Эволюция NVIDIA RTX и стремление к красивым пикселям

С целью повышения качества изображения и частоты кадров в играх компания NVIDIA выпустила первую серию видеокарт RTX в 2018 году. Пять лет спустя молодая концепция NVIDIA теперь воплощает в себе привлекательность для массового рынка. Хотите верьте, хотите нет, но игровая экосистема RTX насчитывает 500 игр. По сей день, несмотря на множество последующих итераций и улучшений, гибридная трассировка лучей и DLSS остаются двумя основными направлениями, заложенными в каждую карту RTX.

Путешествие в прошлое поучительно, поскольку оно описывает долгий и извилистый путь GeForce RTX от зарождающегося видения до миллионов карт в руках геймеров. 20 сентября 2018 года — дата прочно вписана в анналы компьютерной графики. GeForce RTX 2080 появилась на сцене, вооруженная невиданными ранее технологиями, обещающими поднять игровой процесс на новый уровень. Полная надежд, NVIDIA продолжила внедрение RTX, выпустив множество графических процессоров серии 20 как для настольных компьютеров, так и для ноутбуков.

Справедливо сказать, что GeForce RTX вышла на первый план с графическими процессорами 30-й серии на базе Ampere. Предлагая существенное обновление по сравнению с существующими графическими процессорами серии 20 с таким же названием (в частности, RTX 3080, выпущенным как выдающийся производитель по цене 699 долларов), большее количество игр с поддержкой RTX помогло облегчить внедрение. Перенесемся в сегодняшний день: серия RTX 40 правит всем, а чемпион GeForce RTX 4090 не имеет себе равных по производительности ни в растеризации старой школы, ни в перспективной трассировке лучей.

Включай и играй

Теперь оборудование и технологии RTX стали почти синонимами. Собственные данные компании показывают, что 83% владельцев RTX 40 Series включают трассировку лучей, а у 79% активна DLSS. Итак, самое время проверить, как далеко продвинулась NVIDIA в стремлении к красивым пикселям с помощью последних обновлений на обоих фронтах.

Более глубокое понимание трассировки лучей и DLSS важно для контекстуализации многолетней деятельности. По своей сути трассировка лучей превосходит традиционные методы рендеринга в сложной, но важной задаче создания точного освещения в играх и приложениях. Карты GeForce RTX используют специальное оборудование, известное как ядра RT, для ускорения сложных вычислений, моделирующих взаимодействие нескольких световых лучей с пикселями на экране. Движение по поверхностям материала, отражения и преломления определяют окончательные цвета пикселей, и именно это приводит к реалистичности игр. Это не ракетостроение, но довольно близко к этому.

Таким образом, компьютерная трассировка лучей отлично помогает сделать игровой процесс более аутентичным, имитируя то, как человеческий глаз воспринимает освещение. Этот метод также используется в популярных голливудских анимационных фильмах, помогая создавать фотореалистичные изображения. Большая разница в игровом мире заключается в том, что видеокарта RTX рассчитывает все необходимое освещение в реальном времени и со скоростью много кадров в секунду.

Решение сложных проблем

Тем не менее важно понимать, что различные формы трассировки лучей настолько сложны, что в настоящее время невозможно генерировать 60 кадров в секунду при высоком разрешении. Даже мощные карты, такие как GeForce RTX 4080 и RTX 4090, с трудом справляются с огромной нагрузкой, особенно в 4K. Технология DLSS, обычно работающая совместно с трассировкой лучей, повышает частоту кадров новым способом.

Deep Learning Super Sampling (DLSS), появившаяся одновременно с трассировкой лучей, представляет собой дополнительную технологию, работающую на дополнительном специализированном оборудовании, известном как тензорные ядра, которое имеется в каждой видеокарте RTX. Понимание составных частей инициализма дает важное представление о том, как он работает. Благодаря искусственному интеллекту DLSS повышает производительность, умело масштабируя кадры с более низким разрешением до исходного разрешения, в котором вы играете.

Звучит просто, не так ли, хотя это совсем не так. Генерация точных дополнительных деталей из входных данных с низким разрешением — непростая задача, и именно здесь в игру вступает ИИ. NVIDIA решает эту задачу, делая тысячи снимков экрана сверхвысокого качества с помощью игрового движка. Эти изображения представляют собой абсолютный золотой стандарт или основную истину, но их невозможно запустить на одной видеокарте с хоть каким-то подобием приличной частоты кадров.

