Czym dokładnie jest path-tracing i jak wypada w Cyberpunk 2077 w trybie RT Overdrive? Omawiamy zagadnienie

Aktualizacja do Cyberpunka oznaczona numerem 1.62 wywołała spore poruszenie na całym świecie. Jedni twierdzą, że zmiany są ogromne, inni z kolei, że różnice nie są widoczne gołym okiem. Jesteśmy jednak przekonani, że każdy, kto zagra w Cyberpunka w trybie Overdrive i zobaczy to na żywo, doceni jego niewątpliwy wpływ na jakość generowanej grafiki komputerowej. To ogromny krok w stronę realizmu. Przyjrzyjmy się nieco bliżej temu zagadnieniu.

Materiał powstał we współpracy z firmą NVIDIA.

Jeszcze kilka lat temu nikt nie wyobrażał sobie, że ray-tracing generowany w czasie rzeczywistym mógłby pojawić się w grach komputerowych. To była melodia przyszłości, aż do momentu premiery kart graficznych z rodziny NVIDIA RTX, które za sprawą rdzeni Tensor i RT potrafiły dostarczyć prawdziwe odbicia i śliczne, miękkie cienie. Pierwszą grą typu AAA, która rozpoczęła wielką erę śledzenia promieni był Battlefield V w listopadzie 2018 roku. DICE pokazało wówczas, że we współpracy z NVIDIA można dokonać tego przełomowego kroku. Kilka dni po oficjalnej premierze BFV, pojawiła się duża aktualizacja na PC, która implementowała technikę odbić DXR ze śledzeniem promieni. Żeby móc skorzystać z tych dobrodziejstw, musieliśmy posiadać wybraną kartę graficzną z rodziny RTX (2070 lub 2080), a do tego najnowsze aktualizacje do systemu Windows 10 i zainstalowane sterowniki NVIDIA w wersji 416.94. Nikt jeszcze wtedy nie przypuszczał, że ray-tracing po 6 latach zostanie zaimplementowany w 167 grach, a 290 z nich będzie wspierać technikę skalowania obrazu z wykorzystaniem SI, czyli NVIDIA DLSS. Przez długie lata, a do premiery pierwszych kart z rodziny GeForce RTX, odtworzenie zaawansowanego RT w grafice komputerowej w czasie rzeczywistym było praktycznie niemożliwe ze względu na zbyt potężne obciążenie GPU.

Path-tracing to kolejny krok naprzód, tym razem zdecydowanie większy i bardziej imponujący

Dzisiaj, za sprawą aktualizacji do Cyberpunk 2077 wydanej 11 kwietnia 2023 roku, możemy mówić o kolejnym przełomie. Po raz pierwszy poglądowa wersja path-tracingu została zaimplementowana w dużej grze typu AAA. Wcześniej mogliśmy ją zobaczyć między innymi w Portal z RTX, ale to była pozycja o niewątpliwie mniejszej skali. Pełny ray-tracing znacznie przybliża nas do realistycznych odbić i oświetlenia sprawiając, że docelowo mają one wyglądać dokładnie tak, jak w prawdziwym świecie. W przypadku Cyberpunk 2077, tak jak pisaliśmy we wcześniejszym artykule, cały obraz nabiera takiej niesamowitej głębi, a światło dosłownie przenika do pomieszczeń i zakamarków Night City, w naturalny sposób rozświetlając wybrane obiekty. Tam, gdzie powinno razić po oczach, dokładnie tak się dzieje, a tam gdzie występuje brak dostępu do jakiegokolwiek oświetlenia, jest po prostu ciemno. Wystarczy pograć przez kilkanaście minut, by zrozumieć, że to jest absolutna rewolucja, a im dłużej będziemy biegać po tym cudownym świecie, tym więcej detali i smaczków związanych z path-tracingiem zauważymy. Poniżej znajdziecie porównanie Cyberpunka z włączonym i wyłączonym PT. 

Wyraźnie widać, jak sceny wykorzystujące pełny ray-tracing rozświetlają się feerią barw, odbijając zdecydowanie większą ilość elementów, dostarczając przy tym dużo więcej szczegółów w obszarze samego światła i cieni. Ale czym tak właściwie jest path-tracing? To technologia, która pozwala dokładnie symulować światło w całej scenie. Do tej pory największy użytek z tej formy śledzenia promieni robili artyści wykorzystujący technikę na potrzeby grafiki filmowej czy telewizyjnej, a także w przeróżnych bajkach i animacjach. Poprzednie techniki wykorzystywane w grafice komputerowej oddzielnie zajmowały się cieniami, odbiciami i globalnym oświetleniem opartym na ray tracingu dla niewielkiej liczby źródeł światła. Pełne śledzenie promieni (czyli właśnie path-tracing) modeluje właściwości światła z praktycznie nieograniczonej liczby źródeł emisyjnych, zapewniając fizycznie poprawne cienie, odbicia i globalne oświetlenie na absolutnie wszystkich obiektach.

