هرآنچه بايد درباره رهگيري پرتو، جهش گرافيكي بزرگ بعدي بدانيد
ماه گذشته، انويديا سرانجام جديدترين سري كارت‌هاي گرافيك RTX خود را در مدل‌هاي مصرفي (GeForce) و حرفه‌اي (Quadro) معرفي كرد. اين شركت وعده مي‌دهد كه اين كارت‌ها، گرافيك بازي‌هاي ويدئويي را در دهه‌ي بعدي و فراتر متحول خواهند كرد و رمز اين تغيير تازه نيز در تغيير نام GTX به RTX نهفته است. حرف R در نام جديد كارت‌هاي گرافيك انويديا، مخفف رهگيري پرتو (Ray Tracing) است؛ فناوري منحصربه‌فردي كه براي سال‌ها جزئي از صنعت جلوه‌هاي ويژه‌ي سينمايي بوده؛ اما اكنون به‌لطف برخي از سيستم‌هاي هوش مصنوعي، سرانجام راه خود را به گيمينگ نيز باز كرده است. علاوه‌بر اين، بهره‌گيري از رهگيري پرتو اكنون براي متخصصان حرفه‌اي، خالقان محتوا و استوديوها نيز با صرف هزينه و زمان بسيار كمتر امكان‌پذير شده است. بنابراين، طيف وسيعي از متخصصان مي‌توانند از مزاياي كارت‌هاي گرافيك نسل جديد انويديا بهره‌مند شوند. اما رهگيري پرتو دقيقا چيست؟ چه مزيتي به همراه دارد و چه تاثيري در آينده‌ي گرافيك كامپيوتري خواهد داشت؟ براي پاسخ به اين سؤال‌ها با اخبار تخصصي، علمي، تكنولوژيكي، فناوري مرجع متخصصين ايران همراه باشيد.
نور و نحوه مدل‌سازي آن
براي درك ماهيت رهگيري پرتو، اول بايد از نحوه‌ي عملكرد نور در دنياي واقعي اطلاع پيدا كرد. هنگامي كه يك منبع به تابش اشعه يا «پرتو» مي‌پردازد، در اين حالت، نور در مسير خود به يك سطح برخورد مي‌كند. اين سطح در مقابل، يكي از اين چهار كار را انجام مي‌دهد؛ نور را در خود جذب مي‌كند، بازتاب مي‌دهد، موجب شكست نور مي‌شود يا به‌شكل شفاف درمي‌آيد. تفاوت بين اين چهار كنش، تعيين مي‌كند كه شي زير يك منبع نورِ به‌خصوص چگونه به‌انديشه متخصصين برسد.
به‌طور معمول، درخواست از كامپيوتر براي شبيه‌سازي تمام اين چهار وضعيت و واكنش‌هاي آن‌ها به يك منبع نور، وظيفه‌اي نيازمند صرف هزينه و زمان بسيار زياد است؛ بدين معني كه توسعه‌دهندگان گيمينگ براي جعل نتايج مشابه، بايد با راه‌حلي ارزانتر كنار بيايند. براي سال‌ها، گيمينگ سه‌بعدي براي جلوه دادن طبيعي بازگشت نور از سطح يك شي، به‌نوعي تقلب كرده و از تكنيكي به نام شطرنجي‌سازي (Rasterization) بهره گرفته است.
