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.

Трассировка лучей

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.

Трассировка лучей в Battlefield V
Трассировка лучей в Battlefield V
Трассировка лучей в Battlefield V

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 лучей в Battlefield V
Трассировка лучей в Battlefield V
Трассировка лучей в Battlefield V

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.

Трассировка лучей в Battlefield V

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

Трассировка лучей в Battlefield V
Трассировка лучей в Battlefield V

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 лучей в Shadow of the Tomb Raider

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.

Трассировка лучей в Shadow of the Tomb Raider
Трассировка лучей в Shadow of the Tomb Raider

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 лучей в Shadow of the Tomb Raider
Трассировка лучей в Shadow of the Tomb Raider

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.

Трассировка лучей в Shadow of the Tomb Raider

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

Трассировка лучей в Shadow of the Tomb Raider

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.

Трассировка лучей в Shadow of the Tomb Raider

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.

Трассировка лучей в Shadow of the Tomb Raider

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).

NVIDIA DLSS в Anthem и других играх
NVIDIA DLSS в Anthem и других играх

И для наглядности сравнение одинакового фрагмента.

NVIDIA DLSS в Anthem и других играх

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.

NVIDIA DLSS в Anthem и других играх

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:

NVIDIA DLSS в Anthem и других играх

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.

NVIDIA DLSS в Anthem и других играх
NVIDIA DLSS в Anthem и других играх

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

NVIDIA DLSS в Anthem и других играх

Взглянем на Shadow of the Tomb Raider с DLSS.

NVIDIA DLSS в Anthem и других играх
NVIDIA DLSS в Anthem и других играх

Лучше оценить нюансы позволит нижний слайд.

NVIDIA DLSS в Anthem и других играх

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

Трассировка лучей и DLSS в играх

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.

Трассировка лучей и DLSS в играх

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.

Трассировка лучей и DLSS в играх

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.

Трассировка лучей и DLSS в играх

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.

Трассировка лучей и DLSS в играх

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.

Находим избытки, применяем с умом!