Трассировка лучей и DLSS в играх. Разбираемся в нюансах на примере Battlefield V, Shadow of the Tomb Raider и Anthem

С выпуском видеокарт GeForce RTX компания NVIDIA открыла эру трассировки лучей в играх. И это стало поводом для продолжающихся споров о самой целесообразности данной технологии в играх. Однозначно можно сказать, что трассировка не стала массовым явлением, и список совместимых игр пока небольшой. Вскоре его пополнит боевик Control, а далее начнется осенний игровой сезон, который тоже принесет что-то интересное. В преддверии новых игр мы решили поговорить о трассировке в уже доступных проектах. Посмотрим, как лучи влияют на графику и производительность в Battlefield V и Shadow of the Tomb Raider. Заодно изучим особенности технологии NVIDIA DLSS, которая кроме указанных игр доступна также в Anthem.

Что такое трассировка лучей? Это метод рендеринга с построением и отслеживанием траекторий лучей света к каждой точке пространства. Такой метод позволяет точно определять освещенность объектов, отраженный свет и взаимное затенение. Это еще одна ступенька к реализму виртуального изображения. Но трассировка (ray tracing) крайне ресурсоемка, поэтому ранее была недоступна в играх. И сейчас этот метод не может использоваться в полной мере. На данный момент речь идет о гибридном рендеринге, который сочетает стандартную растеризацию с трассировкой. Последняя используется для реализации отдельных эффектов, например, для просчета корректных отражений и теней.

Трассировка лучей работает в среде Windows 10 (начиная с версии 1809) через API DirectX Raytracing (DXR), который является расширением DirectX 12. На данный момент трассировка доступна в Battlefield V, Shadow of the Tomb Raider, Metro Exodus, Stay in the Light и китайском MMO Justice. Также эффекты на базе этой технологии обещают добавить в Wolfenstein: Youngblood, где все реализовано в среде API Vulkan.

Оптимальным решением для ray tracing являются видеокарты NVIDIA GeForce RTX, которые имеют аппаратные улучшения для ускорения соответствующих операций, в частности, дополнительные блоки RT. И при разговоре о трассировке часто оперируют определением RTX, что намекает на технологию и соответствующие видеокарты. При этом все функции API DXR поддерживаются и старыми видеокартами архитектуры Pascal, что позволяет включить новые эффекты на GeForce GTX 1080 Ti и других видеокартах этой серии. Но без соответствующих аппаратных оптимизаций трассировка дается им с огромными потерями в производительности.

Технология NVIDIA DLSS не связана с трассировкой напрямую, поэтому может использоваться в играх без новых эффектов. Этот метод рендеринга используется для ускорения производительности, что критично при активации RTX-эффектов. А поскольку DLSS использует аппаратные особенности GPU Turing, то технология работает исключительно на видеокартах GeForce RTX.

В данном обзоре использовалась система с видеокартой GeForce RTX 2080 Ti. В качестве наглядных материалов приведены скриншоты и видеоролики в 4K. Вначале поэтапно рассмотрим визуальные особенности трассировки в каждой игры, а в конце поговорим о DLSS.

Трассировка лучей в Battlefield V

Начнем с последней части Battlefield, поскольку это была первая игра с поддержкой трассировки. На ней обкатывалась новая технология, и с момента релиза разработчики хорошо поработали над оптимизацией, доведя производительность с трассировкой до приемлемого уровня.

В Battlefield V новая технология используется для отражений. В игре есть несколько уровней качества трассировки, которые определяются настройками DXR — низкое, среднее, высокое и максимальное качество. Согласно информации из открытых источников эти настройки влияют на количество просчитываемых лучей и на то, к каким поверхностям они применяются. Попробуем определить основные визуальные особенности.

Ниже наиболее яркий пример влияния трассировки. Положение камеры может немного меняться из-за необходимости перезагрузки игры и сложности подбора одинакового ракурса.

В обычном режиме на водной поверхности можно увидеть отражение неба и отражения веток и у края лужи. При этом все происходит в роще, а лужа окружена деревьями. Активация самого простого варианта DXR добавляет отражения этих деревьев. И вся сцена воспринимается несколько светлее, что заметно даже по цвету листвы на дальнем плане. Переключение на Ultra-качество дает минимальные изменения — рябь на воде выглядит иначе, и нет светлых ореолов вокруг объектов в воде.

Посмотрим, как трассировка влияет на лед и снег. Положение героя немного отличается, поэтому не обращаем внимания на контуры снега.

Трассировка сразу добавляет отражения на льду, которых изначально нет. Повышение качества дает странный эффект, когда некоторые участки льда светлеют. По сути, он приобретает разную фактуру — некоторые участки кажутся более гладкими, а некоторые более шероховатыми. Это пример того, что мы получаем материал с разными отражающими свойствами.

