Ray Tracing چیست و چگونه کار می کند ؟

رهگیری پرتوهای نور یا همان Ray Tracing قابلیتی است که از زمان ورود خود توانسته تجربه بازی را برای گیمرها افزایش دهد. از همین رو تبدیل شد به یکی از پر استفاده‌ترین قابلیت‌هایی که حتی روی کارت گرافیک‌های میان رده نیز دیده می‌شود. اگر دقت کرده باشید، بازی‌های جدید نورپردازی بسیار پیشرفته‌تر و خیره‌کننده‌تری دارند و این به‌لطف فناوری بوده که از سال 2018 در پردازنده‌های گرافیکی قرار گرفته است.

لیست قیمت انواع کارت گرافیک

اگرچه RayTracing قابلیتی است که به‌صورت عموم روی کامپیوترهای گیمینگ دیده می‌شود، اما به تازگی این فناوری راه خود را به کنسول‌های بازی نسل نهمی مانند ایکس باکس سری ایکس و پلی استیشن 5 پیدا کرده است. با این حال شاید برایتان سوال پیش بیاید که Ray Tracing چیست؟ یا قابلیت رهگیری پرتوهای نور چگونه کار می‌کند؟ در این مطلب به‌طور کامل و تخصصی قابلیت ری تریسینگ را به زبان ساده بازگو خواهیم کرد تا با جدیدترین فناوری دنیا گیم بیشتر آشنا شوید.

ری تریسینگ (Ray Tracing) چیست؟

ردیابی پرتو نور در واقع تکنیکی موثر برای روشن کردن صحنه‌های به نمایش آمده روی کامپیوتر است. البته توجه داشته باشید که این قابلیت، جدید نیست، اما با توجه به حجم بازار هدف و نیاز به قطعات سخت افزاری که توانایی این محاسبات را داشته باشند، دیرتر در دسترس کاربران قرار گرفت.

تکنیک Ray Tracing را می‌توان اینگونه بیان کرد که به‌جای اینکه وارد اتاق تاریکی بشوید و از چراغ قوه استفاده کنید، یک پرتوی نور به شی خاصی پرتاب و نحوه بازتاب آن از سطح تابیده شده را دنبال می‌کنید. اکنون به‌جای استفاده از یک پرتوی نور از چندین پرتوی نوری استفاده کنید که سطح تابیده شده باز می‌گردد تا مفهوم آنچه باید ببینید را تشکیل دهد. همچنین پرتوهای نوری که نتوانستند به منبع اولیه برگردند، توسط شی خاصی مسدود شده‌اند که باعث تشکیل مفهوم سایه می‌شود. برای درک بهتر این مسئله می‌توانید نحوه کار رادار را در نظر بگیرید.

به بیانی دیگر Ray Tracing همان نورپردازی دنیای واقعی است؛ نور به چشم‌ها وارد می‌شود و سپس مغز با انجام پردازش‌های عصبی، موردی را که باید ببینید به تصویر می‌کشد. گفتنی است که شرکت‌های انیمیشن سازی سال‌ها از تکنیک رهگیری پرتوهای نوری استفاده می‌کرند؛ برای مثال انیمیشن محبوب داستان اسباب بازی‌ (Toy Story) که در سال 1995 تولید و اکران شد، نمونه موفقی از این فناوری محسوب می‌شود که باعث انقلاب در زمینه CGI و جلوه‌های ویژه شد.

با اینکه Ray Tracing در صنعت فیلمسازی بسیار مورد استفاده قرار می‌گرفت، اما بازی‌های ویدیویی و شرکت‌های بازیساز از تکنیک دیگری برای نورپردازی استفاده می‌کردند؛ تکنیک شطرنجی‌سازی یا Rasterization. ابتدا قبل از اینکه دلایل این انتخاب را بررسی کنیم به مقایسه Ray Tracing و Rasterization می‌پردازیم.