شطرنجي‌سازي، اشيا سه‌بعدي را به‌منظور نمايش در مانيتور به پيكسل‌هاي دوبعدي تبديل مي‌كند و به همين شيوه نيز به پردازش نور مي‌پردازد؛ سپس همانند نقاشي كه با طيفي از خطوط تيره به اثر خود عمق مي‌بخشد، جزئيات از دست‌رفته را با سايه‌زن‌ها (Shaders) پر مي‌كند. درواقع، فناوري گرافيكي فعلي انويديا و بسياري از ديگر شركت‌هاي حاضر در عرصه‌ي گرافيك كامپيوتري، نور و نحوه‌ي رفتار آن در يك صحنه‌ي معين را به كمك همين تكنيك، به‌نحو بسيار ساده‌تري شبيه‌سازي مي‌كند. اين روش براي بازي‌هاي كنسول و پي‌سي به اندازه‌ي كافي مناسب است؛ اما هرچه به سمت قلمرو گيمينگ 4K نزديك‌تر مي‌شويم، تكنيك‌هاي نورپردازي قديمي كه براي سال‌ها از آن‌ها استفاده كرده‌ايم، ديگر قادر به حفظ آن سطح يكسان از دقت و موشكافي نخواهند بود.
تكنيك‌هاي نورپردازي قديمي ديگر جوابگوي گيمينگ 4K نيستند
به‌عنوان مثال، مدل‌سازيِ يك آينه با استفاده از شطرنجي‌سازي، امر دشواري است؛ زيرا اين تكنيك قادر به رهگيري و مدل‌سازي خود نور نيست و درست به‌همين دليل حتي پيشرفته‌ترين بازي‌هاي ويدئويي امروزي نيز در مدل‌سازي واقع‌گرايانه‌ي اجسامي همچون آينه با چالش روبه‌رو هستند؛ اما اين وضعيت به‌زودي تغيير خواهد كرد.
رهگيري پرتو
در پاسخ به نياز نسل جديد بازي‌هاي ويدئوهايي، رهگيري پرتو پا به ميدان مي‌گذارد. رهگيري پرتو از زمان ابداع در سال‌هاي گذشته ، همواره آرزويي دست‌نيافتني در عرصه‌ي گيمينگ بوده است. در پاسخ به اين سؤال كه اين فناوري چيست، به زبان ساده مي‌توان گفت كه رهگيري پرتو يا پرتويابي نوعي تكنيك رندرينگ است كه رفتار نور را با برخورد آن به اشياء به‌صورت بي‌درنگ در صحنه مدل‌سازي مي‌كند. اين شيوه با رهگيري جداگانه‌ي پرتوهاي نور به‌محض بازگشت آن‌ها از سطوح مختلف، مي‌تواند بازتاب‌ها، پراكندگي‌هاي زيرسطح، نيم‌شفافي و ديگر جزئياتي را كه به باورپذير ساختن يك صحنه كمك مي‌كنند، با دقت زياد بازآفريني كند.
تورينگ، بزرگ‌ترين جهش گرافيكي از زمان معرفي كودا در سال ۲۰۰۶ محسوب مي‌شود
انويديا تقريبا از يك دهه‌ي پيش مشغول سرمايه‌گذاري روي رهگيري پرتو بوده است. غول سازنده‌ي كارت گرافيك در سال ۲۰۰۸ شركتي به نام RayScale را تصاحب كرد و دو سال بعد در رويداد سيگراف ۲۰۱۰، از نخستين پيش‌نمايش رهگيري پرتو تعاملي روي كارت‌هاي مبتني بر معماري Fermi كوادرو رونمايي كرد. پس از تماشاي آن نمونه‌ي نمايشي، گمان مي‌رفت كه قابليت رهگيري بدون درنگ پرتو به‌زودي در نسل‌هاي بعدي امكان‌پذير خواهد شد. اما ۸ سال طول كشيد تا انويديا، رهگيري بي‌درنگ پرتو را در دسترس مصرف‌كنندگان عادي قرار دهد؛ دستاوردي كه پيش از اين رسيدن به آن به‌شدت دشوار و پرهزينه بود.