Трассировка не просто добавляет отражения к лужам и водным поверхностям. Она влияет на то, как выглядят любые мокрые поверхности, стекло, металлы и прочие отражающие материалы. При минимальном и среднем уровне это ощущается только на воде и мокрых поверхностях. При высоких и ультра-настройках DXR уже заметно влияние на металлические корпуса машин, элементы окружения и другие объекты. Это хорошо видно по корпусу танка на нижнем слайде. Ну и по мере повышения качества заметно увеличение дистанции, где применяется трассировка. При низком уровне DXR дальние лужи не меняются, при высоком — меняются.

В качестве завершающего сравнения ниже одинаковая сцена без трассировки и с DXR Ultra.

Данная сцена интересна тем, что сверху нависает мост, загораживающий свет. Но в обычном режиме под мостом есть яркие светящие лужи, а лужа левом углу отражает небо. С трассировкой лужи и мокрый асфальт меняются. И хотя они выглядят темнее, фактура мокрого асфальта кажется реалистичнее. Корпус танка тоже выглядит иначе.

Лучше оценить изменения можно по видеоролику со сравнением графики в 4K.

Трассировка может менять восприятие всей сцены, а не только создавать отражения на воде. Поскольку в игре много локаций с грязью, лужами, мокрым асфальтом и т.п., то общие изменения порою хорошо заметны. Но это не влияет на пустынные локации и похожие уровни — появляются отражения на стеклах, фактура металла где-то меняется, но это мелкие нюансы. С трассировкой больше бликов пламени от взрывов на окружающих поверхностях, что делает такие сцены ярче.

Подробнее о производительности на последней странице.

Трассировка лучей в Shadow of the Tomb Raider

В данной игре поддержка трассировки была заявлена еще до релиза, но соответствующее обновление вышло только весной этого года. Ray tracing используется для создания реалистичных теней. Игра предлагает три уровня теней RTX — от среднего к максимальному. При среднем уровне трассировка используется для определенных точечных источников освещения. Высокое качество активирует тени от дополнительных источников и направленного солнечного света вместо стандартных карт теней. Максимальное качество добавляет полупрозрачные тени и использует большее количество лучей для точной проработки теней.

Начнем с трассировки среднего уровня. Ее влияние заметно вокруг костров и огня.

Трассировка добавляет динамичные расходящиеся тени от объектов и создает более явный переход между светлой и темной стороной объектов, подчеркивая направленность освещения.

Ниже пример того, как выглядят объекты в освещенной зоне.

Серьезная разница! С RTX нагромождение балок и бревен на заднем плане обретает глубину — у каждого объекта появляется освещенная и затененная сторона. Ближние объекты отбрасывают расходящиеся от огня тени. Меняется освещение и затенение на фигурке самой Лары, видна даже тень от тетивы лука на лице. И хотя сам источник света за пределами кадра, картинка с трассировкой создает ощущение более живого объемного света. В динамике это впечатляет еще больше, поскольку есть эффект дрожания пламени и теней. Поэтому обязательно посмотрите сравнительное видео.

Трассировка среднего уровня никак не влияет на восприятие открытых пространств. Тут изменения видны только при высоком и максимальном качестве RTX.

Трассировка высоких уровней усиливает тени от солнца и добавляет их к тем объектам, где они изначально не отрисовывались. Это хорошо видно по щелям между камнями и вокруг механизма, который крутит героиня. Контуры теней более четкие и правильные.

Какова разница между высоким и максимальным качеством RTX? Для этого сравним фрагмент с большим кустом в разных режимах.

При максимальном качестве тени полупрозрачные. А ведь листья частично пропускают свет, следовательно, это более реалистично. И контуры теней более плавные.

Для наглядности еще одно сравнение в обычном режиме и с максимальной трассировкой. Видна разница в тенях между расщелинами и на стыке камней. Заодно можно обратить внимание на четкие контуры теней от листьев и лиан, которые изначально представлены смазанными фрагментированными пятнами.

Отмеченная четкость контуров видна у объектов, которые расположены близко к своей тени. При удалении контуры теней должны естественным образом смазываться. И эффект мягких теней хорошо заметен по теням крон деревьев.

Отмеченные примеры приведены в сравнительном ролике, который доступен в формате 4K.

NVIDIA DLSS в Anthem и других играх

Технология DLSS (Deep Learning Super Sampling) использует глубокое обучение для интеллектуального масштабирования и сглаживания. Подготовка технологии требует определенной тренировки нейросети на суперкомпьютерах NVIDIA, когда сеть обучают генерировать «идеальный кадр» с использованием суперсэмплинга. Также нейросеть обучают достраивать изображение, увеличивая разрешение кадра. В итоге полный кадр формируется при меньшем количестве входных данных и с качественным сглаживанием. В одном из интервью технического специалиста NVIDIA озвучивалось, что для формирования полного кадра 4K DLSS может использоваться 3,5–5,5 млн. пикселей. Количество входных данных зависит от конкретной игры и сцены. DLSS лучше всего работает в высоких разрешениях, изначально этот метод был рассчитан для формата 4K. Но в ряде игр DLSS доступно для разрешения 2560x1440 и даже для 1920x1080. Однако чем ниже разрешение, тем меньше входных данных, и тем хуже результат.