مقایسه ردیابی پرتوی نور با شطرنجی‌سازی

حالت Rasterization رویکردی مبتنی بر شی برای تولید صحنه است. در این حالت ابتدا هر شی یا Object با استفاده از رنگ‌ها، رنگ آمیزی شده و سپس با استفاده از منطق، شی پیکسل‌ها به نزدیک‌ترین مورد برای ذهن انسان تبدیل می‌شود. در طرف دیگر ری تریسینگ، ابتدا شاهد رنگ‌آمیزی پیکسل‌ها هستیم و سپس آن‌ها را به عنوان اشیا نمایش می‌دهد.

به بیانی ساده‌تر قابلیت شطرنجی‌سازی به تکنیک‌ها و تغییرات خاصی برای ایجاد تصاویر واقعی نیاز دارد؛ برای مثال لوله‌ای را در نظر بگیرید که برای رندر گرفتن به افکت و الگوهای خاصی نیاز دارد تا این شی را به‌جود بیاورد. با وجود اینکه استفاده از این تکنیک، منابع و زمان زیادی را مصرف می‌کند، اما مزایای خود را دارد؛ زیرا اکثر کامپیوترهای میان‌رده توانایی رندر گرفتن از صحنه‌های شلوغ را بدون استفاده از قدرت پردازشی زیاد دارند.

رهگیری پرتو برای خروجی تصاویر، راهکاری متفاوت‌تری دارد؛ زیرا مبتنی بر پرتاب‌های نور است. در نتیجه تکنیک‌های دستیابی به نتایج بصری و پرتوهای نوری به نحوه استفاده از فوتون‌ها بستگی دارد. برای مثال برای ایجاد سایه‌ها و بازتاب نیاز به تابش بیشتر پرتوهای نوری وجود دارد و در حالی که برای ایجاد Motion Blur باید از تغییر زمان‌بندی یا نقطه مبدا پرتاب نور استفاده کرد. در کل چه از rasterization و چه از Ray Tracing استفاده کنید، هر دو می‌توانند خروجی تقریبا یکسانی را به شما ارائه دهند. اما چرا باید یکی از دو تکنیک را به دیگری ترجیح دهیم؟

دسترسی راحت‌تر کاربران به Ray Tracing

طی دهه‌های گذشته قابلیت شطرنجی‌سازی (Rasterization) توانست به یکی از ارکان بازیسازی تبدیل شود؛ زیرا سخت افزار مورد نیاز برای رندر گرفتن چنین بافت‌هایی در دسترس عموم قرار داشت و با قیمت بسیار مناسبی کاربران می‌توانستند خریداری کنند. این در حالی است که امروزه نیز کارت گرافیک‌های گیمینگ برای شطرنجی‌سازی بهینه می‌شوند و احتمال دارد که این روند در سال‌های آتی نیز ادامه پیدا کند.

اولین حضور قابلیت Ray Tracing به سال 2018 باز می‌گردد، زمانی که انویدیا کارت گرافیک‌های سری RTX خود را معرفی کرد که قوی‌ترین مدل آن Nvidia GeForce RTX 2080 بود و بعد از آن نسل دوم پردازنده‌های گرافیکی سری RTX را با عدد 3000 نام‌گذاری کرد که قوی‌ترین مدل موجود در آن سری RTX 3080 نام داشت. در این بین تنها رقیب این شرکت یعنی AMD نیز از پردازنده‌های گرافیکی سری Radeon RX 6000 رونمایی کرد و در نهایت در سال ۲۰۲۳، جدیدترین پردازنده‌های این دو شرکت سری RTX $000 برای انویدیا و RX 7000 برای AMD به بازار عرضه شدند که شما می‌توانید برای خرید کارت گرافیک با بهترین قیمت بازار به فروشگاه اینترنتی کالاتیک مراجعه کنید.