تورينگِ انويديا، بزرگ‌ترين جهش گرافيكي از زمان معرفي CUDA در سال ۲۰۰۶ محسوب مي‌شود و با ارائه‌ي رهگيري پرتو، سرانجام نسل بعدي گرافيك كامپيوتري را براي ما به ارمغان آورده است. رهگيري پرتو تنها يكي از چندين تكنيك رندرينگ به‌حساب مي‌آيد؛ اما از آنجايي كه اين تكنيك به‌ويژه براي افزودن نورپردازي و جلوه‌هاي واقع‌گرايانه و بي‌درنگ مناسب است، انويديا به‌شدت براي پذيرش و همه‌گيري آن تلاش مي‌كند.
همان‌طور كه در ابتدا اشاره شد، استوديوهاي جلوه‌هاي ويژه از سال‌ها پيش، رهگيري پرتو را در فيلم‌هاي بزرگ هاليوودي به‌نيروي سادهفته‌اند. اما پس چگونه فيلم‌ها برخلاف بازي‌هاي ويدئويي قادر به بهره‌مندي از مزاياي اين تكنيك بوده‌اند؟ اين صرفا بدين خاطر است كه برخلاف صحنه‌هاي گرافيكي بي‌درنگ، هاليوود مي‌توانسته جلوه‌هاي خود را به آنچه با عنوان «مزرعه‌ي رندر» شناخته مي‌شود، ارسال كند و ساعت‌ها، روزها و حتي گاهي اوقات هفته‌ها منتظر بماند تا رندرينگ نورپردازي يك صحنه‌ي واحد به اتمام برسد؛ درست به همين دليل است كه از رهگيري پرتو در بازي‌هاي ويدئويي تنها در صحنه‌هاي از پيش رندرشده‌ي ميان بازي (Cut-Scenes) استفاده مي‌شود.
اين در حالي است كه گيمينگ تعاملي بايد بتواند همين جلوه‌هاي نورپردازي مشابه را در يك محيط پويا و در حال تغيير توليد كند؛ اما به‌دليل آنكه رهگيري پرتو نيازمند قدرت پردازشي بسيار بالايي است، تاكنون تنها فيلم‌هاي بلند سينمايي قادر به بهره‌گيري از آن بوده‌اند. علاوه‌بر اين، هزينه‌هاي محاسباتي نيز يكي از موانع عمده بر سر راه استفاده از رهگيري پرتو محسوب مي‌شود. بهترين كارت گرافيك تورينگ براي موارد استفاده‌ي حرفه‌اي، ۱۰ هزار دلار ارزش دارد؛ بااين‌حال، استفاده از رهگيري پرتو پيش از اين به‌مراتب هزينه‌ي بيشتري دربرداشت. اما آنچه اكنون اتفاق افتاده اين است كه انويديا فناوري رهگيري پرتو را به پردازنده‌هاي گرافيكي سطح مصرف‌كننده آورده است؛ اقدامي كه پيش از اين هرگز انجام نشده بود. به‌گفته‌ي انويديا به‌لطف بهره‌مندي كارت‌هاي گرافيك RTX از برخي يكپارچگي‌هاي هوشمندانه‌ي هوش مصنوعي، دوران «رهگيري بي‌درنگ پرتو» سرانجام از راه رسيده است.
اكنون مي‌توان مسير طي‌شده توسط نور در طول يك صحنه را به نحو پيچيده‌تري رندر كرد. با رهگيري پرتو مي‌توان نحوه‌ي تعامل پرتوهاي نور با اشياء را شبيه‌سازي و بازتاب‌ها، انكسارها (شكست نور) و جلوه‌هاي پراكندگي را به‌صورت بي‌درنگ خلق كرد. رهگيري پرتو حتي مي‌تواند آينه‌ها را شناسايي و رندر كند، شكست نور در عبور از شيشه و سرچشمه‌ي نور در يك صحنه را تشخيص دهد و حتي رنگ نور در عبور از اشياء را تعيين كند. رهگيري پرتو با شبيه‌سازي اين موارد، صحنه‌اي به‌شدت طبيعي‌تر و واقع‌گرايانه‌تر خلق مي‌كند و گرافيك گيمينگ را تا حد زيادي به واقع‌گرايي عكس‌واري كه از فيلم‌هاي محبوب خود انتظار داريم، نزديك‌تر مي‌كند.