Jednym z najbardziej znaczących dodatków zawartych w technologicznej wersji poglądowej trybu Ray Tracing: Overdrive w grze Cyberpunk 2077 jest technika NVIDIA RTX Direct Illumination (RTXDI). To specjalny pakiet SDK, który umożliwia programistom wierne odwzorowanie wyglądu odbić w scenach, gdzie znajduje się wiele różnych źródeł światła. Dzięki RTXDI tysiące obiektów może emitować światło oparte na ray-tracingu teoretycznie w jednym momencie. W przypadku produkcji od naszego rodzimego studia, każdy neon, latarnia uliczna, billboard, reflektor samochodowy i inne źródła światła zostały objęte śledzeniem promieni, dzięki czemu obiekty, ściany, przejeżdżające samochody i nawet chodzący piesi mogą te refleksy przyjmować, odbijać i przekazywać dalej. To właśnie za sprawą technologii RTXDI, teraz praktycznie wszystkie źródła światła rzucają fizycznie poprawne miękkie cienie, co wcześniej wydawało się dosłownie niewyobrażalne do osiągnięcia, nawet z wykorzystaniem potężnych kart graficznych z rodziny GeForce RTX 20. Gdy włączymy tryb RT Overdrive, dostrzeżemy zdecydowanie udoskonalone cieniowanie, z dużo większą głębią i szczegółami, a co za tym idzie, realizmem.

Co równie istotne, Cyberpunk 2077 ma zaimplementowany pełny cykl dnia i nocy. Celem udoskonalenia oświetlenia pośredniego dochodzącego ze wszystkich źródeł emisyjnych, w tym słońca i księżyca, konieczne było zaaplikowanie tzw. śledzenia ścieżki oświetlenia globalnego (GI). Wykorzystywane do tej pory, dobrze znane programistom techniki takie jak Screen Space Reflections, Screen Space Ambient Occlusion czy nawet istniejące już rozwiązania GI zostały zastąpione pojedynczym ujednoliconym algorytmem, który zapewnia jeszcze dokładniejsze oświetlenie scen i obiektów. Wszelkie odbicia, po wdrożeniu powyższych technik, zawierają teraz pełen zakres odbitych szczegółów i są renderowane w pełnej rozdzielczości, podkreślając charakterystyczną, cyberpunkową estetykę, poprawiając przy tym wrażenia i potęgując immersje. Połączenie RTXDI oraz globalnego oświetlenia zapewnia graczom najbardziej zaawansowane oświetlenie w czasie rzeczywistym, jakie do tej pory można było zobaczyć w grach AAA, a także podgląd tego, jak wszystkie tytuły mogą (i prawdopodobnie będą) wyglądać w całkiem niedalekiej przyszłości.

Postęp technologiczny wymaga ogromnych zasobów mocy obliczeniowej, dlatego konieczne było wykorzystanie różnych, zaawansowanych technik

Niestety, tak zaawansowane rozwiązania wymagają ogromnej mocy obliczeniowej, dlatego CD PROJEKT RED i NVIDIA ciężko wspólnie pracowały wprowadzając zaawansowane optymalizacje dla tego zupełnie nowego trybu. Pomogły w tym inne, przełomowe technologie. NVIDIA Shader Execution Reordering (SER) pomaga GPU w wykonywaniu trudnych, niespójnych zadań, zauważalnie zwiększając wydajność. Ponieważ odbicia w path-tracingu generują dużo różnego rodzaju szumów i "ziarna" na ekranie, absolutnie obowiązkowe było wdrożenie techniki, która pozwoli wyeliminować te defekty. Tym sposobem powstało NVIDIA Real-Time Denoisers (NRD). Całości dopełniają dedykowane sterowniki, które zostały specjalnie dostrojone w celu optymalizacji liczby klatek na sekundę. Ostatnim elementem koniecznym do osiągnięcia pełnej i komfortowej płynności jest obowiązkowe uruchomienie techniki NVIDIA DLSS 3 razem z generatorem klatek (o których szerzej pisaliśmy w tym artykule) bazującym na rozwiązaniach sprzętowych zawartych w rodzinie kart GeForce RTX z serii 40. To dzięki temu możemy zagrać w wysokiej rozdzielczości w co najmniej 60 klatkach na sekundę, uwzględniając najwyższe możliwe ustawienia jakości obrazu z włączonym pełnym śledzeniem promieni. To technologia przyszłości, którą każdy może zobaczyć już dziś w wersji "technical preview" w Cyberpunk 2077.