در کل، مدت زمان زیادی به‌طول انجامید تا ردیابی پرتو نور به دست مصرف‌کنندگان برسد؛ زیرا سخت افزاری که توانایی انجام چنین پردازش‌های نوری را داشته باشد، در دسترس نبود یا از قیمت بسیار بالایی برخوردار بودند؛ در واقع اولین کارت‌های گرافیکی از قابلیت Ray Tracing پشتیبانی می‌کردند،

مدل‌های گران قیمتی مانند RTX 2080 قرار گرفتند و سپس بعد از گذشت مدتی این قابلیت برای پردازنده‌های گرافیکی میان رده مانند RTX 2060 فعال شد. اما کارت گرافیک‌های قیمت مناسب یا Entry Level برای دسترسی به رهگیری گیری پرتوهای نور باید تا سال 2022 و عرضه کارت‌های RTX 3050 انویدیا و Radeon RX 6500 XT منتظر می‌ماندند. به‌طور خلاصه، در حالی که اکثر کارت‌های گرافیک برای rasterization بهینه و ساخته می‌شوند، اما اکثر این پردازنده‌ها از Ray Tracing نیز پشتیبانی می‌کنند تا تمامی کاربران بتوانند از جدیدترین تکنیک زیبایی بصری لذت ببرند.

بهبود کیفیت بصری با استفاده از رهگیری پرتو

در ابتدا باید توجه داشته باشید که قابلیت رهگیری پرتو در مراحل ابتدایی خود برای کارت‌های گرافیک گیمینگ قرار دارد؛ دلیل اصلی این موضوع، ضعف سخت افزاری است و در حال حاضر حتی قوی‌ترین کامپیوترهای گیمینگ توانایی رندر گرفتن کامل صحنه‌ها با استفاده از Ray Tracing را ندارند. بازی‌هایی که از رهگیری پرتوهای نوری پشتیبانی می‌کنند، فقط در بخش‌های خاصی مانند بازسازی برخی از افکت‌ها مانند سایه‌ها و نورها کاربرد دارند و باقی بخش‌ها، بر اساس شطرنجی‌سازی به‌وجدو آمده است.

پردازنده‌های گرافیکی فعلی انویدیا از رندرگیری اختصاصی خود استفاده می‌کند که به عنوان RTX شناخته می‌شود؛ در واقع این پیاده‌سازی با استفاده از DirectX 12 در ویندوز 11 صورت می‌گیرد و به آن DirectX Ray Tracing می‌گویند که اختصارا با DXR نیز شناخته می‌شود. قابلیت DXR اجازه می‌دهد که مسیرهای نوری با استفاده از موتورهای نوری رندر گرفته شوند.

البته توجه داشته باشید که Ray Tracing یک API است که فقط کارت های گرافیک انویدیا می‌توانند از آن بهره ببرند؛ برای مثال توسعه دهندگان بازی Crysis دموی کوتاهی از موتور گرافیکی اختصاصی به نام Crytek به نمایش گذاشتند که می‌توانست روی سری کارت گرافیک Radeon RX 5000 رهگیری پرتوی نور انجام دهد؛ در واقع این پردازنده گرافیکی فاقد هسته‌های RT بود که زمان زیادی را برای رندر گرفتن فوتون‌ها صرف می‌کرد.

هسته‌های RT چیپ‌هایی هستند که توانایی انجام محاسبات سنگین پرتوهای نور را دارند و این هسته‌ها به کارت‌های گرافیک کمک می‌کنند تا کدهای DXR را سریع‌تر ترجمه و پردازش کنند. البته باید توجه داشت که DXR برای اجرا شدن به هسته‌های RT نیاز ندارد. در ادامه عکس‌هایی را قرار می‌دهیم که می‌توانید با استفاده از آن‌ها تفاوت استفاده یا عدم استفاده از رهگیری پرتو را ببینید.

همانطور که مشاهده کردید، سایه‌هایی که با استفاده از قابلیت Ray Tracing به‌جود آمده‌اند، جلوه بسیار واقعی‌تر و نرم‌تری را دارند و حس طبیعی بودن را القا می‌کنند. در حالت معمولی (شطرنجی) می‌توان مشاهده کرد که لبه سایه‌ها کمی تیز به‌نظر می‌رسند، با این حال در این حالت نیز بازی از کیفیت مناسب و قابل قبولی برخوردار است؛ اما وقتی از Ray Tracing استفاده می‌کنید، بازگشت به قبل کمی سخت می‌شود. پشتیبانی از ری تریسینگ با توجه به بازی‌ها می‌تواند متفاوت باشد؛ اما در حالت کلی DXR روی پردازنده‌های گرافیکی Nvidia، اینتل و AMD بدون مشکل اجرا می‌شود و نحوه عملکرد آن‌ها را توسعه دهنده‌های بازی مشخص می‌کنند.