Охватывая несколько серверов в облаке, массивная нейронная сеть искусственного интеллекта сравнивает достоверные изображения с различными входными данными с более низким разрешением, используемыми DLSS, и с помощью многих миллионов взвешенных операций учится, как сделать осознанный выбор в отношении того, как лучше всего добавить к ним детали, чтобы они остаются максимально верными основным стандартам истины.

DLSS для спасения частоты кадров

NVIDIA генерирует точно настроенную модель DLSS в процессе исчерпывающего обучения. После завершения драйвер загружает модель в ядра Tensor карты RTX и запускается локально. Со временем его часто корректируют по мере того, как на первый план выходят новые стандарты и методы DLSS. Неотъемлемая красота заключается в том, что снижение нагрузки с помощью DLSS позволяет видеокарте выдавать больше кадров, чем обычно, и, следовательно, вы видите прирост производительности.

Впервые появившаяся на видеокартах, эта крупномасштабная технология обучения и вывода расширилась до генеративного искусственного интеллекта, используемого такими приложениями, как ChatGPT. Кстати, на оборудовании NVIDIA работают многие из этих моделей большого языка.

Два крупных недавних выпуска, известных как DLSS 3 и DLSS 3.5, подчеркивают постоянно развивающийся характер технологии. В версии DLSS 3, выпущенной в сентябре 2022 года, реализована технология генерации кадров, которая еще больше повышает производительность. На данный момент доступно только на графических процессорах серии GeForce RTX 40. совершенно новые кадры генерируются и вставляются в игровой процесс. Это следующий большой шаг вперед по сравнению с добавлением дополнительных данных пикселей через обычный DLSS.

Глядя на производительность GeForce RTX 4080 в Flight Simulator при работе в разрешении 4K, можно сказать, что старые поколения DLSS не способны значительно увеличить частоту кадров выше собственного рендеринга. Однако Frame Generation открывает совершенно новый уровень производительности для любых настроек. Вы получаете почти вдвое большую частоту кадров для качества DLSS и генерации кадров при отсутствии активных технологий.

DLSS on

DLSS off

Само по себе обучение DLSS недостаточно интеллектуально, чтобы точно генерировать совершенно новые кадры в обход обычного механизма рендеринга. Только карты серии GeForce RTX 40 имеют функцию, известную как ускоритель оптического потока (OFA), которая анализирует два последовательных кадра. Он способен определять скорость и направление информации на уровне пикселей, такой как частицы, отражения, тени и освещение. Используя данные вектора движения, полученные из игры, Frame Generation создает и вставляет совершенно новый кадр с очень небольшими вычислительными затратами.

С точки зрения ускорения, лучшим сценарием является тот, в котором DLSS заполняет большую часть деталей масштабирования в первом и третьем кадрах. Генерация кадров создает и вставляет второй кадр, которого раньше никогда не существовало. При 4-кратном масштабировании DLSS и активной генерации кадров игре необходимо полностью отрисовать только 1/8 пикселей. Этот подход особенно полезен, если процессор, генерирующий геометрию, оказывается узким местом.

Как вы понимаете, у этого подхода есть свои предостережения. Первое очевидно, поскольку Frame Generation использует только оборудование серии RTX 40. Во-вторых, разработчик игры должен иметь явную поддержку правильной спецификации DLSS. Поскольку в настоящее время совместимы 50 игр и еще больше находится в разработке, поддержка ведущих игровых движков, таких как Frostbite, Unreal Engines 4 и 5 и Unity, является ключом к постоянному успеху внедрения. Если вы этого не построите, они не придут.

Оптимизация трассировки лучей

Множество инноваций в области DLSS снова ставят трассировку лучей в центр внимания. Любой игровой кадр имеет лишь несколько лучей, поскольку вычислительной мощности недостаточно, чтобы просчитывать их для каждого пикселя. Это справедливо как для потребительских видеокарт, так и для голливудских студий, выполняющих автономные вычисления на огромных серверных фермах. При использовании этого подхода с ограниченным количеством лучей конечный результат будет несколько неполным и зашумлен, поскольку есть части сцены, где меньшее количество лучей пересекает пиксели. Фактически, есть области, где лучи заметны своим отсутствием.

