom Liberty, а также Alan Wake 2. На их примере можно детально рассмотреть возможности новых технологий.
В 2018 году NVIDIA заложила основы упомянутых технологий с архитектурой Turing и серией видеокарт GeForce RTX 20. В последующие годы трассировка лучей и DLSS оказали весьма существенное влияние на развитие 3D-графики. Конечно, амбиции поначалу были весьма велики, но сегодня практически все игровые хиты опираются на более реалистичные эффекты с помощью трассировки лучей, а технологии масштабирования на основе ИИ активно используются для повышения FPS.
Аппаратные возможности трех поколений GeForce RTX тоже не стояли на месте, что позволило сделать эффекты еще более впечатляющими. Простые отражения лучей превратились в многократные. Непрямое и прямое освещение благодаря трассировке стало намного более реалистичным.
Сложность эффектов продолжает увеличиваться, но это отнюдь не означают, что геймерам придется бороться за плавную частоту кадров. В третьей версии DLSS получила функцию генерации кадров Frame Generation – в идеальных условиях через конвейер рендеринга проходит только 1/8 отображаемых пикселей, остальное создается через масштабирование и генерацию кадров.
В DLSS 3.5 есть и реконструкция лучей (Ray Reconstruction) – ИИ берет на себя задачу фильтра шумов (денойзера), что приводит к повышению реалистичности отображения, также избавляет разработчиков от дополнительных усилий, необходимых для настройки денойзера.
Трассировка лучей и DLSS 3.5 в Alan Wake 2
Alan Wake 2 – одна из лучших игр 2023 года не только с точки зрения геймплея, но и по технологиям. Alan Wake 2 использует весь потенциал эффектов трассировки лучей и трассировки пути (pathtracing), а также DLSS. Как всегда, можно спорить о том, какое влияние оказывает графическое оформление на содержание игры или на впечатления от нее. Но Alan Wake 2, будучи мрачным хоррор-шутером, является ярким примером того, что максимально реалистичное отображение освещения и теней оказывает существенное влияние на геймплей. В связи с этим мы выбрали несколько сцен, в которых рассмотрим эффекты поближе.
Начнем с простых сравнений, в которых мы противопоставим картинку без эффектов и с эффектами трассировки лучей.
В принципе, два скриншота уже демонстрируют основные эффекты и, например, поддержку реконструкции лучей. Видны отражения от зеркальных и полупрозрачных поверхностей, а также расчет прямого и непрямого освещения. Если отражения очень хорошо различимы с первого взгляда, то расчет освещения вносит более тонкий вклад в создание у игрока ощущения погружения в окружение Alan Wake - будь то в сумерках, как здесь, или при перемещении по полуразрушенному дому с использованием только фонаря.
Рассмотрим подробнее отдельные эффекты.
Отражения
Расчет отражений с самого начала оказался самым ярким примером трассировки лучей, поскольку эффекты видны с первого взгляда. В Alan Wake 2 встречаются как прямые отражения, так и связанные с непрямым освещением. Конечно, легче всего распознать прямые отражения, как показывают следующие примеры.
Без трассировки лучей отражения либо не отображаются вовсе, либо выводятся некорректно. В зеркалах возникают графические ошибки, которых просто нельзя избежать с помощью традиционных технологии рендеринга. Разработчикам часто приходилось вообще полностью отказаться от вывода отражений. При использовании трассировки лучей объекты в зеркалах и отражающих поверхностях выводятся физически корректно. Возможно даже второе отражение, т.е. представление отражения внутри отражения.
Прямое освещение
Мы уже подчеркивали важность корректного расчета освещения и теперь остановимся на нескольких примерах.
После активации прямого освещения в меню графики игры можно сравнить использование карт теней с трассировкой лучей. Карты теней являются классическим подходом рендеринга, однако им часто не хватает определенной динамики, которая обусловлена расстоянием от источника света до объекта и расстоянием до поверхности, на которой должна отображаться тень. Если посмотреть на приведенное выше сравнение скриншотов, то тени на спинке скамейки и шторах отображаются очень примитивно. Характерная резкость или размытость, обусловленные расстоянием между объектом, отбрасывающим тень, и поверхностью, на которую проецируется тень, добавляются только при расчете с помощью трассировки лучей.
Без трассировки лучей многие объекты на столе вообще не отбрасывают тени и поэтому кажется, что никакого контакта со столом они не имеют. При использовании трассировки лучей добавляются контактные тени, которые обеспечивают реализм.
