چرا Ray Tracing فریم ریت بازی را کاهش میدهد؟ (راهکارهای بهینهسازی)
فناوری شبیهسازی فیزیکی نور تحول بسیار بزرگی در دنیای بازیهای ویدیویی ایجاد کرد. با این حال، مشکل کاهش فریم ریت با رهگیری پرتو همواره گیمرها را به چالش میکشد. بسیاری از کاربران پس از روشن کردن این ویژگی، افت عملکرد شدیدی را در سیستم خود تجربه میکنند. برای غوطهوری کامل در اتمسفر بازی، یک هدفون و هندزفری باکیفیت به شما کمک شایانی خواهد کرد. اگرچه یک کامپیوتر اداری معمولی توانایی پردازش این فناوری سنگین را ندارد. برای اجرای روان بازیها با این فناوری به یک لپ تاپ، تبلت و کامپیوتر قدرتمند نیاز دارید. جهت بهبود عملکرد سیستم نیز باید سخت افزار و قطعات مناسب و قوی را انتخاب کنید. امروزه حتی هر کنسول بازی نسل جدید نیز از این ویژگی جذاب پشتیبانی میکند. شما میتوانید برای خرید انواع کارتهای گرافیک استوک و کارکرده به فروشگاه پیاس پیسی مراجعه کنید. فروشگاه ما در کنار تجهیزات گیمینگ، انواع لوازم جانبی موبایل را نیز با کیفیت عالی عرضه میکند.
چرا فناوری رهگیری پرتو سنگین است؟
در روش سنتی شطرنجیسازی، کارت گرافیک اجسام سه بعدی را به پیکسلهای دو بعدی تبدیل میکند. این روش سرعت بسیار بالایی دارد. اما بازتابها و سایهها را به صورت تقریبی شبیهسازی میکند. در مقابل، فناوری رهگیری پرتو مسیر فیزیکی نور را در محیط شبیهسازی میکند. این الگوریتم میلیونها پرتو مجازی را از دوربین به سمت اشیاء شلیک میکند. سپس بازتاب، شکست و جذب نور را در هر نقطه محاسبه میکند. این محاسبات ریاضی حجم فوقالعاده سنگینی از پردازش را به پردازنده گرافیکی تحمیل میکند.
دلایل فنی کاهش فریم ریت با رهگیری پرتو
برای درک علت افت شدید فریم ریت، باید به معماری پردازندههای گرافیکی نگاه دقیقتری بیندازیم. در ادامه دلایل فنی اصلی این موضوع را تحلیل میکنیم.
تراورس سلسلهمراتب حجمهای محصورکننده (بیویاچ)
هنگام اجرای بازی، میلیونها مثلث در صحنه وجود دارد. بررسی برخورد هر پرتو با تکتک این مثلثها غیرممکن است. برای حل این مشکل، توسعهدهندگان از ساختار درخت سلسلهمراتب حجمهای محصورکننده استفاده میکنند. این ساختار هندسه بازی را درون جعبههای بزرگتر بستهبندی میکند. پردازنده ابتدا برخورد پرتو با این جعبهها را بررسی میکند. جستجو در میان این درخت ساختاری را تراورس مینامند. تراورس این درخت بزرگ، پهنای باند حافظه ویدیویی را به شدت مصرف میکند. همچنین تاخیر در دسترسی به حافظه، هستهها را معطل نگه میدارد. این تاخیر طولانی سرعت تولید فریمها را کاهش میدهد.
انحراف پرتوها و آشفتگی در اجرای شیدرها
پردازندههای گرافیکی کار خود را بر پایه موازیسازی انجام میدهند. آنها بستههای بزرگی از کارهای مشابه را همزمان پردازش میکنند. در روشهای سنتی، پیکسلهای همسایه رفتاری مشابه دارند. اما در رهگیری پرتو، پرتوهای نوری پس از برخورد به جهات کاملاً متفاوتی حرکت میکنند. یکی به سمت آسمان میرود و دیگری به فلز برخورد میکند. این رفتار نامنظم، همگامسازی محاسبات را به هم میریزد. در نتیجه، بسیاری از هستههای پردازشی بدون فعالیت منتظر میمانند. مهندسان این پدیده را انحراف پرتوها مینامند که کارایی سیستم را پایین میآورد.