براي درك بهتر مزيت به‌كارگيري رهگيري بي‌درنگ پرتو مي‌توانيد نمونه‌ي نمايشي زير را تماشا كنيد.
تماشاي چنين سطح خارق‌العاده‌اي از نورپردازي هيجان‌انگيز به‌انديشه متخصصين مي‌رسد؛ اما بايد درانديشه متخصصين داشت كه اين پيش‌نمايش روي يك كوادرو RTX 6000 رندر شده است؛ كارت گرافيكي كه براي ورك‌استيشن‌هاي حرفه‌اي طراحي شده و برچسب ارزش فوق‌العاده بالاي ۶٫۳۰۰ دلار را دارد. در نتيجه فعلا بايد انتظارها را پايين نگاه داشت؛ زيرا بازي‌ها به اين زودي‌ها با چنين ظاهر خوبي روي كامپيوترهاي خانگي اجرا نخواهند شد.
رهگيري پرتو چگونه عمل مي‌كند
توضيح سازوكار فناوري گرافيك معمولا دشوار است؛ اما رهگيري پرتو، همان‌طور كه از نام برمي‌آيد، توضيح نسبتا ساده‌اي دارد. رهگيري پرتو با رهگيري مسير نور شبيه‌سازي‌شده يا بلكه ميليون‌ها نور شبيه‌سازي‌شده، تصويري را مي‌سازد. نور با حركت، سپس برخورد به اشيا و تعامل با ويژگي‌هاي آن‌ها بازمي‌گردد. به‌عنوان مثال، اگر بازگشت از يك سطح سبز براق اتفاق بيافتد، فام (ته‌رنگ) نور مي‌تواند تغيير كند. اين در اصل همان نحوه‌ي كاركرد نور در دنياي واقعي است. ذره‌اي نور از منبع خود سرچشمه مي‌گيرد و در امتداد حركت مي‌كند تا زماني‌كه با يك شي در نقطه‌اي تعامل برقرار كند و مسيرش به‌وسيله‌ي ويژگي‌هاي آن شي تعيين شود. نور مي‌تواند توسط يك جسم متراكم و تيره جذب يا توسط يك آينه به‌كلي بازتابيده شود.
شباهت بنيادين رهگيري پرتو به دنياي وقايع، آن را به يك تكنيك رندريگ سه‌بعدي به‌شدت واقع‌گرايانه تبديل مي‌كند. اما اين وسط تنها يك اشكال وجود دارد و آن شبيه‌سازي است. دنيايي كه ما هر روزه مي‌بينيم، به‌وسيله‌ي ميليون‌ها ذرات نوري كه با سرعت نور در اطراف ما در حال حركت هستند، قابل رويت شده است. شبيه‌سازي چنين چيزي آسان نيست و همان‌طور كه پيش از اين اشاره شد به‌همين دليل رهگيري پرتو تا به امروز تنها در دسترس فيلم‌هاي سينمايي و ديگر گرافيك‌هاي از پيش رندرشده قرار داشت. اما انويديا اين اشكال را حل كرده است و دنياي بازي‌هايي ويدئويي در آستانه‌ي تحولي شگرف قرار دارد.
نسل بعدي گيمينگ و شبيه‌سازي‌هاي گرافيكي
همان‌طور كه اشاره شد، آنچه تاكنون مانع از دستيابي مصرف‌كنندگان عادي به رهگيري پرتو مي‌شد، نيازمندي اين تكنيك رندرينگ به حجم غير قابل تصوري از قدرت محاسباتي بود. جنسن هوانگ، مديرعامل انويديا درباره‌ي دستاورد شركتش در ارائه‌ي رهگيري پرتو مي‌گويد:
اين بزرگ‌ترين پيشرفتي است كه ما تاكنون در يك نسل موفق به دستيابي به آن شده‌ايم.
