اگر علاقه‌مند بازی‌های ویدیویی هستید و به طور منظم آن‌ها را انجام می‌دهید، یا اگر هر یک از فیلم‌های انیمیشن پیکسار یا دیزنی را در چند سال گذشته تماشا کرده باشید، پس قبلاً بدون اینکه متوجه شوید، رهگیری پرتو را در عمل دیده‌اید!
اصطلاح «رهگیری پرتو» در حدود دو سال گذشته سر و صدای زیادی در صنعت بازی ایجاد کرده و از این فناوری به عنوان آینده گرافیک در بازی‌های ویدیویی یاد می‌شود. بنابراین، سؤالی که ممکن است برای شما هم پیش آمده باشد این است که رهگیری پرتو چیست، چگونه کار می‌کند و چرا اینقدر مهم است؟
در ادامه این مقاله با ما در دیجی رو همراه باشید تا پاسخ این سؤال‌ها را بیابید.
رهگیری پرتو (Ray Tracing) چیست؟
رهگیری پرتو یک روش رندر گرافیکی است که از الگوریتم‌هایی ویژه برای محاسبه نور و سایه در بازی‌های ویدیویی استفاده می‌کند.
اجازه دهید با یک مثال ساده و ابتدایی، مفهوم رهگیری پرتو را توضیح دهیم. وقتی به یک شیء در اتاق خود، مثلاً یک لیوان نگاه می‌کنید، نور مستقیماً از لیوان به چشم شما می‌تابد و مغز شما متوجه می‌شود جسمی که روبروی شما قرار گرفته یک لیوان است. اکنون، چشمان خود را از لیوان حرکت دهید تا منبع نور اتاق خود را پیدا کنید. این کار یعنی رهگیری پرتو.
در بازی‌های ویدیویی سه بعدی که این روزها شاهدشان هستیم، الگوریتم رهگیری پرتو از زاویه دید بازیکن شروع می‌شود و به دنبال ردیابی، شناسایی و ترسیم نور، رنگ‌ها و سایه‌های اشیاء مختلف موجود در صحنه است.
در نتیجه، گرافیک‌های تولید شده از طریق رهگیری پرتو دارای لبه‌های نرم‌تری بوده و واقعی‌تر به نظر می‌رسند.
دوران پیش از ظهور رهگیری پرتو
اگر می‌خواهید بدانید که تصاویر متحرک قبل از رهگیری پرتو چه شکلی بودند، کافی است نگاهی به بازی‌های ویدیویی ساخته شده در اوایل دهه 2000 بیندازید و آن‌ها را با عناوین بازی‌های ویدیویی تراز اول فعلی مقایسه کنید.
در گرافیک کامپیوتری سنتی از روشی به نام شطرنجی‌سازی استفاده می‌شد که در آن منابع نور سه بعدی به یک سطح دو بعدی تبدیل می‌شدند. چند ضلعی‌های سه بعدی به پیکسل‌های دو بعدی ترجمه می‌شدند و این روش همیشه خوب پیش نمی‌رود، زیرا شما مجبور بودید اساساً یک شی پیچیده با سطوح زیاد را روی یک سطح صاف پیاده‌سازی کنید.
علاوه بر این، رایانه‌های سنتی به اندازه کافی قدرتمند نبودند که بتوانند با پیشرفت بازی‌های ویدیویی همگام شوند. اگرچه پیشرفت‌های زیادی در شطرنجی‌سازی انجام شده است، به عنوان مثال، وقتی صحبت از بازی‌های تیراندازی اول شخص سریع به میان می‌آید، روش شطرنجی‌سازی در مقایسه با رهگیری پرتو کارآمدتر است.
رهگیری پرتو چگونه کار می‌کند؟
با اینکه مفهوم رهگیری پرتو بسیار ساده و هیجان انگیز به نظر می‌رسد، اما تکنیک پیاده‌سازی آن اصلاً آسان نیست. بنابراین، رهگیری پرتو چگونه کار می‌کند؟
رهگیری پرتو فرآیندی به نام «حذف نویز» را انجام می‌دهد، که در آن الگوریتم کار خود را از دوربین شروع می‌کند (یعنی از زاویه دید بازیکن) و مهم‌ترین پرتوهای نور و سایه‌ها را ردیابی و مشخص می‌کند. با استفاده از یادگیری ماشین، خلأها و شکاف‌ها را پر می‌کند تا تصویری واقعی از نور ایجاد کند.
بنابراین، هر چه صحنه در یک بازی ویدیویی روشن‌تر باشد، کیفیت گرافیک بالاتر است و هر چه کیفیت بالاتر باشد، هزینه تولید بازی هم بیشتر خواهد بود. در واقع، همین افزایش هزینه‌ها باعث شد تا رهگیری پرتو ورود دیرهنگامی به صنعت بازی‌های ویدیویی داشته باشد.