Именно здесь зарабатывают на жизнь настроенные вручную шумоподавители. Их задача — добиться максимально возможного качества, превратив более зашумленное исходное изображение в более плавный конечный результат, который вы видите. Это достигается путем накопления пикселей во многих кадрах и их соответствующего смешивания, что дает более точное приближение цвета каждого пикселя в областях, куда лучи не могут быть отброшены.

Однако конечный результат не всегда оптимален. Выходной сигнал часто искажается из-за неудовлетворительной производительности алгоритма шумоподавления, особенно для сложного освещения, такого как глобальное освещение. Существует также потенциальная проблема ореолов, которая является еще одним побочным продуктом неточной оптимизации. Проблемы с точностью могут возникнуть из-за того, что временные и пространственные расчеты шумоподавителя не являются и не могут быть идеальными для заполнения недостающих данных об освещении. Реальное воздействие также может быть глубоким. Представьте себе гоночную игру, в которой фары автомобиля кажутся не совсем правильными или тени слишком мягкие и мутные.

Отражения также могут выглядеть хуже, поскольку настроенный вручную шумоподавитель смешивает информацию, часто запутывая визуальную воду. Что еще хуже, масштабирование, необходимое для DLSS, делает любые визуальные аномалии еще более очевидными и еще хуже.

Ответом на этот громкий призыв к качеству трассировки лучей является последнее улучшение DLSS, известное как 3.5.

Ray Reconstruction

Самая примечательная функция DLSS 3.5, доступная на всех графических процессорах RTX, — это Ray Reconstruction, которая призвана заменить настраиваемое вручную шумоподавление интеллектуальными функциями, генерируемыми искусственным интеллектом. Точно так же, как обычный DLSS заполняет недостающие пробелы для повышения качества изображения, Ray Reconstruction эффективно делает то же самое для трассировки лучей. Его буквально обучают понимать ограничения, налагаемые шумоподавителями, настроенными вручную. Основная идея состоит в том, чтобы сохранить всю важную информацию в нескольких кадрах и разумно использовать ее для создания лучших эффектов освещения. Обработанный на огромных автономных моделях, которые до 5 раз больше, чем DLSS 3, он лучше всего работает на сценах с большим количеством RT, которые требуют более четкого фокуса на качестве освещения и отражений.

После загрузки на вашу видеокарту посредством обновления драйвера это техническое волшебство запускается в фоновом режиме. Совершенно не обращая внимания на пользователя, хотя и требуя поддержки как драйверов, так и игр, DLSS 3.5 является еще одним реальным дополнением, предлагающим геймерам оставаться в экосистеме RTX.

Чтобы внести ясность: этот другой подход к добавлению правильного освещения в сцену с трассировкой лучей является тонким, но важным. Переход от ручной настройки к модели искусственного интеллекта с большими параметрами обеспечивает гораздо более чистый результат, который, по мнению NVIDIA, по качеству аналогичен исходному изображению без трассировки лучей.

Кроме того, технология Ray Reconstruction, совместимая с суперразрешением и генерацией кадров, не оказывает негативного влияния на общую производительность, поскольку заменяет несколько настроенных вручную шумоподавителей моделью, обученной искусственным интеллектом. Иногда именно по этой причине он может обеспечить небольшой прирост производительности, поскольку один алгоритм заменяет множество.

Вглядываясь в Alan Wake 2

Теория – это одно, практика – другое. Давайте рассмотрим заявления о DLSS 3.5, взглянув на качество изображения в получившей хорошие отзывы игре Alan Wake 2. Наряду с Cyberpunk 2077: Phantom Liberty и Portal RTX, это яркий пример новой технологии.

Созданная на основе перспективного движка Northlight Engine, Alan Wake 2 вышла в октябре 2023 года и получила признание публики, получив среднюю оценку 89/100 на Metacritic. Свободное использование ночных сцен, дождя и отражений задает соответствующий угрюмый тон, как раз в духе DLSS 3.5.