تاثیر رهگیری پرتوهای نور در عملکرد و نحوه اجرای بازی‌ها

همانطور که می‌دانید هزینه رابطه مستقیمی با عملکرد و کیفیت دارد و این مسئله برای کارت‌های گرافیک نیز صدق می‌کند. هر چه پردازنده گرافیکی قوی‌تری داشته باشید، از آن طرف می‌توانید بازی‌ها را با گرافیک بالاتری اجرا کنید. فناوری رهگیری پرتوهای نور در هر بازی به یک شکل اجرا می‌شود. فناوری جدید انویدیا مانند DLSS یا FidelityFX Super Resolution شرکت AMD برای رفع افت عملکرد ناشی از Ray Tracing در اختیار پلیرها قرار گرفته است که با کمک از هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی به‌وجود آمده‌اند.

بازی Metro Exodus با رزولوشن 3440 در 1440 و تنظیمات Extreme به‌طور میانگین می‌تواند 41 فریم بر ثانیه رو کارت گرافیک RTX 2080 Ti h اجرا شود. با فعال کردن RT تنظیمات روی Ultra قرار می‌گیرد، اما نرخ فریم تا 23FPS کاهش پیدا می‌کند. با اینکه بازی همچنان قابل اجرا است، با این حال افت فریم بسیاری را شاهد هستیم. برای رفع این مشکل قابلیت DLSS را فعال کردیم و توانستیم به نرخ 44 فریم بر ثانیه دست پیدا کنیم. به بیانی دیگر، اگر دنبال اجرا کردن بازی‌های گرافیکی با وضوح بالا هستید، باید به سراغ پردازنده‌های قدرتمند بروید؛ زیرا با فعال کردن حالت رهگیری پرتو، توان زیادی از دستگاه صرف بازسازی نورپردازی محیط بازی می‌شود که نتیجه آن افت فریم است.

فهرست کارت‌های گرافیکی که از Ray Tracing پشتیبانی می‌کنند

در سال 2019 فقط کارت های گرافیک Nvidia از قابلیت ری تریسینگ پشتیبانی می‌کردند و بعد از گذشت مدتی AMD نیز توانست این قابلیت را برای پردازنده‌های خود قرار دهد. در حال حاضر ارزان‌ترین کارت گرافیکی که از قابلیت RT پشتیبانی می‌کند Nvidia GeForce RTX 2060 است که در ادامه فهرست کاملی از کارت های گرافیکی که از Ray-Tracing پشتیبانی می‌کنند، پیش رویتان قرار می‌گیرد.

• Nvidia GeForce RTX 2060 6GB GDDR6 
• Nvidia GeForce RTX 2060 Super 8GB GDDR6 
• Nvidia GeForce RTX 2070 8 GB GDDR6 
• Nvidia GeForce RTX 2070 Super 8GB GDDR6
• Nvidia GeForce RTX 2080 8GB GDDR6  
• Nvidia GeForce RTX 2080 Super 8GB GDDR6 
• Nvidia GeForce RTX 2080 Ti 11GB GDDR6 
• Nvidia Titan RTX 24GB GDDR6 
• NVIDIA GeForce RTX 3050 8GB GDDR6
• NVIDIA GeForce RTX 3050 Ti 8GB GDDR6
• NVIDIA GeForce RTX 3060 12GB GDDR6
• NVIDIA GeForce RTX 3060 Ti 8GB GDDR6
• NVIDIA GeForce RTX 3070 8GB GDDR6
• NVIDIA GeForce RTX 3070 Ti 8GB GDDR6X
• NVIDIA GeForce RTX 3080 10/8GB GDDR6X
• NVIDIA GeForce RTX 3080 Ti 12GB GDDR6X
• NVIDIA GeForce RTX 3090 24GB GDDR6X
• NVIDIA GeForce RTX 3090 Ti 24GB GDDR6X
• NVIDIA GeForce RTX 4060 8GB GDDR6
• NVIDIA GeForce RTX 4060 Ti 8/16GB GDDR6
• NVIDIA GeForce RTX 4070 12GB GDDR6X
• NVIDIA GeForce RTX 4070 Ti 12GB GDDR6X
• NVIDIA GeForce RTX 4080 16GB GDDR6X
• NVIDIA GeForce RTX 4090 24GB GDDR6X
• AMD Radeon RX 6600 XT
• AMD Radeon RX 6700 XT
• AMD Radeon RX 6800
• AMD Radeon RX 6800 XT
• AMD Radeon RX 6900 XT