با درانديشه متخصصين گرفتن اين نكته كه معماري جديد به‌كار رفته در پردازنده‌هاي گرافيكي جديد انويديا براي حل اشكال پردازشي يادشده طراحي شده است، صحبت جنسن منطقي به‌انديشه متخصصين مي‌رسد. هسته‌هاي اختصاصي رهگيري پرتو در پيوستگي با هسته‌هاي Tensor و با بهره‌گيري از هوش مصنوعي فعاليت مي‌كنند تا شبيه‌سازي‌ها را ۶ برابر سريع‌تر از پلتفرم نسل پيشين پاسكال (كارت‌هايي همچون GTX 1080 Ti) خلق كنند. اين يك جهش بزرگ در فناوري گرافيك كامپيوتري به‌حساب مي‌آيد و با تصور اينكه اكنون استوديوها و اشخاص مي‌توانند موارد جديد استفاده از رهگيري پرتو را در انيميشن‌سازي، بازي‌هاي ويدئويي و شبيه‌سازي‌هاي علمي پيدا كنند، ارزش كار انويديا بيش‌ازپيش به چشم مي‌آيد.
هرچند كارت‌هاي گرافيك جديد انويديا فعلا تنها در دسترس كامپيوترهاي دسكتاپ قرار دارند؛ اما نسخه‌هاي مخصوص لپ‌تاپ‌ها احتمالا سال آينده روانه‌ي بازار خواهند شد؛ در نتيجه با انجام رهگيري پرتو در لپ‌تاپ‌ها فاصله‌ي چنداني نداريم. در حال حاضر، كارت‌هاي گرافيك سري كوادرو RTX كه براي مصارف حرفه‌اي به‌كار مي‌روند، با ارزش ۲۳۰۰ دلار براي مدل پايه و ۱۰ هزار دلار براي مدل پيشرفته معرفي شده‌اند. متخصصان حرفه‌اي براي خريد اين سري بايد تا سه‌ماهه‌ي نخست ۲۰۱۹ منتظر بمانند. بااين‌حال، انويديا از مصرف‌كنندگان عادي و گيمرها نيز غافل نشده و كارت‌هاي گرافيك جي‌فورس سري ۲۰۰۰ را با ارزش پايه‌ي ۴۹۹ دلار معرفي كرده است. عرضه‌ي اين كارت‌ها از ۲۰ سپتامبر (۲۹ شهريور) آغاز خواهد شد.
شركاي بازي‌ساز انويديا نيز از مدتي پيش دست به كار شده‌اند و در ساخت محصولات بعدي خود در حال بهره‌گيري از رهگيري بي‌درنگ پرتو هستند. در حال حاضر، پيش‌نمايش برخي از بازي‌هايي كه به‌زودي معرفي مي‌شوند، نظير مترو: اكسدس مزاياي استفاده از معماري جديد انويديا و تكنيك رهگيري بي‌درنگ پرتو را به‌خوبي نشان داده‌اند
براي مشاهده‌ي آنچه انويديا از توسعه‌دهندگان انتظار دارد، مي‌توانيد تريلر رسمي بازي بتفيلد ۵ را در ادامه تماشا كنيد. اين پيش‌نمايش، بازتاب اشياي خارج از قاب تصوير از جمله شعله‌ها و انفجارها را نشان مي‌دهد كه به‌تصوير كشيدن آن‌ها تنها با استفاده از رندرينگ مبتني بر آنچه در قاب حضور دارد، امكان‌پذير نخواهد بود. بازتاب‌ها همچنين به‌دقت ويژگي‌هاي فيزيكي سطوح را مدل‌سازي مي‌كنند؛ قابليتي كه يكي ديگر از مزاياي رهگيري پرتو به‌حساب مي‌آيد.
هم انديشي ها