Карты теней не различают между основная тенью и полутенью, но трассировка лучей позволяет это сделать. Силовой кабель, прикрепленный к стене, наглядно демонстрирует разницу. Карта теней отображает на всей поверхности стены размытую полутень. При использовании трассировки лучей на небольшом расстоянии от объекта все еще отображается резкая и темная основная тень, которая затем постепенно исчезает, превращаясь в полутень, интенсивность которой уменьшается с увеличением расстояния.
Особенно в тех случаях, когда необходимо отобразить несколько объектов, находящихся на разных расстояниях от источника света и поверхности с проецируемыми тенями, расчет теней или прямого освещения с помощью трассировки лучей дает значительные преимущества.
Непрямое освещение
Непрямое освещение может создать настроение сцены, а также обеспечить реализм освещения.
Если луч света попадает на поверхность с определенной отражающей способностью, то он отражается с цветом, соответствующим поверхности. Пример с чашкой бирюзового цвета с молоком для кофе хорошо это иллюстрирует: все вокруг чашки и в самой чашке отражается бирюзовым цветом.
Другой пример - спинка скамейки, которая без трассировки лучей не проецирует цвет в комнату и ближайшее окружение, но при включении непрямого освещения с помощью трассировки лучей - проецирует.
Глобальное освещение с трассировкой пути
В то время как прямое и непрямое освещение обеспечивают освещение близкого пространства, в Alan Wake 2 для всей сцены используется глобальное освещение с трассировкой пути (Path Traced Global Illumination).
Однако эффект от расчета с использованием Path Traced Global Illumination не так-то просто показать, поскольку он оказывает общее воздействие на сцену. На скриншотах выше свет проникает в комнату через окно, отражается на противоположной стене, персонаж отбрасывает тень, а объекты выводятся светлее или темнее в зависимости от того, освещены они или затенены падающим светом.
Реконструкция лучей
В DLSS 3.5 NVIDIA заменила фильтры подавления шумов (денойзеры), которые обычно используются для восстановления недостающей информации. Ведь даже при использовании эффектов трассировки лучей вычислительной мощности видеокарт пока не хватает, чтобы просчитать, например, отражение в полном разрешении. Вместо этого выполняется рендеринг в половине или четверти разрешения, при этом часть деталей, естественно, теряется.
Однако фильтры подавления шумов имеют ряд недостатков, их приходится вручную оптимизировать. Но все равно остаются ошибки, которые сказываются на качестве картинки. Например, у фильтров обычно возникают серьезные проблемы с временной стабильностью.
В Alan Wake 2 реконструкция лучей может быть отключена или включена, что позволяет наглядно продемонстрировать различия.
На поверхности воды слева от бегунка отчетливо виден шум. Здесь фильтр подавления шумов не может обеспечить требуемую детализацию, поэтому шум заметен. Справа от бегунка уже работает реконструкция лучей, поэтому все детали отображаются корректно.
Обратите внимание на места соприкосновения поверхности воды с корпусом рыболовного судна. У денойзера заметны артефакты, но при использовании реконструкции лучей переход также отображается корректно.
Даже такие мелкие детали, как складки на пиджаке ФБР, при реконструкции лучей отображаются четче и, главное, реалистичнее. В данной сцене это относится и к теням от предметов на палете, и тени от небольшого козырька над дверью. Реконструкция лучей отлично срабатывает там, где расчеты с использованием трассировки лучей упираются в недостаток информации, а фильтры подавления шумов уже не справляются.
Бенчмарки Alan Wake 2
Разумеется, все это графическое великолепие требует быстрой видеокарты. Мы проанализировали работу трех современных видеокарт GeForce RTX 40 в трех типичных разрешениях 1.920 x 1.080, 2.560 x 1.440 и 3.840 x 2.160 пикселей.
Используемое аппаратное обеспечение:
- Intel Core i9-14900K
- ASUS ROG Maximus Z790 Apex
- 32 GB DDR5-7200
- GeForce 546.01
Alan Wake 2
1.920 x 1.080 пикселей, Preset: High, Raytracing: High, с Frame Generation
Alan Wake 2
2.560 x 1.440 пикселей, Preset: High, Raytracing: High, с Frame Generation
Alan Wake 2
3.840 x 2.160 пикселей, Preset: High, Raytracing: High, с Frame Generation
Видеокарта GeForce RTX 4060 уже не способна поддерживать среднее значение 30 FPS в 1080p со всеми деталями, но с DLSS в профиле «Качество» и Frame Generation мы получаем значительно выше 60 FPS. При использовании других пресетов DLSS с меньшим разрешением рендеринга, а также если пожертвовать параметрами детализации, FPS можно повысить еще больше.