چه بازی هایی از Ray Tracing پشتیبانی می‌کنند؟

آرشیو بازی‌هایی که رهگیری پرتوهای نوری پشتیبانی می‌کنند در حال افزایش است و می‌توان گفت اکثر بازی‌های مدرن و جدید از این قابلیت استفاده می‌کنند و می‌توان از طریق تنظیمات، آن را فعال کرد. در ادامه فهرستی از بازی هایی از Ray Tracing پشتیبانی می‌کنند، آمده است.

• A Plague Tale: Requiem
• Amid Evil 
• Arcadegeddon
• Aron’s Adventure
• Batora: Lost Haven
• Battlefield 2042
• Battlefield V
• Blind Fate: Edo no Yami
• Brickadia
• Bright Memory
• Bright Memory: Infinite
• Call of Duty: Black Ops Cold War
• Call of Duty: Modern Warfare
• Call of the Sea
• Chernobylite
• Chorus
• Control
• Conway: Disappearance at Dahlia View
• Crysis Remastered
• Crysis 2 Remastered
• Crysis 3 Remastered
• Cyberpunk 2077
• Deathloop
• Dead Space (2023)
• Deliver Us to the Moon
• Dirt 5
• Dolmen
• Doom Eternal
• Dying Light 2 Stay Human
• Elden Ring
• Escape from Naraka
• Exit From
• Everspace 2
• F.I.S.T.: Forged in Shadow Torch
• F1 2021
• F1 22
• Far Cry 6
• Five Nights at Freddy’s: Security Breach
• Fobia — St. Dinfna Hotel
• Forspoken
• Fortnite
• Forza Horizon 5
• Forza Motorsport
• Fritz Chess 18
• Gears 5
• Ghostrunner
• Ghostwire: Tokyo
• Godfall
• Gotham Knights
• Gungrave G.O.R.E
• Grid Legends
• Gripper
• Halo Infinite
• Helios
• Hell Pie
• Hellblade: Senua’s Sacrifice
• Hello Neighbor 2 
• Hitman 3
• Hitman: World of Assassination
• Hood: Outlaws & Legends
• House of Ashes
• Icarus
• In The Black
• Industria
• Jurassic World Evolution 2
• Justice Online
• JX3 Online
• Layers of Fear (2023)
• Lego Builder’s Journey
• Lies of P
• Life is Strange: True Colors
• Little Nightmares II
• Loopmancer
• Maneater
• Martha is Dead
• Marvel’s Guardians of the Galaxy
• Marvel’s Midnight Suns
• Marvel’s Spider-Man Remastered
• Marvel’s Spider-Man: Miles Morales
• MechWarrior 5: Mercenaries
• Metro Exodus
• Metro Exodus Enhanced Edition (always on)
• Minecraft: Bedrock Edition
• Moonlight Blade
• Mortal Online 2
• Mortal Shell
• Myst (2021)
• Myth of Empires
• Observer: System Redux
• Paradise Killer
• Poker Club
• Portal RTX
• Pumpkin Jack
• Quake II RTX
• Q.U.B.E. 10th Anniversary
• Raji: An Ancient Epic
• Redout: Space Assault
• Resident Evil 2
• Resident Evil 3
• Resident Evil 4 
• Resident Evil 7: Biohazard
• Resident Evil Village
• Returnal
• Ride 4
• Ring of Elysium
• Rune II
• Sackboy: A Big Adventure
• Saints Row
• Severed Steel
• Shadow of the Tomb Raider
• Sniper Elite 5
• Sonic Robo Blast 2
• Stalker 2: Heart of Chornobyl
• Star Wars Jedi: Survivor
• Stay in the Light
• Steelrising
• Stray
• Sword and Fairy 7
• Synced
• Teardown (always on)
• The Ascent
• The Callisto Protocol
• The Devil in Me
• The DioField Chronicle
• The Fabled Woods
• The Idolmaster: Starlit Season
• The King of Fighters XV
• The Lord of the Rings: Gollum
• The Medium
• The Moonlight Blade
• The Persistence
• The Riftbreaker
• The Witcher 3: Wild Hunt
• Titan Station
• To Hell With It
• Tower of Fantasy
• Trail Out
• Turbo Sloths
• Warhammer 40,000: Darktide
• War Thunder
• Watch Dogs: Legion
• Wolfenstein: Youngblood
• World of Warcraft
• Wrench
• Xuan-Yuan Sword VII
• Atomic Heart
• Avatar: Frontiers of Pandora
• Black Myth: Wukong
• On Air
• Skull and Bones
• The Day Before
• Vampire: The Masquerade – Bloodlines 2
• Ash Echoes
• Dying: 1983
• Half-Life 2 RTX
• Honor of Kings: World
• Legend of Ymir
• Ratten Reich
• The Finals
• Voidtrain
• Alan Wake 2
• Amid Evil
• Call of Duty: Modern Warfare (2019)
• Crysis Remastered Trilogy
• Deliver Us The Moon
• Desordre: A Puzzle Game Adventure
• Dying Light 2
• FIST: Forged In Shadow Torch
• Five Nights At Freddy's: Security Breach
• Ghostrunner 2
• Hello Neighbor 2
• Justice
• JX Online 3
• Lego: Builder's Journey
• Marvel's Midnight Suns
• Marvel's Spider-Man Remastered
• Marvel's Spider-Man: Miles Morales
• Mechwarrior V: Mercenaries
• Metro Exodus / Metro Exodus Enhanced Edition
• Minecraft (Bedrock Edition)
• Myst
• Portal with RTX
• Ratchet & Clank: Rift Apart
• Resident Evil 4
• Resident Evil 7
• The Witcher III: Wild Hunt - Game of the Year Edition
• Watch Dogs Legion
• World Of Warcraft: Shadowlands

