RTX چیست؟ با RTX یا رهگیری پرتو لحظه ای (Real Time Ray Tracing) آشنا شوید

RTX چیست؟ با رهگیری پرتو لحظه ای (Real Time Ray Tracing) آشنا شوید

RTX چیست؟ با رهگیری پرتو لحظه ای (Real Time Ray Tracing) آشنا شوید

رهگیری پرتو لحظه ای (Real Time Ray Tracing) یا RTX براس توسعه در صنعت بازی اولین بار سال ۱۳۹۶ طی مراسم GDC معرفی شد. یعنی زمانی که تب و تاب کارت های گرافیک ولتا (Volta) گرم بود و همه منتظر خبرهایی از معماری گرافیکی بعدی انویدیا بودند، ناگهان فناوری Real Time Ray Tracing معرفی شد و قرار شد از آن روز به بعد یکی از ویژگی های GameWorks باشد. در آن زمان اعلام شد که این فناوری جدید با DXR که به DirectX مایکروسافت وابسته بود پشتیبانی میکند و هدفش رهگیری سیستم نور برای افزایش واقع گرایی در بازی ها است.

آن زمان؛ کارت های گرافیک ولتا (Volta) از RTX/DXR پشتیبانی میکردند. یعنی اولین پشتیبانی سخت افزاری از این فناوری از همان زمان شروع شد که تا به امروز با معماری گرافیکی Ampere و نسل دوم Real Time Ray Tracing در کارت های گرافیک انویدیا ادامه دارد.

رهگیری پرتو (Ray Tracing) چیست؟

به طور خلاصه، رهگیری نور (Ray Tracing) روشی برای تولید تصاویر آنالوگ به شکل عددی است که این کار با رهگیری پیکسل های موجود در تصاویر مسطح و شبیه سازی جلوه های محیطی آن به صورت مجازی انجام میشود. در واقع همان شبیه سازی مشاهده چشم انسان از محیط پیرامونی است. برای درک بهتر؛ در واقعیت نور از ذرات بسیار ریزی به اسم فوتون تشکیل شده و فوتون ها بعد از برخورد با اجسام محیطی، بازتاب یا دفع میشوند و در نتیجه فلورسنس (Fluorescence) یا همان تابندگی آن ها از محیط شکل اجسام را در مغز انسان ایجاد میکنند.

رهگیری پرتو (Ray Tracing)

این فرایند موجب میشود چشم انسان محیط پیرامونی خودش را آنگونه که مشاهده میکنید ببیند. انویدیا برای شبیه سازی این ویژگی از Real Time Ray Tracing استفاده کرده که البته پیاده سازی دقیق آن کمی غیر واقعی و بلند پروازانه است. برای همین مهندسین انویدیا آن را بر عکس کردند. یعنی تراشه گرافیکی میلیون ها فوتون فرضی را در یک صحنه در نظر میگیرد و سپس مشخصات اجسام درون محیط بازی با توجه به فوتون های فرضی موجود در محیط بازی انجام میشود.

یعنی فوتون های نوری موجود در محیط بازی یا همان Ray Tracing به عنوان منابع نور در بازی در نظر گرفته میشوند و جنس جسم، ابعاد و اندازه و در نهایت رنگ دقیق هر پیکسل بر روی صفحه را ترسیم میکنند. همانطور که متوجه شدید، این تکنیک نیازمند منابه پردازشی بسیار قدرتمندی است که در معماری گرافیکی AMD RDNA 2 و Ampere به اوج پختگی رسیدند و در هر دوی این معماری ها به صورت سخت افزاری منابعی برای پردازش و رندینگ این تکنیک در نظر گرفته شده است.