Технология NVIDIA DLSS часто рассматривается в качестве альтернативы TAA, но это не совсем правильно. Данный метод в первую очередь призван ускорить общую производительность, но он действительно замещает любые иные варианты AA. Технология рассчитана на ускорение в тяжелых режимах. DLSS требует определенного времени на исполнение, и если начальная частота кадров очень высокая, то ускорение может заметно снизиться.

DLSS всегда дополняет игры с трассировкой, позволяя компенсировать падение fps при активации лучей. Но данная технология может быть реализована в любой игре и она не требует DirectX 12. В частности, DLSS отлично работает в игре Anthem под DirectX 11. С нее мы и начнем наше сравнение. За основу взять режим 4K (3840x2160).

И для наглядности сравнение одинакового фрагмента.

На скриншоте все выглядит отлично. С DLSS такие же контуры объектов и растительность практически не отличается от того, что выдает игра в нативном 4K. Иначе выглядит текстура земли, но разница едва заметна.

А вот очертания костюма менее четкие, в обычном режиме лучше просматриваются мелкие детали, царапины и т.п.

Ну и дополнительно еще одно сравнение на одной иллюстрации:

С DLSS не столь четкий рисунок на камнях, контуры дальнего дерева и некоторых объектов смазываются, но общие изменения незначительны.

Теперь посмотрим на картинку в Battlefield V с DLSS. И чтобы усложнить задачу, выберем темную сцену.

Тут заметно явное замыливание, особенно контуров дальних объектов. Неровная поверхность земли выглядит более смазано. Все это хорошо видно при прямом сравнении одинаковых фрагментов.

Взглянем на Shadow of the Tomb Raider с DLSS.

Лучше оценить нюансы позволит нижний слайд.

Заметно снижение резкости у мелких деталей, что лучше всего видно по листьям и рисунках на поверхности кубов. Каменная кладка на заднем плане тоже становится менее четкой.

Дополним скриншоты видеосравнением.

Далее поговорим о влиянии трассировки и DLSS на производительность

Тестовый стенд

Конфигурация тестового стенда следующая:

• процессор: Intel Core i7-6950X (3,0@4,2 ГГц);
• кулер: Noctua NH-D15 (два вентилятора NF-A15 PWM, 140 мм, 1300 об/мин);
• видеокарта: NVIDIA GeForce RTX 2080 Ti Founders Edition;
• материнская плата: MSI X99S MPower (Intel X99);
• память: G.Skill F4-3200C14Q-32GTZ (4x8 ГБ, DDR4-3200, CL14-14-14-35);
• системный диск: Kingston SSDNow KC400 (256 ГБ, SATA 6Gb/s);
• дополнительный диск: WD Red 3TB WD30EFRX (3 ТБ, SATA 6Gb/s, 5400 об/мин);
• блок питания: Raidmax Cobra RX-800AE;
• монитор: ASUS PB278Q (2560х1440, 27″);
• операционная система: Windows 10 Pro x64;
• драйвер GeForce: NVIDIA GeForce 430.86.

Тестирование проведено в разрешениях 2560x1440 и 3840x2160. Задействованы встроенные бенчмарки и наша тестовая методика Anthem, которая идентична той, что описывалась в недавнем обзоре Radeon RX 5700 XT. На графиках указаны минимальный и средний fps. Для стабилизации Boost-частот видеокарты повышались обороты вентиляторов.

Результаты тестирования

Battlefield V

Производительность в обычном режиме и при самой простой трассировке (DXR Low) различается на 52–55%. Это серьезное падение fps, но для GeForce RTX 2080 Ti не критичное. Флагман NVIDIA выдает до 66 fps даже при максимальном качестве трассировки, и это в сложной тестовой сцене с множеством луж. На более простых локациях производительность будет еще выше.

В 4K задействованы режимы с трассировкой и DLSS.

В максимальном разрешении падение производительности при переходе к DXR Low менее 50%. Если сравнивать начальную производительность с DXR Ultra, то разница 86–98%! И в 4K тестовая видеокарта справляется с трассировкой при низких результатах — от 50 fps в простых режимах до 40 fps в качественных. С учетом просадок до меньших значений становится ясно, что 4K с качественной трассировкой GeForce RTX 2080 Ti не по силам. Но если выбрать простой режим и использовать разгон, то можно комфортно пройти одиночные миссии. Для сетевой игры, где скорость реакции и высокий fps играют важную роль, придется ограничиться форматом 1440p.

