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.

TEST

Na nasledujúcich obrázkoch si môžeme pozrieť DLSS rovno so zapnutým RayTracingom. Vplyv DLSS 2.0 na kvalitu obrazu je síce viditeľný ale pri pohybe scénou je absolútne minimálny. Aby ste videli rozdiel pred DLSS 2.0 a po aplikovaní, musíte prakticky vyrezať časť snímky. Zaujímavé je, že pri aplikovaní DLSS zmizli neduhy v podaní roztrasených čiar napr. na plote či mrežiach – antialiasing. Kvalita obrazu je veľmi vysoká. Zaujímavejší je ale vplyv na výkon. Nakoľko sa scéna renderuje vo FHD rozlíšení, má grafická karta viac voľných prostriedkov na výpočet uhla lomu svetla (RT).

Všimnite si jednotlivú ostrosť a jemnosť detailov - na guli či na oplotenia. Na guli sa viditeľne mení ostrosť odrazu tyče.

V teste som používal STRIX RTX2080 Super a testoval som 4K rozlíšení (natívne vs DLSS). Pri vypnutom DLSS (Performance mód) a zapnutom RTX v hre Deliver Us The Moon nám na statickej scéne vzrástlo FPS zo 63 až na 106 FPS, v inej scéne zase z 57FPS až na 98 FPS. Upozorňujem, že som nemeral priemerné FPS ale porovnával rovnakú scénu. Nárast výkonu som nameral až o 72%! Ešte zdôrazňujem, že sa mierne znížilo využitie GPU. Profitovať tak budú aj slabé procesory. V mojom prípade som testoval na AMD Ryzen 1600X@4GHz a pamäťami na 2800MHz.

Veľmi podobne to bolo v hre Wolfenstein: Youngblood, kde som v hernej scéne dosiahol 50 FPS s aktívnym RTX vs DLSS 2.0 Performance až 91 FPS. In-game benchmark Riverside mi bez RayTracingu podával priemerné FPS na úrovni 88 FPS, s aktívnym RTX 48 FPS a pri DLSS 2.0 až 92 FPS! Dokonca bola v tomto prípade ešte lepšie využívaná grafická karta. V móde DLSS 2.0 Quality som dosahoval stále pekných 71 FPS (s min prepadmi ku 61FPS).

Momentálne má DLSS 2.0 tri úrovne – Performance, Balanced and Quality. Jednotlivé výsledky vidíme v grafoch. Dôležité je, že pokiaľ pri vypnutom DLSS2.0 a zapnutom RTX máme obrovské prepady snímkov až ku 40 FPS, aktívne DLSS drží veľmi vysoké snímky po celú dobu. Rozdiel v kvalite medzi jednotlivými úrovňami je tiež značný a z môjho pohľadu by som určite volil medzi Balanced alebo Quality. Pri zohľadnení len minimálneho vplyvu na degradáciu obrazu, avšak za cenu nárastu výkonu o viac než 50% je DLSS 2.0 kľúčová renderovania technika súčasnosti pre zvyšovanie výkonu.

RTX off

RTX on

RTX off

RTX on

RTX off

RTX on

Oplatí sa aj pre slabšie karty? V tomto teste som sa pozrel na rozdiel vo výkone za použitia grafickej karty ASUS DUAL RTX 2060 Super. Tentokrát som vplyv na výkon testoval v hre Deliver Us The Moon.

Posledným testom je vplyv Adaptive Shading na výkon, ktorý pôvodne predstavila NVIDIA avšak v súčasnosti ho prebral pripravovaný štandard DirectX 12 Ultimate. NVIDIA tvrdí, že v určitých situáciách dokáže priniesť nárast výkonu až o 15%. V mojom prípade som nameral malý ale merateľný rozdiel.

Ako vidíme, tak raytracing rapídne znižuje snímkovú frekvenciu (spôsobuje veľké prepady). Vďaka DLSS je možné dostať sa nad 60 FPS (priemerné snímky), bez výrazných prepadov.

