Ray Tracing چیست؟ آموزش کامل فناوری رهگیری پرتو در گرافیک و بازی‌ها

مقدمه‌ای بر Ray Tracing

در روش‌های سنتی رندرینگ مانند Rasterization، نقاط سه‌بعدی روی صفحه دو‌بعدی نگاشت می‌شوند و سپس برای هر پیکسل رنگ محاسبه می‌شود. این روش بسیار سریع است؛ اما برای بازتاب‌ها و نورپردازی پیچیده، به ترفندها و شیدرهای مصنوعی نیاز دارد. در مقابل، Ray Tracing مستقیماً مسیر نور را رهگیری می‌کند و از قوانین فیزیکی ساده‌سازی‌شده برای محاسبات استفاده می‌کند؛ در نتیجه واقع‌گرایی چشمگیرتری ایجاد می‌شود.

ریشه‌های این ایده به دههٔ ۱۹۶۰ و ۱۹۸۰ برمی‌گردد؛ زمانی که رندرینگ آفلاین برای جلوه‌های ویژه سینمایی به کار می‌رفت. امروزه با ظهور سخت‌افزارهای تخصصی مانند هسته‌های RT در NVIDIA RTX و شتاب‌دهنده‌های Ray در AMD Radeon و Intel Arc، اجرای آن در زمان واقعی (Real-Time) ممکن شده است.

Ray Tracing چگونه کار می‌کند؟

ایدهٔ اصلی ساده است: برای هر پیکسل، پرتوهایی از چشم (دوربین) به سمت صحنه پرتاب می‌شود. این پرتوها با اشیاء برخورد می‌کنند و بر اساس جنس سطح، بازتاب (Reflection)، شکست (Refraction) یا جذب رخ می‌دهد. سپس پرتوهای ثانویه به سمت منابع نور یا محیط دنبال می‌شوند تا شدت روشنایی، رنگ و سایه‌ها تعیین شود. با تکرار این فرآیند و نمونه‌برداری‌های متعدد، تصویری بسیار واقعی حاصل می‌شود.

اصطلاحات کلیدی

• Shadow Rays: پرتوهایی برای بررسی وجود مانع بین نقطهٔ برخورد و منبع نور.
• Reflection Rays: برای محاسبه بازتاب آینه‌ای یا براق.
• Refraction Rays: برای شبیه‌سازی عبور نور از مواد شفاف مانند شیشه و آب.
• Path Tracing: گونه‌ای از Ray Tracing که با نمونه‌گیری تصادفی مسیرهای متعدد، نور جهانی (GI) را دقیق‌تر محاسبه می‌کند.
• Denoising: حذف نویز ناشی از نمونه‌گیریٔ کم، با کمک فیلترها یا هوش مصنوعی.

در بازی‌ها معمولاً برای حفظ سرعت، از تکنیک‌های هیبریدی استفاده می‌شود: Rasterization برای اجزای عمده صحنه و Ray Tracing برای اثرات خاص مثل بازتاب‌های دقیق یا سایه‌های نرم.

تفاوت Ray Tracing و Rasterization (جدول مقایسه)

مزایا و معایب فناوری Ray Tracing

مزایا

• واقع‌گرایی بی‌رقیب در بازتاب‌ها، سایه‌های نرم و نورپردازی محیطی.
• صرفه‌جویی در زمان توسعه جلوه‌های پیچیده (به‌جای ترفندهای زیاد در Rasterization).
• سازگاری ذاتی با فیزیک نور؛ نتایج قابل پیش‌بینی‌تر.

معایب

• مصرف سنگین منابع؛ افت FPS روی سخت‌افزارهای متوسط.
• نیاز به Denoiser و تکنیک‌های ضدنویز برای کاهش پرش و لکه‌ها.
• پیچیدگی پیاده‌سازی و زمان رندر بیشتر نسبت به Rasterization.

Ray Tracing در کارت‌های گرافیک و بازی‌ها

برای بهره‌گیری از این قابلیت، به کارت گرافیکی نیاز دارید که شتاب‌دهندهٔ سخت‌افزاری RT داشته باشد. خانواده‌های زیر مشهورترین گزینه‌ها هستند:

• NVIDIA GeForce RTX (سری 20 تا 40): دارای هسته‌های RT و پشتیبانی از DLSS برای جبران افت FPS.
• AMD Radeon RX (سری 6000 و 7000): پشتیبانی از Ray Tracing و فناوری FSR.
• Intel Arc: با هسته‌های اختصاصی Ray Tracing و بهبودهای پیوستهٔ درایور.

بازی‌های محبوبی چون Cyberpunk 2077، Control، Metro Exodus، Forza و Spider‑Man از این فناوری پشتیبانی می‌کنند. شدت و کیفیت اثرات در هر بازی قابل تنظیم است.

تاثیر Ray Tracing بر FPS و راهکارهای بهینه‌سازی

فعال‌سازی کامل Ray Tracing می‌تواند نرخ فریم را به‌طور محسوسی کاهش دهد. اما با چند ترفند می‌توان تعادلی عالی بین کیفیت و سرعت برقرار کرد:

• استفاده از فناوری‌های ارتقای مقیاس مانند DLSS (انواع Quality/Balance/Performance) یا FSR.
• کاهش سطح Ray Tracing از «Ultra» به «High» یا «Medium» برای حذف پرتوهای ثانویهٔ غیرضروری.
• فعال‌سازی Frame Generation در عناوین سازگار برای افزایش روانی تصویر.
• تنظیم رزولوشن پویا (DRS) و محدود کردن نرخ فریم هدف.
• به‌روزرسانی درایور کارت گرافیک و استفاده از پروفایل‌های پیشنهادی بازی.

آینده Ray Tracing

مسیر آینده به سمت Path Tracing سراسری و ادغام هوش مصنوعی برای Denoising پیشرفته‌تر است. با افزایش کارایی هسته‌های اختصاصی، انتظار می‌رود Ray Tracing از یک «گزینهٔ گرافیکی لوکس» به استاندارد پیش‌فرض بسیاری از بازی‌ها تبدیل شود. همچنین در معماری، طراحی صنعتی و آموزش تعاملی نیز استفاده از آن رو به افزایش است.

جمع‌بندی

Ray Tracing جهشی بزرگ در واقع‌گرایی بصری است. اگرچه هزینهٔ عملکردی دارد، اما با تکنیک‌های کمکی مثل DLSS/FSR و تنظیمات منطقی می‌توان تجربه‌ای چشم‌نواز و روان به دست آورد. برای کاربرانی که دنبال بهترین کیفیت هستند، این فناوری ارزش سرمایه‌گذاری دارد.

مشاهده کارت‌های گرافیک سازگار با Ray Tracing