محاسبات سنگین برخورد پرتو با مثلثها
هر شیء در بازیهای امروزی هزاران مثلث کوچک را در خود جای داده است. وقتی پرتو از میان جعبههای راهنما عبور میکند، باید نقطه دقیق برخورد را بیابد. محاسبه ریاضی برخورد خط با صفحه مثلثی در فضای سه بعدی، فرمولهای پیچیدهای دارد. حتی قویترین هستههای اختصاصی نیز در پردازش این حجم از دادههای هندسی محدودیتهای جدی دارند. کارتهای گرافیک برای این محاسبات زمان زیادی نیاز دارند.
نویززدایی و پردازشهای سنگین پس از رندر
برای داشتن تصویر شفاف بدون نویز، به صدها پرتو برای هر پیکسل نیاز داریم. اما پردازش این تعداد پرتو در بازیهای بلادرنگ غیرممکن است. سازندگان بازی معمولاً تنها یک یا دو پرتو برای هر پیکسل ارسال میکنند. این کار تصویری بسیار نویزدار تولید میکند. بنابراین، سیستم باید از فیلترهای نویززدایی هوشمند استفاده کند. این الگوریتمها با تحلیل فریمهای قبلی تصویر را بازسازی میکنند. اجرای این فیلترهای نویززدایی هوش مصنوعی، بار پردازشی اضافهای روی هستهها میگذارد.
تاثیر رهگیری پرتو بر سختافزارهای مختلف
کارتهای گرافیک مدرن هستههای اختصاصی برای ردیابی نور دارند. اما کارتهای قدیمیتر این محاسبات را با هستههای معمولی شبیهسازی میکنند. این موضوع افت فریم فاجعهباری را برای سیستمهای قدیمی به همراه میآورد. همچنین، کنسولهای بازی سختافزار ضعیفتری نسبت به کامپیوترهای گیمینگ پیشرفته دارند. به همین دلیل سازندگان روی کنسولها رزولوشن یا نرخ فریم را فدای این جلوه بصری میکنند. فشار ناشی از پردازش نور، دمای رایانه شما را به شدت افزایش میدهد. بنابراین استفاده از پایههای خنککننده مناسب برای لپتاپها ضروری است.
راهکارهای بهینهسازی فریم ریت با فعال بودن رهگیری پرتو
با وجود سنگینی این فناوری، راهکارهای متعددی برای بهبود نرخ فریم بازیها وجود دارد. در ادامه موثرترین روشها را برای بهینهسازی سیستم معرفی میکنیم.
- استفاده از فناوریهای مقیاسدهی تصویر مانند نمونهبرداری فوقالعاده با یادگیری عمیق
- کاهش وضوح داخلی رندر بازی در تنظیمات گرافیکی
- محدود کردن افکتهای رهگیری پرتو به بخش بازتابها
- بروزرسانی مداوم درایور کارت گرافیک به آخرین نسخه
- ارتقای قطعات سختافزاری به نسلهای جدیدتر و بهینهتر
استفاده از فناوریهای مقیاسدهی تصویر (آپاسکیلینگ)
بزرگترین نجاتدهنده فریم ریت در بازیهای مدرن، فناوریهای مقیاسدهی هوشمند هستند. شرکت انویدیا با معرفی دیالاساس این مشکل را حل کرد. این فناوری بازی را در وضوح پایینتر رندر میکند. سپس هستههای هوش مصنوعی تصویر را به وضوح هدف بازسازی میکنند. نسل جدید این فناوری با تولید فریمهای مصنوعی، نرخ فریم را به شدت افزایش میدهد. شرکتهای دیگر نیز راهحلهای مشابهی ارائه میدهند. استفاده از این ابزارها بهترین راه برای جبران افت فریم است.