از Ray Tracing قبلاً در صنعت فیلم و انیمیشن استفاده میشد و اکثر سکانس ها و جلوه های ویژه فیلم هایی مثل جنگ‌ ستارگان (Star Wars) به کمک این فناوری خلق شده که زمان زیادی برای رندرینگ آن صرف میشد. تا زمان GDC سال ۱۳۹۶ خبری از Ray Tracing در صنعت بازی نبود و برای ایجاد تصاویر سه بعدی نزدیک به واقعیت از تکنیک شطرنجی سازی (Rasterizasion) استفاده میشد تا اینکه انویدیا با معرفی RTX تحول عظیمی در دنیای بازی ایجاد کرد.

رندر تصویر به کمک رهگیری پرتو (Ray Tracing)

از همان روزهای اول معرفی این تکنیک،  Unreal Engine و Frostbite، اولین موتورهای گرافیکی بودند که از این تکنیک برای ساخت تصاویر سه بعدی استفاده کردند و شاید اکثر شماها در منوی تنظیمات گرافیکی بازی با عباراتی مثل سایه های محلی (Area Shadows)، اجسام براق (Glossy Reflections) و نور پردازی محیطی (Ambient Occlusion) مواجه شده باشید که برای نماشی بهتر از Ray Tracing استفاده میکنند.

با  معرفی این تکنیک، AMD هم آستین ها را بالا زد و با دموی تکنیکی HairWorks خودی نشان داد. تکنیکی که در کنار TurfWorks در بازی Final Fantasy برای ایجاد علف و بوته در پشت موجودات پشمالوی بازی استفاده شدند که البته استفاده از آن در آن زمان روی کارت های AMD موجب افت عملکرد میشد. علت آن هم چیزی نبود جز بهینه نبودن معماری گرافیکی AMD برای پشتیبانی از این فناوری. چیزی که در معماری AMD RDNA 2 بر عکس شده! حالا که این مقدمه را خواندید، بگذارید کمی دقیق تر شویم و با جزئیات بیشتری بررسی کنیم.

RT Cores: در معماری گرافیکی تورینگ (Turing) از هسته های RT که در بلوک های جدیدی معرفی شدند برای محاسبه حرکات نور در فضای سه بعدی و ترسیم اجسام استفاده شده است. یعنی دو هسته قدرتمند پردازشی جدید را فقط برای پردازش محاسبات نور و ترسیم اشکال سه بعدی استفاده کردند.

محاسبات برداری روش برخورد نور در رهگیری پرتو (Ray Tracing)

Tensor Cores: هسته تنسور یا همان هوش مصنوعی نیز برای شتاب دهی و یادگیری عمیق (Deep Learning) در یک شبکه عصبی با سیستم الگوریتم پیش بینی کننده مجهز شدند تا بتواند در بهبود فرآیند پردازشی مکمل هسته های RT باشد. مثلاً اگر برای ساخت تصاویر سه بعدی از تکنیک هایی مثل Denoising و Resolution Scaling (مقیاس پذیری تصویر) استفاده بشود، با توجه به شبکه عصبی و محاسباتی که دارد، میتواند منجر به افزایش راندمان کار تراشه گرافیکی شود.

شطرنجی سازی (Rasterization): از این تکنیک برای تبدیل داده های برداری به شطرنجی و سه بعدی استفاده میشود تا بتواند پیکسل های مختلف را با تعیین اندازه، رنگ و .. ایجاد کند. در گذشته برای ترسیم تصاویر سه بعدی از این روش کم هزینه استفاده میشد، اما مهندسین انویدیا سراغ روش جدید Ray Tracing رفتند که مزیت های مختلفی دارد و البته گران قیمت تر است. تصویر زیر نمای کلی شطرنجی سازی را نمایش میدهد.

همانطور که میبنید، برای ترسیم تصویر سه بعدی، ابتدا باید ابعاد پیکسل و تصویر مورد نظر سنجیده شود و سپس همه پیکسل های بدست آمده در فضای چند ظلعی دو بعدی مورد آزمایش قرار میگیرند تا تصویر تشکل شود. تصویر سمت راست هم نحوه تشکیل پیکسل های سه بعدی با روش رهگیری پرتو (Ray Tracing) را نمایش میدهد که پردازش پیچیده تری دارد و میتواند انکسار نور، بازتاب ها و مقدار پراکندگی نور را به خوبی شبیه سازی کند.