RT и RR off

RR off

RR on

При работе на GeForce RTX 4090 в разрешении 4K я использовал настройки высокого качества с тремя вариантами освещения: трассировка лучей выключена, трассировка лучей установлен на высокий уровень и включена реконструкция лучей. Нажмите на изображения выше и просмотрите трио. Непосредственная польза от трассировки лучей очевидна и совершенно очевидна. Изменения между выключением и включением Ray Reconstruction, конечно, более тонкие, но все же очевидные. На самом деле эффект более выражен в реальном времени, чем при просмотре скриншотов.

Включение функции «Реконструкция лучей» приводит к тому, что неоновые отражения становятся чище, а отдельные буквы становятся более различимыми, когда функция активна. Также обратите внимание на желтые отражения в правом нижнем углу, вызванные неоновой вывеской, которой нет в поле зрения. Отдельные точки буквы «R» определенно чище и заметнее, чем без нее. Кроме того, другие неразборчивые буквы становятся более разборчивыми.

Вернитесь и посмотрите на отражения на кончике пистолета Кейси. Включение функции Ray Reconstruction приводит к тому, что буквы становятся немного чище. Визуальная разница сводится исключительно к качеству большого шумоподавителя, обученного искусственным интеллектом, по сравнению с несколькими настроенными вручную.

RR off

RR on

Пройдя немного дальше, посмотрите на отражение вывески закусочной на капоте машины. Без Ray Reconstruction изображение размыто и едва понятно. Сразу после включения изображение становится более четким, и сцена кажется более естественной. Также обратите внимание на более чистое отражение в дальней части ветрового стекла. Если игра требует внимания к деталям, Ray Reconstruction, безусловно, помогает… без каких-либо затрат на частоту кадров.

Обратите внимание, что обычные сцены не показывают резких улучшений. Тем не менее, очевидно, что у его реализации нет очевидных недостатков, и приятно видеть, что Ray Reconstruction доступна на всех графических процессорах GeForce RTX. На самом деле, пройдя игру в течение нескольких часов, продолжать ее не составит труда.

RR off

RR on

Вам даже не нужно увеличивать изображения, чтобы увидеть явные улучшения от Ray Reconstruction.

Собственное видео NVIDIA демонстрирует очевидные улучшения при использовании DLSS 3.5 и трассировки лучей. Я знаю, на каком из них я бы предпочел играть.

Заключение

С момента появления графических процессоров RTX NVIDIA поставила перед собой задачу улучшить качество пикселей и производительность. Трассировка лучей и DLSS — две краеугольные технологии, на основе которых платформа RTX теперь используется в 500 играх и приложениях.

В последнее время DLSS стал уделять больше внимания, особенно после недавнего обновления, включающего новую технику генерации кадров. Трассировка лучей, тем временем, больше заботится о качестве изображения, но оба они идут рука об руку, расширяя визуальный диапазон.

Если все сделано правильно, трассировка лучей дает немедленный эффект и открывает глаза, особенно при точном освещении, которое придает игре ощущение театральности и реализма. Тем не менее, он не идеален и никогда не сможет быть идеальным для компьютерной графики в реальном времени. Новейшая потребительская технология NVIDIA — Ray Reconstruction, часть DLSS 3.5, и она направлена ​​на решение проблемы низкого уровня IQ, вызванного необходимостью ручной настройки шумоподавления.

Еще одним преимуществом ИИ является то, что Ray Reconstruction отлично справляется с очисткой результатов трассировки лучей, исходящих от ограниченного количества излучаемых лучей. Признаком хорошей технологии является то, что, однажды она стала доступна, вы никогда не выключите ее, и именно так я отношусь к Ray Reconstruction в Alan Wake 2.

Расширяя церковь, ИИ-происхождение Ray Reconstruction означает, что он работает на всех графических процессорах RTX, что, на мой взгляд, является большим плюсом. Как и в случае с первыми версиями DLSS, эта технология в настоящее время, естественно, заблокирована из-за ограниченного внедрения, но, судя по общему прогрессу RTX, есть надежда, что в 2024 году она будет внедрена во многие другие игры.

NVIDIA создала завидный список технологий, поддерживающих RTX, которые в совокупности побуждают геймеров выбирать или оставаться на стороне GeForce. Доступная как часть DLSS 3.5, можно с уверенностью сказать, что Ray Reconstruction является одной из самых инновационных и интересных на данный момент.

(1 оценок, среднее: 5,00 из 5)

Загрузка...