مدیریت افکتهای نورپردازی در تنظیمات گرافیکی بازی
بسیاری از بازیها به شما اجازه میدهند نوع افکتهای نوری را انتخاب کنید. رهگیری پرتو شامل بخشهای مختلفی مانند سایهها و نورپردازی سراسری است. نورپردازی سراسری سنگینترین بخش این محاسبات به شمار میرود. شما میتوانید با غیرفعال کردن این بخش، بار پردازش را به شدت کاهش دهید. در مقابل، فعال نگهداشتن بازتابها جلوه بصری بسیار زیبایی به بازی میبخشد. این کار تعادلی عالی میان کیفیت تصویر و عملکرد روان بازی ایجاد میکند.
ارتقا به قطعات بهینه و سختافزارهای نسل جدید
گاهی اوقات سختافزار قدیمی توانایی اجرای مناسب این ویژگیهای سنگین را ندارد. اگر بودجه محدودی دارید، بررسی بازار قطعات استوک و کارکرده ایده هوشمندانهای است. شما میتوانید کارتهای گرافیک قدرتمند نسلهای گذشته را با قیمتی مناسب تهیه کنید. این کارتها قدرت کافی برای اجرای افکتهای نوری متوسط را در اختیارتان میگذارند. همچنین ارتقای رم سیستم و استفاده از حافظههای اساسدی پرسرعت سرعت کار را بهبود میدهد. این کار به پردازنده گرافیکی کمک میکند تا سریعتر به دادههای درختی دسترسی پیدا کند.
تفاوتهای معماری پردازندههای گرافیکی در محاسبات پرتو
شرکتهای سازنده تراشه معماری متفاوتی را برای این پردازش سنگین طراحی کردهاند. انویدیا در کارتهای خود از هستههای اختصاصی بهره میبرد. این هستهها وظیفه محاسبات برخورد پرتو و تراورس ساختار درختی را بر عهده دارند. در نسلهای جدید، انویدیا قابلیت سازماندهی مجدد اجرای شیدر را معرفی کرد. این قابلیت تردها را پیش از اجرا مرتب میکند تا کارایی افزایش یابد. در سمت مقابل، ایامدی از شتابدهندههای پرتو استفاده میکند. این شتابدهندهها به پردازنده اصلی کارت وابستگی بیشتری دارند. به همین دلیل کارتهای انویدیا معمولاً در این پردازشها عملکرد بهتری نشان میدهند.
نقش حافظه و پهنای باند در پردازش بلادرنگ پرتوها
حافظه گرافیکی با سرعت بالا نقش بسیار حیاتی در پایداری نرخ فریم دارد. همانطور که گفتیم، ساختار درختی هندسه بازی فضای زیادی را در حافظه اشغال میکند. اگر کارت گرافیک شما حافظه ویدیویی کمی داشته باشد، فریم ریت بازی به شدت کاهش مییابد. سیستم ناچار است دادههای اضافی را به حافظه اصلی رایانه بفرستد. این انتقال داده سرعت کار پردازنده گرافیکی را پایین میآورد. بنابراین داشتن کارت گرافیک با حافظه کافی برای اجرای بازیهای مدرن الزامی است. همچنین، پهنای باند این حافظه باید پاسخگوی درخواستهای مکرر هستهها باشد.
آینده فناوری رهگیری پرتو در دنیای بازیها
بسیاری از متخصصان عقیده دارند که این فناوری در آینده جایگاه استاندارد اصلی بازیها را میگیرد. با پیشرفت سختافزارها، هزینه پردازشی این ویژگی کاهش خواهد یافت. توسعهدهندگان بازیها اکنون موتورهای خود را بر پایه شبیهسازی کامل نور طراحی میکنند. این کار زمان توسعه بازی را به شدت کاهش میدهد. زیرا آنها دیگر نیازی به قرار دادن دستی منابع نور ندارند. در آینده هوش مصنوعی نقش پررنگتری را در بازسازی تصاویر ایفا خواهد کرد. ما احتمالاً شاهد بازیهایی خواهیم بود که موتورهای گرافیکی آنها را کاملاً با این روش رندر میکنند. این جهش بزرگ، مرز بین واقعیت و دنیای مجازی را از بین میبرد.