مهمترین نقطه ضعف شطرنجی سازی (Rasterization) اینجاست که نمیتوانند رهگیری پرتو انجام دهد. یعنی با شبیه سازی سطوح آیینه مانند مثل فلزات، مایعات و … مشکل دارد. در حالی که Ray Tracing با جزئیات دقیقی میتواند این موارد را شبیه سازی کند. Ray Tracing خیلی جدید نیست و مثل شطرنجی سازی از زمان های دوری بوده، اما بیش از آنکه در صنعت بازی سازی از آن استفاده شود، در صنعت فیلم و انیمیشن استفاده میشد و شاید علت واقعی بودن جلوه های ویژه فیلم هایی مثل جنگ ستارگان همین باشد.

فناوری DLSS: تکنیک Super Sampling یکی از زیر مجموعه های معروف Anti-Aliasing برای کاهش سطوح ناهموار و از بین بردن لبه های تیز اشیا و تصاویر سه بعدی درون بازی است که روشن بودنش میتوانست فشار سنگینی روی سخت افزار وارد کند. حالا انویدیا در نسل معماری گرافیکی تورینگ و Ampere تلاش کرده به کمک هسته های هوش مصنوعی جدید به اسم تنسور (Tensor) پیاده سازیِ Super Sampling را به روش دیگری انجام دهد.

روش جدید انویدیا DLSS است که با کمک یک شبکه عصبی و یادگیری عمیق (Deep Learning) روی هسته های RTX اجرا میشود و میتواند جوله هیا بصری دقیق و با کیفت بالایی خلق کند. این روش قدیمی است و در گذشته با تریلر تکنیکی Infiltrator و موتور گرافیکی Unreal Engine 4 شرکت اپیک گیمز (سازنده سری بازی های Gears Of War) در گیمزکام ۲۰۱۸ رونمایی شده بود. دموی مذکور با ۳۱ فریم روی GTX 1080 Ti اجرا شد و حالا همان دمو با ۷۱ فریم روی RTX 2080 Ti به خوبی اجرا شده که نشان از موفقیت روش DLSS به نسبت Super Sampling دارد.

.
این رقم نشان میدهد کارت گرافیکی مثل RTX 2080 Ti به کمک DLSS میتواند بیش از ۲۰۰ درصد سریعتر از کارت های نسل قبل در روش Super Sampling تصاویر و جلوه های گرافیکی را پردازش کند و این تفاوت به خاطر استفاده مستقیم تریلر تکنیکی Infiltrator از منابع موجود در بلوک تنسور (Tensor) در معماری گرافیکی انویدیا است. بنابراین همه کارت های گرافیک انویدیا که از تنسور (Tensor) پشتیبانی میکنند، میتوانند روش DLSS را اجرا کنند.

تفاوت کارت های گرافیک RTX انویدیا با GTX در Ray Tracing

معماری گرافیکی تورینگ (Turing) انویدیا که نامش را از روی اسم آلن تورینگ، ریاضی ‌دان، دانشمند رایانه و رمزنگار برداشته، در دو مدل RTX و GTX استفاده شده که البته هر کدام به دیگری متفاوت است. هسته های کودا توانایی اجرای Ray Tracing به صورت سخت افزاری را نداشتند و به همین علت، مهندسین انویدیا از معماری های گرافیکی بعدی خودش که در جدیدترین کارت های گرافیک استفاده میشد، دو هسته جدید به نام RT را معرفی کرد که مخفف Ray Tracing بود این هسته ها در کنار هسته های هوش مصنوعی تنسور (Tensor) برای پشیبانی از Ray Tracing توسعه پیدا کردند.