Мы исследовали аналогичное поведение для GeForce RTX 4070 в разрешении 1440p, с самого начала уровень FPS был выше. При добавлении DLSS 3.5 и Frame Generation мы уже получаем более 90 FPS в пресете «Качество». Владельцы мониторов с высокой частотой обновления наверняка будут довольны дополнительным приростом производительности, они смогут синхронизировать с видеокартой (G-Sync) более высокую частоту обновления.
Рендеринг в UHD со всеми эффектами - гораздо более сложная задача для видеокарты, но GeForce RTX 4080 с поддержкой DLSS и Frame Generation справляется с ней с легкостью.
Чтобы продемонстрировать диапазон производительности NVIDIA в серии GeForce RTX 40, мы прогнали все карты с поддержкой DLSS «Качество» и Frame Generation в разрешении UHD в одном и том же бенчмарке.
Alan Wake 2
3.840 x 2.160 пикселей, высокая детализация графики, высокое качество Raytracing, DLSS качество с Frame Generation
Конечно, GeForce RTX 4060 и GeForce RTX 4060 Ti не предназначены для игры в 4K, да и видеопамять у них при этом становится «узким местом». Но на GeForce RTX 4070 и выше, как выяснилось, можно получить вполне плавные FPS, причем с хорошим профилем качества DLSS.
Еще одним интересным аспектом можно назвать влияние функции Ray Reconstruction на производительность. Качество изображения заметно улучшается, но что с производительностью?
Alan Wake 2
Preset: High, Raytracing: High, DLSS 3.5 + Frame Generation
В Alan Wake 2 мы видим некоторое влияние, но нельзя сказать, что оно явно положительно или отрицательно сказывается на FPS. Поэтому можно со спокойной совестью активировать функцию Ray Reconstruction и получить в качества бонуса более высокое качество картинки.
В целом, Alan Wake 2 способна предложить высокое качество картинки. Текстуры и геометрические детали любого объекта просто вне конкуренции. Уже сейчас можно сказать, что с технической точки зрения Alan Wake 2 – одна из лучших игр, когда-либо выходивших на рынок. Эффекты трассировки лучей придают игре необходимый реализм через разные технологии. Трассировка пути дополняет визуализацию в плане освещения, а реконструкция лучей выводит отображение деталей и устранение ошибок на качественно новый уровень. DLSS 3 с функцией Frame Generation позволяет достичь более чем приличных FPS в различных классах производительности без ущерба для качества картинки.
Трассировка лучей и DLSS 3.5 в Cyberpunk 2077: Phantom Liberty
DLC Cyberpunk 2077: Phantom Liberty или обновление до версии 2.0 стало первой игрой, поддерживающей DLSS 3.5 с реконструкцией лучей. С технической точки зрения Cyberpunk 2077 с самого начала предлагала новейшие графические технологии, а несколько месяцев назад, помимо прочего, получила обновление с трассировкой пути.
Реконструкция лучей призвана обойти технические ограничения, возникающие при прежней реализации эффектов трассировки лучей в связке с денойзером. Посмотрим, какие преимущества дает DLSS 3.5 с реконструкцией лучей в Cyberpunk 2077: Phantom Liberty. В следующих сравнениях слева от бегунка показана картинка без реконструкции лучей, а справа - с новой технологией.
В первом сравнении мы сосредоточились на отражении в луже. При расчете трассировки лучей NVIDIA обходится без полного разрешения, а также вынуждена полагаться на работу фильтров подавления шума в движении, который, однако, обеспечивает лишь размытие реального отражения. При использовании DLSS 3.5 с реконструкцией лучей отражение получается очень четким в каждом кадре.
Во втором сравнении есть два момента. Опять же, не хватает деталей отражения в витрине, которое явно более детализировано с помощью реконструкции лучей. Но реконструкция работает и в широких областях с непрямым освещением, что видно на всем кадре.
В последнем сравнении из Cyberpunk 2077 мы рассматриваем освещение двух белых коробок в правой части кадра. Хотя изначально непрямое освещение рассчитывается корректно без реконструкции лучей, все же число лучей недостаточно для полностью физически правильного освещения.
Однако здесь большее значение имеет временная стабильность в изображении огня в гриле. Поскольку стабильность можно увидеть только на видео, ниже приведен наш видеоролик с некоторыми сценами.
Бенчмарки для Cyberpunk 2077: Phantom Liberty
Рассмотрим три модели GeForce RTX в разрешениях 1.920 x 1.080, 2.560 x 1.440 и 3.840 x 2.160 пикселей.
