RayTracing a DLSS – budúcnosť hier alebo len vízia spoločnosti NVIDIA?

Momentálne sú to už 2 roky čo spoločnosť NVIDIA uviedla na trh svoju generáciu grafických procesorov TURING, ktoré urobili veľký krok v grafike – priniesli prácu so svetelnými lúčmi aj do sveta hier v reálnom čase. Z tohto dôvodu sa spoločnosť rozhodla oddeliť názvy grafických kariet na RTX a GTX, pričom len rada RTX podporuje „ray-tracingovú“ hardvérovú akceleráciu prostredníctvom tzv. RT jadier.

Zaujímavou ale nie príliš vydarenou technológiou v Turingu bola tzv. Deep Learning Super Sampling, skrátene DLSS. Pôvodne vyšla v hrách Battlefield V a Metro Exodus. NVIDIA neskôr priznala, že ranná verzia 1.0 bol len akési „polofunkčné“ demo, kedy táto technika mierne navyšovala výkon. Tento rok v apríli, bola uvedená verzia na DLSS 2.0 LT2, pričom konečne prišiel zlom. DLSS 2.0 sa ukázala v lepšom svetle a taktiež prečo je to momentálne najlepšia technika pre zvyšovanie výkonu kariet, resp. zobrazovaných snímok.

Úvod

Aby sme pochopili prečo vzniklo DLSS, uveďme jednoduchý príklad. FULL HD rozlíšenie má 1920×1080 bodov, čo je 2 073 600 obrazových bodov, teraz si predstavte, že potrebujete týchto snímkov  spočítať ideálne 60 za sekundu, t.j. grafická karta musí byť schopná vypočítať a zobraziť 124 416 000 bodov za sekundu! 2k rozlíšenie sa uvádza pre 2560×1440 bodov, čo je 3 686 400 bodov alebo 221 184 000 bodov pri 60 snímkov za sekundu. Nárast nie je teda 2-násobný ale i tak o 45% väčší. To znamená, že keď si odmyslíme rôzne techniky na vypočítanie snímkov (napr. Z-buffer...) potrebujeme minimálne o 40% vyšší výkon pri zachovaní rovnakých podmienok na kvalitu, v tomto prípade 60 FPS. 4K rozlíšenie je 4-násobok FHD rozlíšenia a na základe tejto analógie by sme potrebovali až o 400% vyšší výkon. Ak sa k tomu pridá technika RayTracingu, ktorá ako už bolo dokázané, má enormné nároky na výkon, tak máme problém.

RayTracing je technika renderovania obrazu prostredníctvom lomu lúčov svetla v podaní pixelov. To umožňuje výrazne posunúť kvalitu PC renderovania, ktorá už hraničí so správaním sa svetla v reálnom svete. Táto technika je známa už vyše 30 rokov a používa sa v profi sfére. Avšak doteraz až na pár experimentov nebolo možné renderovať scény v reálnom čase. To umožnila až nová generácia grafík RTX na báze Turingu. Najvýraznejšie zmeny sú v oblasti tieňov a ich lomu v závislosti od uhla, odrazov objektov vo vode, na skle, v zrkadle či pri renderovaní slnka, dymu a ohňa. Posun obrazu je pomerne drastický a popravde ak už niektorú hru skúsite s dobre implementovaným RayTracing vs hra bez RayTracingu - rozdiel je nielen markantný, ale hra bez RT vyzerá až hrozivo svetelne „mŕtvo“ alebo plasticky jednofarebne. Porovnal by som to ako skok medzi 60 a 120 Hz monitorom.

roztrasené textúry (pred a po uplatnení DLSS antialiasingu)

Ako som už spomínal, RayTracing má dnes určite limitácie zo strany grafických kariet – ich samotný výkon. Už dnes je jasné, že implementácia RayTracingu sa bude v hrách zvyšovať a techniku bude podporovať aj nová generácia kariet od konkurencie a taktiež aj nová generácia konzol. RayTracing sa teda dnes už využíva ale do akej miery, závisí len a len od vývojárov a dostupných prostriedkov. NVIDIA sa tento problém (s výkonom) pokúsila vyriešiť a nazvala ho DLSS.

Deep Learning Supler Sampling je technika počítania scény v nižšom rozlíšení, aplikovanie vyhladzovania obrazu a jeho upscaling do vyššieho rozlíšenia. Vo verzii 2.0 NVIDIA výrazne zapracovala na technike, čo prinieslo minimálny dopad na kvalitu obrazu ale ohromný dopad na výkon. V praxi to znamená, že ak hru s DLSS spustíte, tak sa scéna štandardne renderuje v rozlíšení 1920×1080 alebo vyššom / nižšom (v závislosti od rozhodnutia NVIDIA), avšak dostanete obraz blízky vášmu pôvodnému rozlíšeniu. Ak teda hru spustíte v 4K rozlíšení, hra sa renderuje napr. vo FHD, vyhladí sa obraz a aplikuje DLSS a upscaluje do rozlíšenia blízko 4K. U vybraných hier je možné „resolution scaler“ meniť, dúfam, že do budúcna budú väčšie možnosti nastavenia. Pridružená technika ku DLSS je Adaptive Shading, čo je vyostrenie hrán v uhle viditeľného obrazu. V praxi väčšinou ostríte pri pohybe scénou na stred obrazovky a nie sa samotné rohy. Vďaka tomu, môže byť scéna v rohoch pri pohybe v nižšom rozlíšení a získa sa tu nejaký extra výkon.

DLSS 2.0 je založená na neurálnej sieti, ktorá beží na superpočítačoch NVIDIA, kde tieto superpočítače pred počítajú jednotlivé scény a vytvoria algoritmus/šablónu pre čo najpresnejšiu scénu. Superpočítač spočíta ako majú scény vyzerať a kde čo a ako vyostriť. Tieto údaje sa potom vkladajú do ovládača grafickej karty a samozrejme samotnej hry. Deep machine learning sieť (ala neurálna sieť DLSS) potom porovná renderovanú scénu v nízkom rozlíšení s pôvodnom vzorkou, aplikuje vyhladenie a filter a dostaneme výsledný obraz. Pohybové vektory nám určia akým smerom sa hýbu objekty v scéne pre jednotlivé snímky a ako má nasledujúci snímok vlastne vyzerať. Najjednoduchšie si to predstavte tak, že pri zapnutom DLSS počíta scénu superpočítač NVIDIA DGX-1 a vaša grafická karta je len výkonným zobrazovadlom, ktorý porovnáva vzorku a render v reálnom čase. Poďme na testy a testy kvality obrazu.