بهروزرسانی ساختار هندسی بازی در هر فریم
در بازیهای پویا، کاراکترها و اشیاء به طور مداوم حرکت میکنند. حرکت اشیاء به این معنی است که موقعیت مثلثهای سازنده تغییر میکند. بنابراین، ساختار سلسلهمراتب حجمهای محصورکننده دیگر معتبر نیست. سیستم باید در هر فریم این ساختار درختی را دوباره بسازد یا آن را اصلاح کند. اصلاح ساختار درختی پردازش بسیار سنگینی را به همراه دارد. این فرآیند مداوم بازسازی، بخش زیادی از توان پردازشی سیستم را به خود اختصاص میدهد. این موضوع یکی از دلایل اصلی افت ناگهانی عملکرد در صحنههای شلوغ است.
نویززدایی با کمک هوش مصنوعی و بازسازی پرتو
پیش از این، نویززدایی معمولی جزئیات دقیق تصاویر را از بین میبرد. این فیلترها مرزهای اشیاء را تار میکردند تا نویزها به چشم نیایند. اما انویدیا با معرفی فناوری بازسازی پرتو در نسخههای جدید دیالاساس انقلابی ایجاد کرد. این فناوری از یک شبکه عصبی هوش مصنوعی آموزشدیده استفاده میکند. این شبکه یاد گرفته است که چگونه نویزها را بدون از دست رفتن جزئیات برطرف کند. در نتیجه، سیستم بازتابها را شفافتر و سایهها را دقیقتر از همیشه ترسیم میکند. بازسازی پرتو به جای کاهش عملکرد، فریم ریت را نیز کمی بهبود میدهد. زیرا بار پردازشی نویززدای سنتی را از روی دوش پردازنده گرافیکی برمیدارد.
اهمیت وضوح تصویر در نرخ فریم بازی
وضوح تصویر مانیتور شما رابطه مستقیمی با تعداد پرتوهای ارسالی دارد. در وضوح فورکی، بیش از هشت میلیون پیکسل روی صفحه وجود دارد. اگر برای هر پیکسل تنها یک پرتو شلیک کنیم، باید هشت میلیون پرتو را در هر ثانیه شصت بار محاسبه کنیم. این یعنی محاسباتی با ابعاد میلیاردها عملیات ریاضی در ثانیه! اما در وضوح فولاچدی، تعداد پیکسلها به حدود دو میلیون کاهش مییابد. در نتیجه، فشار پردازشی روی کارت گرافیک به طرز چشمگیری کاهش مییابد. یکی از راهکارهای ساده برای گیمرها، کاهش رزولوشن بازی به همراه فعال کردن این جلوه نوری است.
تفاوت پردازش سختافزاری و نرمافزاری رهگیری پرتو
برخی از بازیها از موتورهای گرافیکی با قابلیت شبیهسازی نرمافزاری نور استفاده میکنند. به عنوان مثال، موتور آنریل انجین ۵ با فناوری لومن این کار را انجام میدهد. لومن همزمان از روشهای نرمافزاری و سختافزاری برای محاسبه نور استفاده میکند. روش نرمافزاری فشار کمتری به کارت گرافیک وارد میکند. این روش روی کارتهای گرافیکی بدون هسته اختصاصی نیز به خوبی کار میکند. اما کیفیت آن به پای شبیهسازی سختافزاری کامل نمیرسد. شبیهسازی سختافزاری جزئیات بسیار ریزتری از هندسه بازی را منعکس میکند. با این حال، انتخاب روش نرمافزاری میتواند فریم ریت شما را نجات دهد.
تاریخچه توسعه فناوری شبیهسازی نور از هالیوود تا دسکتاپ گیمرها
بسیاری از مردم فکر میکنند این فناوری یک ایده کاملاً جدید است. اما مهندسان کامپیوتر در سال ۱۹۸۰ اصول اولیه ردیابی نور را تعریف کردند. برای دههها، استودیوهای بزرگ هالیوود از این روش در انیمیشنها استفاده میکردند. رندر کردن هر فریم از فیلمهای سینمایی ساعتها یا روزها طول میکشید. زیرا ابرکامپیوترهای قدرتمند محاسبات نوری را با سرعت بسیار پایینی انجام میدادند. رندر بلادرنگ در بازیها تا چند سال پیش یک رویای دستنیافتنی به نظر میرسید. اما پیشرفت خارقالعاده سختافزارها این رویا را به واقعیت تبدیل کرد. انویدیا با معرفی معماری تورینگ تحول عظیمی را در بازار سختافزار رقم زد. این معماری برای نخستین بار هستههای اختصاصی محاسبات نور را به خانه گیمرها آورد.