چرا مدت‌ها کسی به سراغ رهگیری پرتو نرفت؟
باید بدانید که رهگیری پرتو تکنیک جدیدی نیست. هالیوود مدت‌ها قبل از اینکه این فناوری به صنعت بازی‌های ویدیویی راه پیدا کند، از رهگیری پرتو در انیمیشن‌ها استفاده می‌کرد. انیمیشن سال 2013 پیکسار با نام «دانشگاه هیولاها» (Monsters University) در واقع اولین فیلم انیمیشنی بود که از فناوری رهگیری پرتو برای تمام نورها و سایه‌ها استفاده کرد. پس چرا رهگیری پرتو اینقدر دیر به بازی‌های ویدیویی راه پیدا کرد؟
اولاً، از نظر مکانیکی، رهگیری پرتو نیاز به محاسبات بسیار زیاد و پیچیده‌ای دارد. استفاده از فناوری رهگیری پرتو در یک فیلم اکشن استاندارد 90 دقیقه‌ای با 24 فریم در ثانیه در حال حاضر بسیار وقت گیر است. انیماتورها می‌توانند روزها یا هفته‌ها را صرف یک صحنه کنند، بنابراین تصور کنید که رهگیری پرتو در یک بازی ویدیویی استاندارد با سرعت 60 فریم در ثانیه نیاز به چه سخت افزار قدرتمندی خواهد داشت.
علاوه بر این، همان‌طور که در بالا ذکر شد، رهگیری پرتو پرهزینه است. در واقع، جدا از اینکه پیاده‌سازی آن زمان‌بر است، بودجه بسیار زیادی هم می‌طلبد و به همین دلیل است که همیشه تنها شرکت‌های تولید فیلم بزرگ در هالیوود بوده‌اند که می‌توانستند رهگیری پرتو را به کار بگیرند. هزینه ساخت دانشگاه هیولاهای پیکسار 200 میلیون دلار بوده است و یا به عنوان مثالی دیگر می‌توان به داستان اسباب بازی 4 اشاره کرد که با هزینه‌ای در همین حدود در سال 2019 اکران شد.
قیمت کارت‌های گرافیک مدرن هم که از رهگیری پرتو بلادرنگ پشتیبانی می‌کنند از 400 دلار تا 3000 دلار متغیر است.
رهگیری پرتو در کجا استفاده می‌شود؟
رهگیری پرتو تقریباً در همه جای یک بازی ویدیویی استفاده می‌شود، به ویژه در کات سین‌ها یا همان میان پرده‌های داستانی. آیا تا به حال متوجه شده‌اید که شخصیت‌های بازی در کات سین‌ها بسیار واقعی‌تر و پرجزئیات‌تر به نظر می‌رسد؟ این در واقع همان تأثیری است که رهگیری پرتو در عمل دارد. بازی Control محصول سال 2019 یکی از بهترین نمونه‌های به‌کارگیری موفق رهگیری پرتو در یک بازی ویدیویی است.
به غیر از بازی‌های ویدیویی، رهگیری پرتو در بسیاری از صنایع نیز استفاده می‌شود. در معماری، رهگیری پرتو در برنامه‌های نرم افزاری برای مدل‌سازی سه بعدی ساختمان تعبیه شده است. این فناوری باعث می‌شود که تصور معمار از طراحی ساختمان واقعی‌تر از طرح‌های مفهومی طراحی‌شده با دست باشد و نور مدل‌سازی دقیق‌تر باشد. در مهندسی نیز از رهگیری پرتو برای اهداف مشابهی استفاده می‌شود.
توسعه دهندگان بازی و رهگیری پرتو
پس از خرید شرکت RayScale در سال 2008، انویدیا اولین شرکتی بود که رهگیری پرتو را به صورت تجاری وارد صنعت بازی‌های ویدیویی کرد. در سال 2018، کارت‌های گرافیک سری GeForce RTX این شرکت به مصرف کنندگان معرفی شدند و از آن زمان به بعد، بازی‌سازان بزرگ یکی یکی به سمت استفاده از رهگیری پرتو در بازی‌های خود روی آوردند.
در سال 2019، Epic Games و Utility Technologies اعلام کردند که موتورهای سخت افزاری آن‌ها اکنون پشتیبانی ذاتی از رهگیری پرتو را ارائه می‌دهند. در سال 2018 نیز مایکروسافت رهگیری پرتو را در DirectX 12، نرم افزار کلیدی چندرسانه‌ای و برنامه نویسی بازی خود برای ایکس باکس وان، ادغام کرد. در اوایل سال 2020، غول فناوری از DirectX 12 Ultimate رونمایی کرد که نسخه ارتقاء یافته‌تری از DirectX 12 بود.
رهگیری پرتو آینده بازی‌ها را شکل خواهد داد
در اصل، آنچه رهگیری پرتو نوید می‌دهد یک تجربه بصری با کیفیت بالا برای لذت بردن حداکثری از بازی‌ها است. رهگیری پرتو در بازی‌های ویدیویی هنوز در مراحل اولیه خود است، اما ورود آن به بازار آینده امیدوار کننده‌ای را برای این صنعت میلیارد دلاری نوید می‌دهد.