Nastavenie chromatickej aberácie má merateľný vplyv na výkon, na kvalitu obrazu som ale nenašiel žiadne rozdiely. Túto funkciu môžete kľudne vypnúť.

Potrebný hardvér?

V prvom rade chcem poďakovať spoločnostiam NVIDIA a ASUS za poskytnutie hardvéru na testovanie, vďaka ktorému mohol vzniknúť tento test. Do redakcie nám spoločnosti zaslala ultimátnu ROG Strix GeForce® RTX 2080 SUPER™ OC (ROG-STRIX-RTX2080S-O8G-GAMING).

Táto karta sa vyznačuje podľa zahraničných redakcií najlepším chladičom na trhu, ktorý využíva trojicu axiálnych ventilátorov. Len je nutné dať pozor, aby ste toto monštrum dali vôbec do skrinky – vyžaduje 2.7“ slota a až 30 centimetrov na dĺžku.

Počas testovania Heaven’s Benchmark som dosiahol maximálnu teplotu 65°C, resp. otáčky točili 51% (1859RPM) a v Superposition zase 62°C a ventilátory sa točili len na 49%. Maximálny dosahovaný takt je 2025MHz. Karta je aj pri maximálnej záťaži tichá, ale ak by vám to nestačilo ASUS si ešte pripravil funkciu duálneho BIOSu, kde je možné prepnúť medzi P-módom (performance) a Q-módom (tichý mód). Hlukomerom som grafickú kartu nebol schopný 100% zmerať, pretože kartu prehlušili ventilátory vodného chladenia CPU. V GPU teste v AIDA64 som nameral len 37.5dBA pri 100% vyťažení GPU. Pri malej záťaži karta samozrejme podporuje „0dB technology“, kedy úplne odstaví ventilátory. Toto sa deje približne do 50-53°C. V tichom režime dosahuje karta takt 2010 MHz, maximálna teplota je 78°C otáčky sú len na 1330RPM/37%.

NVIDIA ďalej do svojich kariet zabudovala nový enkodér – NVNEC, ktorý je vhodný hlavne pre streamerov a podporuje ho známy OBS server či niektoré záznamové programy. Vyznačuje sa minimálnym dopadom na výkon a veľmi vysokou kvalitou.

Záver

Kupovať TURING alebo čakať rovno na Ampére?

Z môjho pohľadu kúpa súčasnej rady RTX má určite stále zmysel. RayTracing na súčasných kartách funguje bez problémov, aj keď sa predpokladá, že ďalšia generácia poskytne ešte vyšší výkon. Turing plne podporuje DLSS2.0, čo bude a už začína byť veľký ťahúň pre kúpu NVIDIA kariet. Razantne navyšuje výkon vzhľadom na minimálny pokles kvality a rozlíšenia scény. Tým nehovorím, že AMD Radeon je úplne von z hry avšak chýbajú mu niektoré zásadné prvky a z tohto dôvodu nepodporuje DX12 Ultimate. Ten vznikol iniciatívou spoločnosti NVIDIA a spoločnosti Microsoft, ktorá DX12 Ultimate púšťa do novej verzie systému (Windows 10 verzia 2004). Jednak podporuje RayTracing (DirectX Ray-Tracing 1.0, 1.1), podporuje VRS (Variable rate shading, ktorý NVIDIA nazýva Adaptive Shading), Mesh Shading (pre automatizované natavenie úrovne detailov objektov v scéne) či sampler feedback, čo je prístup k implementácií nových algoritmov pre vykresľovanie textúr. Tieto funkcie sú v súčasnosti podporované len a výlučne na NVIDIA grafických kartách. Všetko je to však vykúpené, ako obyčajne vyššou cenou a NVIDIA si tieto technológie necháva aj patrične zaplatiť. Ak nepotrebujete tieto funkcie alebo vás nezaujíma podpora v hrách o 2 – 3 roky, je Radeon z hľadiska pomeru cena/výkon stále lepšou voľbou.

Za poskytnutie hardvéru ďakujeme spoločnostiam ASUS a NVIDIA.