البته این نام در کارت های گرافیک سال ۲۰۲۰ انویدیا کمی عریض تر شده و حالا Real Time Ray Tracing یا رهگیری پرتو لحظه ای نامیده میشود و همه کارت هایی که از این فناوری پشتیبانی میکنند دارای پیشوند RTX هستند و با سری RTX 20 شناخته میشوند. در اینجا حرف «R» نماد Ray Tracing است. بنابراین همه کارت های گرافیک RTX انویدیا به هسته های RT و تنسور (Tensor) مجهز شدند، قیمت بیشتری دارند و دارای مدل های مختلف هستند.

معماری گرافیکی تورینگ (Turing) انویدیا

کارت گرافیک RTX 2060 ضعیف ترین نمونه این خانواده است و بدون Real Time Ray Tracing برای پر کردن فضای خالی بین GTX 1070 TI و GTX 1080 مناسب است. کارت گرافیک RTX 2070، عضو میان رده خانواده انویدیا در پشتیبانی از RTX که با خاموش کردن این فناوری برای پر کردن فضای خالی بین GTX 1080 و GTX 1080 TI مناسب است و در نهایت آخرین پرچمدار انویدیا یعنی RTX 2080 TI به عنوان کارت گرافیک رده بالای این شرکت معرفی شده که از همه قویتر است.

مدل دوم کارت های سری GTX 16XX است. از نظر معماری با RTX ها یکی هستند، اما در پشتیبانی از Ray Tracing با آنها فرق دارند. یعنی فناوری Ray Tracing در این مدل ها خاموش هستند و به همین دلیل قیمت کمتری دارند. دقت کنید استفاده از Ray Tracing نیازمند پیش زمینه هایی است که باید داشته باشید و اگر هیچکدام از آن ها را ندارید، لزومی ندارد برای استفاده از این فناوری متحمل هزینه گزافی شوید. خصوصاً در کشورمان که خرید سیستم جدید معادل خرید یک اتومبیل شده!

در این سری، میتوانیم به کارت های گرافیک GTX 1650، GTX1650TI، GTX 1660 و GTX 1660TI اشاره کنیم که جانشین کارت های گرافیک GTX 1050، GTX 1050TI، GTX 1060 و GTX 1070 شدند. تفاوت آنها در بهبود کلاک و قدرت پردازشی است و در حالت کلی‌تر، کارت های گرافیک سری RTX 20 قویتر از کارت های سری GTX 16XX انویدیا محسوب میشوند. البته در یکی دو مدل از GTX 10XX ضعیف تر هستند.

تا چهار برابر افزایش کارایی در کارت های سری GTX 16XX

روش محاسبه پرتو نور در کارت های انویدیا با واحد جدید Giga rays بیان میشود. مثلاً توان پردازشی در کارت گرافیک RTX 2080 Ti مقدار ۱۱۰ ترافلاپس موثر اعلام شده، یعنی ۱۰ ترافلاپس به ازای هر Giga Ray محاسبه شده که این مقدار ۱۰ برابر بیشتر از قدرت پردازشی کارت گرافیک پرچمدار GTX 1080 Ti است. به صورت کلی؛ انویدیا همه توان پردازشی مربوط به واحدهای RTX را با RTX-OPS نشان میدهد که در این حالت پرچمدار RTX 2080 Ti میتواند ۱۰ میلیارد پرتو را در هر ثانیه رندر کند.

رهگیری پرتو (Ray Tracing) برای بازی مناسب است؟

به گفته مدیرعامل انویدیا، استفاده از فناوری رهگیری پرتو (Ray Tracing) در کارت های گرافیک هزینه بالاتری به بازیباز تحمیل میکند. هر چند یک گام رو به جلو به سمت واقع گرایی بیشتر میشود، اما هزینه زیادی روی دست کاربران مختلف میگذارد. انویدیا مدعی است هسته های Ray Tracing حدوداً ۶ برابر سریعتر از هسته های معماری پاسکال عملم میکنند و تمام توسعه دهندگان میتوانند از این هسته های برای تحقیقات علمی، فیلم، انیمیشن و شبیه سازی استفاده کنند.