DLSS обеспечивает хорошее ускорение при любых настройках трассировки. Если качество DXR на минимуме, то DLSS обеспечивает буст 20–30%, а в самом тяжелом режиме 36–41%. Также стоит отметить минимальную разницу в результатах между низким и средним качеством трассировки. Такой же небольшой зазор между высоким и максимальным уровнем DXR.

Shadow of the Tomb Raider

Игра позволяет использовать DLSS в любых режимах под DirectX 12, даже без активации трассировки и вплоть до разрешения 1920x1080.

В разрешении 1440p падение производительности при среднем RTX на уровне 15–28%, при максимальном качестве 60–90%. Но даже при столь значительном снижении fps флагман NVIDIA достойно вытягивает игру. Ускорение от DLSS достигает 24–33% в самом тяжелом режиме.

Средний результат в обычном режиме ниже 60 fps, а трассировка выводит производительность на совсем неприемлемый уровень — вплоть до 35 fps при RTX Ultra. В определенных сценах будет настоящее слайд-шоу с 25 кадрами. Тут не обойтись без DLSS, которое обеспечивает ускорение 43–53% в простом режиме и 51–64% в самом тяжелом режиме.

Anthem

Завершим обзор кратким сравнением производительности в Anthem. Выбрано только формат 4K, поскольку в более низких разрешениях тестовая видеокарта сразу обеспечивает высокий fps.

Ускорение от DLSS тут на уровне 32–40%

Выводы

Внедрение трассировки лучей является важным этапом в игровой индустрии. Технология позволяет повысить реализм компьютерной графики благодаря более корректному просчету освещения и затенения. На данном этапе применение трассировки возможно лишь для улучшения некоторых эффектов, что может не менять восприятие картинки в целом. И графика в современных играх уже на таком уровне, что более продвинутый метод рендеринга не всегда дает явные изменения в каких-то визуальных нюансах. Самым ярким примером является Battlefield V. Для игры заявлены отражения на базе трассировки, но кроме банальных луж мы видим изменения в рендеринге всех блестящих поверхностей. На отдельных локациях это обеспечивает новое восприятие картинки и расширяет визуальные впечатления, на пустынных локациях вы этого никак не ощутите. С учетом того, что в игре преобладают карты с мокрыми поверхностями, лужами и каналами, после перехода на трассировку возвращаться в простой режим уже не хочется. Если говорить о Shadow of the Tomb Raider, то в отдельные моменты наблюдается полноценный вау-эффект от игры света и скачущих теней вокруг костра. Но улучшение детализации теней от солнца воспринимается сдержанно, это тот случай, когда нюансы надо выискивать с лупой.

В любом случае трассировка лучей повышает качество графики и реализм изображения. Целесообразность данной технологии упирается только в потенциал видеокарты. Активация самого простого режима трассировки уже серьезно снижает производительность, а при максимальном качестве возможно двукратное падение fps. Для DXR/RTX нужны топовые видеокарты семейства GeForce RTX. Флагман GeForce RTX 2080 Ti легко справляется с трассировкой в разрешении 2560x1440, но в 4K ему приходится очень тяжело. Сочетание простых настроек DXR/RTX с разгоном видеокарты улучшит ситуацию. По личному опыту могу сказать, что на GeForce RTX 2080 Ti комфортно проходятся все сюжетные миссии Battlefield V. И трассировка низкого уровня уже обеспечит самые явные изменения в отражениях. Но для сетевых баталий в любом случае придется выбирать более низкое разрешение 2560x1440.

Для ускорения производительности с трассировкой на видеокартах GeForce RTX можно использовать технологию DLSS. Этот метод рендеринга обеспечивает наибольшее ускорение в тяжелых режимах, где прирост частоты кадров может достигать 50%. DLSS неплохо компенсирует падение fps от трассировки, но снижает резкость и четкость картинки. DLSS — это компромисс между качеством и производительностью. И необходимость данной технологии тоже упирается в производительность вашей системы. Если видеокарта позволяет играть в выбранном разрешении с трассировкой, то DLSS не нужен. Если видеокарта не вытягивает трассировку, но вы хотите играть только с RTX — придется активировать DLSS.

Качество картинки DLSS в разных играх может различаться. Если в Battlefield V и Shadow of the Tomb Raider мы явно фиксируем определенное замыливание, то в Anthem изменения минимальны. Если хотите играть в Anthem при 4K на видеокартах слабее GeForce RTX 2080 Ti — смело включайте DLSS. Все сказанное относится к разрешению 3840x2160. Как уже было отмечено выше, изначально технология рассчитана на 4K, в меньших разрешениях при меньшем количестве входных данных потери в качестве будут возрастать.