بررسی پدیده گلوگاه پردازنده مرکزی در فعالسازی شبیهسازی نور
هنگامی که این فناوری سنگین را فعال میکنید، پردازنده مرکزی نیز به شدت درگیر میشود. بسیاری از گیمرها گمان میبرند که پردازنده گرافیکی تمام کارها را انجام میدهد. اما پردازنده مرکزی باید کارهای مقدماتی مهمی را به سرانجام برساند. این پردازنده وظیفه سازماندهی دادههای درختی هندسه بازی را بر عهده دارد. هر بار که شیئی در بازی حرکت میکند، پردازنده باید درخت اطلاعات را بهروزرسانی کند. اگر پردازنده مرکزی ضعیف باشد، نمیتواند دادهها را با سرعت بالا ارسال کند. این موضوع یک گلوگاه سختافزاری شدید در سیستم شما ایجاد میکند. در نتیجه، کارت گرافیک گرانقیمت شما بدون استفاده و معطل دادهها باقی میماند. پس ارتقای پردازنده مرکزی همراه با کارت گرافیک اهمیت بسیار زیادی دارد.
تأثیر رهگیری پرتو بر اجرای بازیهای واقعیت مجازی (VR)
اجرای بازیهای واقعیت مجازی به شدت حساس به نرخ فریم است. هرگونه افت فریم در عینکهای واقعیت مجازی باعث سرگیجه شدید کاربر میشود. در این محیطها، سیستم باید تصاویر را برای هر دو چشم به صورت جداگانه رندر کند. این یعنی بار پردازشی رندر تصاویر به طور خودکار دو برابر است. حال اگر فناوری شبیهسازی نور را به این فرآیند اضافه کنیم، فاجعه رخ میدهد. سیستم باید میلیاردها پرتو نوری را برای هر دو چشم به طور جداگانه ردیابی کند. به همین علت، ما فعال کردن این جلوه نوری را در بازیهای واقعیت مجازی پیشنهاد نمیکنیم. سختافزارهای امروزی هنوز قدرت کافی برای پردازش همزمان این دو فناوری سنگین را ندارند.
روشهای نویززدایی سنتی در مقابل بازسازی پرتو هوش مصنوعی
روشهای نویززدایی سنتی از فیلترهای ریاضی ساده برای نرم کردن تصویر استفاده میکردند. این فیلترها تفاوت رنگ پیکسلهای مجاور را محاسبه میکردند. سپس با ادغام آنها، نویزهای تصویر را کاهش میدادند. اما این روش جزئیات ظریف مانند بافت دیوارها یا قطرات باران را از بین میبرد. تصویر نهایی در این حالت کمی کدر و غیرواقعی جلوه میکرد. در مقابل، بازسازی پرتو با کمک یادگیری عمیق این کار را هوشمندانهتر انجام میدهد. هوش مصنوعی میلیونها تصویر باکیفیت را از قبل تحلیل کرده است. این شبکه عصبی میداند که نور واقعی در محیط چگونه پخش میشود. بنابراین به جای تار کردن تصویر، جزئیات واقعی را به صحنه بازمیگرداند. این تحول بزرگ، کیفیت بصری بازیها را به سطح جدیدی رسانده است.
نتیجهگیری
فناوری رهگیری پرتو دنیای بازیهای ویدیویی را زیباتر از همیشه کرده است. با این حال محاسبات سنگین هندسی و فیزیکی فریم ریت سیستم را کاهش میدهد. با استفاده از روشهایی مانند کاهش رزولوشن، فعال کردن ابزارهای هوش مصنوعی و مدیریت تنظیمات بازی میتوان این مشکل را برطرف کرد. ارتقای سختافزار به قطعات نوین بهترین روش برای لذت بردن از این فناوری بدون افت کارایی است.