به لطف حضور کنسول های نسل جدید PS5 و XBOX X شاهد جهش بزرگی در استفاده از فناوری Ray Tracing هستیم و شاید جالب باشد بدانید که AMD با معماری گرافیکی RDNA2 خودش جهش بزرگی در استفاده از این فناوری دارد که در مطلب کامل کارت گرافیک AMD Radeon RX 6800 به آن اشاره کردیم. در واقع AMD روی کارت های خودش اولین بار است به صورت سخت افزاری از این فناوری استفاده میکند، در حالی که انویدیا وارد نسل دوم پشتیبانی سخت افزاری این فناوری شده است.

AMD با معماری گرافیکی RDNA2 خودش جهش بزرگی در استفاده از این فناوری دارد

شماتیک Infinity Cache در معماری جدید RDNA2 شرکت AMD

در واقع  انتظار من از کارت های سری RT انویدیا عملکردی مشابه کارت های مبتنی بر معماری گرافیکی پاسکال (Pascal) انویدیا است. جایی که عملکرد Ray tracing مشایه سایه پردازی بود. اما شاید باورش سخت باشد، AMD یادگرفته معماری گرافیکی بهینه ای طراحی کند و حالا RX 680 آنقدر خوش درخشیده که به جرات میگویم در Ray tracing بهتر از انویدیا و  کارت گرافیک RTX 2080  است.

جف اندروز (Jeff Andrews) یکی از مهندسین مایکروسافت است که در مورد انقلاب Ray tracing در کنسول های بازی توضیحات مفصلی داده و گفته که کنسول Xbox Series X از نظر قدرت پردازشی میتوانید ۳۸۰ واحد Giga ray box (نامی که مایکروسافت برای واحد پردازشی پرتوهای خودش انتخاب کرده) و ۹۵ واحد Giga Ray-triangle بر ثانیه توان پرزداشی دارد. یعنی وقتی Ray tracing فعال باشد، این کنسول توان پردازشی معادل ۳ تا ۱۰ برابر بیشتر از حالت عادی دارد که البته این صحبت کمی متناقص است.

.

به گفته جف اندروز، کنسول مایکروسافت میتواند به کمک VRS یا Variable Rate Shading و سیستم هوش مصنوعی یادگیری ماشینی (Machine Learning) هوش مصنوعی و رزولوشن بالاتری را به منظور بهبود عملکرد کلی کنسول ارائه کند و در پردازش جلوه های ویژه مربوط به بازی های مختلف هم موفق باشد. اما نکته جالب توجه اینجاست که سخت افزار هر دو کنسول PS5 و Xbox Series X توسط AMD بر پایه معماری گرافیکی RDNA2 توسعه پیدا کرده و این یعنی AMD یک قدم از انویدیا جلوتر است.

.

به صورت کلی باید بگوییم که Ray Tracing یکی از بهترین فناوری های فعلی برای ساخت تصاویر سه بعدی نزدیک به واقعیت است و خوشبختانه در برهه‌ای از زمان هستیم که به لطف کنسول های PS5 و Xbox Series X و همینطور معمارهای گرافیکی جدیدی انویدیا و AMD در حال پیش روی به سمت تکامل این فناوری هستیم. این معنای اهمیت بالای Ray Tracing است و آینده صنعت بازی را Ray Tracing شکل میدهد و در حال حاضر در کارت های قدیمی به صورت نرم افزاری و در کارت های جدید و کنسول های PS5 و Xbox Series X به صورت سخت افزاری پشتیبانی میشود.

خروج از نسخه موبایل