Используемое аппаратное обеспечение:
- Intel Core i9-13900K
- ASUS ROG Maximus Z790 Apex
- 32 GB an DDR5-7200
- GeForce 537.34
Cyberpunk 2077: Phantom Liberty
1.920 x 1.080 пикселей, Overdrive Mode, с Frame Generation
Cyberpunk 2077: Phantom Liberty
2.560 x 1.440 пикселей, Overdrive Mode, с Frame Generation
Cyberpunk 2077: Phantom Liberty
3.840 x 2.160 пикселей, Overdrive Mode, с Frame Generation
Режим Overdrive - серьезное испытание для любой видеокарты. GeForce RTX 4060 без DLSS «тормозит» даже в 1080p. С DLSS 3 и Frame Generation мы уже переходим к более чем 60 FPS в пресете «Качество». GeForce RTX 4060 хватает для монитора с чуть более высоким разрешением, но лучше перейти на GeForce RTX 4070. Производительности видеокарты вполне достаточно для плавных FPS в 1440p с DLSS 3 и Frame Generation. Даже на мониторах с частотой обновления 144 Гц можно выжать достаточное количество кадров в секунду.
В 4K требования еще выше. Даже GeForce RTX 4080 не справляется с режимом Overdrive, здесь помогает поддержка DLSS 3 и Frame Generation, которые обеспечивают более 80 FPS. После выбора более быстрого пресета DLSS можно выжать больше 100 кадров в секунду.
Вся серия GeForce RTX 40 предлагает следующий диапазон производительности в Cyberpunk 2077 в режиме Overdrive с качеством DLSS:
Cyberpunk 2077: Phantom Liberty
3.840 x 2.160 пикселей, Overdrive Mode, DLSS 3.5 качество с Frame Generation
В модельном ряду GeForce RTX 40 NVIDIA предлагает широкий разброс производительности – при переходе от GeForce RTX 4060 до GeForce RTX 4090 речь идет о семикратном увеличении производительности.
Мы оценили влияние реконструкции лучей:
Cyberpunk 2077: Phantom Liberty
Overdrive Mode, DLSS 3.5 + Frame Generation
GeForce RTX 4080 выигрывает почти 7% производительности за счет использования Ray Reconstruction. Аналогичного значения мы достигаем и с GeForce RTX 3080, хотя с GeForce RTX 2080 Ti разница значительно меньше - всего 1,5%.
Как видим, активация реконструкцией лучей отнюдь не означает, что придется мириться с падением производительности – совсем наоборот.
NVIDIA видит в рендеринге с помощью ИИ единственный путь вперед
NVIDIA продвигается вперед шаг за шагом в использовании технологий искусственного интеллекта. DLSS в своей первоначальной версии был лишь пробным шаром. Сегодня искусственный интеллект может генерировать полноценные кадры, что обеспечивает значительно большее количество FPS в различных сценариях. Реконструкция лучей в DLSS 3.5 – это следующий шаг, в котором ограничения рендеринга (снижение сложности расчета отражений и дальнейших эффектов трассировки лучей) в значительной степени снимаются поддержкой ИИ.
Сравнение скриншотов наглядно демонстрирует различия между DLSS 3.0 с фильтром подавления шумов и DLSS 3.5 с реконструкцией лучей. Детализация эффектов трассировки лучей явно улучшилась. Особенно на движущихся объектах фильтр подавления шумов достигает предела своих возможностей, чего нельзя сказать о реконструкции лучей.
Все владельцы видеокарт GeForce RTX также могут воспользоваться преимуществами реконструкции лучей – на всех трех поколениях (Turing, Ampere и Ada Lovelace). DLSS 3 и Frame Generation, однако, зарезервированы для серии GeForce RTX 40.
Концепция DLSS 1.0 заключалась в том, что изображение с масштабированием до 4K было лучше, чем изображение в родном рендеринге 4К. NVIDIA уже давно достигла этой цели. В DLSS 3 была добавлена Frame Generation, которая генерирует полные кадры. Причем DLSS непрерывно совершенствуется в фоновом режиме, поскольку сеть искусственного интеллекта можно обучать и совершенствовать снова и снова.
Очевидно, что NVIDIA будет продолжать этот путь, поскольку считает, что классическая технология рендеринга достигла своего предела. Вычислительная производительность графических процессоров уже не может быть увеличена до такой степени, которая необходима для расчета все более сложных эффектов трассировки лучей в реальном времени. В результате NVIDIA занялась поиском альтернативного решения, и оно было найдено в виде впечатляющей поддержки со стороны искусственного интеллекта.
Подписывайтесь на группу Hardwareluxx ВКонтакте и на наш канал в Telegram (@hardwareluxxrussia).