سخن آخر
با توجه به گسترش و افزایش دسترسی کاربران به فناوری رهگیری پرتوهای نور و بازی‌ها مدرنی که روز‌به‌روز به فهرست پشتیبانی از این فناوری اضافه می‌شوند، می‌توان به این نتیجه رسید که Ray Tracing یا همان رهگیری پرتو های نور برای مدت طولانی به گیمرها و بازیسازان کمک خواهد کرد. با این حال چیپ‌های گرافیکی داخلی که در کامپیوترهای اداری و لپ تاپ‌های مقرون‌به‌صرفه وجود دارد از این فناوری پشتیبانی نمی‌کنند. از همین رو اگر دنبال بهترین تجربه بصری از بازی‌های خود هستید، پیشنهاد می‌کنیم از کارت‌های گرافیک جدید استفاده کنید.

پرسش‌های متداول

ری تریسینگ چیست؟

ردیابی پرتو یک تکنیک از رندر است که می‌تواند جلوه‌های نورپردازی بسیار واقعی را ایجاد کند. این فناوری با استفاده از یک الگوریتم، مسیر نور ردیابی کرده و سپس نحوه تعامل نور با اشیاء مجازی داخل دنیای کامپیوتری را شبیه‌سازی می‌کند.

آیا کارت های گرافیک سری GeForce GTX از قابلیت رهگیری پرتوهای نور پشتیبانی می‌کند؟

خیر. پایه‌ترین پردازنده‌های گرافیکی انویدیا که از قابلیت Ray Tracing پشتیبانی می‌کند، سری RTX 2000 است.