▷ Was ist Rasterung und was ist ihr Unterschied zur Raytracing-Funktion?

Nach der bevorstehenden Veröffentlichung der neuen Nvidia RTX -Grafikkarten. Wir wollten einen Artikel darüber schreiben, was Rasterisierung ist und was der Unterschied zu Ray Tracing ist. Sind Sie bereit, alles zu wissen, was Sie über diese Technologie wissen müssen? Fangen wir an!

Was ist Rasterung und Ray Tracing Unterschiede

Echtzeit-PC-Grafiken verwenden seit langem eine Technik namens "Rasterisierung", um dreidimensionale Objekte auf einem zweidimensionalen Bildschirm anzuzeigen. Es ist eine schnelle Technik und die Ergebnisse sind in den letzten Jahren sehr gut geworden, obwohl sie nicht so gut ist wie Raytracing.

Bei der Rastertechnik werden die Objekte, die Sie auf dem Bildschirm sehen, aus einem Netz virtueller Dreiecke oder Polygone erstellt, die dreidimensionale Modelle von Objekten erstellen. In diesem virtuellen Netz schneiden die Ecken jedes Dreiecks, die als Scheitelpunkte bezeichnet werden, die Scheitelpunkte anderer Dreiecke unterschiedlicher Größe und Form. Aus diesem Grund sind jedem Scheitelpunkt viele Informationen zugeordnet, einschließlich seiner Position im Raum sowie Informationen zu Farbe, Textur und seiner "Normalen", anhand derer bestimmt wird, wie die Oberfläche eines Objekts aussieht..

Computer konvertieren dann die Dreiecke der 3D-Modelle in Pixel oder Punkte auf einem 2D-Bildschirm. Jedem Pixel kann aus den an den Eckpunkten des Dreiecks gespeicherten Daten ein anfänglicher Farbwert zugewiesen werden. Zusätzliche Pixelverarbeitung oder "Schattierung", die das Ändern der Pixelfarbe basierend darauf, wie Lichter in der Szene auf das Pixel treffen, und das Anwenden einer oder mehrerer Texturen auf das Pixel umfasst, wird kombiniert, um die endgültige Farbe zu erzeugen, auf die angewendet wird ein Pixel.

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Dies ist rechenintensiv, da möglicherweise Millionen von Polygonen für alle Objektmodelle in einer Szene und ungefähr 8 Millionen Pixel auf einem 4K-Bildschirm verwendet werden. Dazu müssen wir hinzufügen, dass jedes Bild, das auf einem Bildschirm angezeigt wird, normalerweise 30 bis 90 Mal pro Sekunde aktualisiert wird. Außerdem werden Speicherpuffer, der temporäre Speicherplatz, der zur Beschleunigung vorgesehen ist, verwendet, um Frames im Voraus zu rendern, bevor sie auf dem Bildschirm angezeigt werden.

Ein Tiefen- oder „Z-Puffer“ wird auch zum Speichern von Pixeltiefeninformationen verwendet, um sicherzustellen, dass Frontobjekte an der xy-Position des Pixelbildschirms angezeigt werden und die Objekte hinter dem vordersten Objekt verborgen bleiben. Dies ist der Grund, warum moderne und grafisch reichhaltige Computerspiele auf leistungsstarken GPUs basieren, die jede Sekunde viele Millionen Berechnungen durchführen können.

Ray Tracing funktioniert ganz anders. In der realen Welt werden die 3D-Objekte, die wir sehen, von Lichtquellen beleuchtet, und die Photonen, aus denen das Licht besteht, können von einem Objekt zum anderen springen, bevor sie die Augen des Betrachters erreichen. Außerdem kann Licht von einigen Objekten blockiert werden, wodurch Schatten entstehen, oder Licht kann von einem Objekt zum anderen reflektiert werden, wie wenn wir die Bilder eines Objekts auf der Oberfläche eines anderen reflektieren. Wir haben auch Brechungen, die eine Änderung der Geschwindigkeit und Richtung des Lichts verursachen, wenn es durch transparente oder halbtransparente Objekte wie Glas oder Wasser geht.

Ray Tracing reproduziert diese Effekte. Diese Technik wurde erstmals 1969 von Arthur Appel von IBM beschrieben. Diese Technik verfolgt den Lichtweg, der durch jedes Pixel auf einer 2D-Betrachtungsfläche verläuft, und verwandelt ihn in ein 3D-Modell der Szene. Der nächste große Durchbruch gelang ein Jahrzehnt später in einem Artikel von 1979 mit dem Titel "Ein verbessertes Beleuchtungsmodell für schattierte Bildschirme". Turner Whitted, jetzt Mitglied von Nvidia Research, zeigte, wie man Reflexion, Schatten und Brechung mit dem erfasst Ray Tracing.

Wenn bei der Whitted-Technik ein Blitz auf ein Objekt in der Szene trifft, tragen Farb- und Beleuchtungsinformationen am Aufprallpunkt auf die Objektoberfläche zur Pixelfarbe und zum Beleuchtungsniveau bei. Wenn der Strahl vor Erreichen der Lichtquelle über die Oberflächen verschiedener Objekte reflektiert oder wandert, können die Farb- und Beleuchtungsinformationen aller dieser Objekte zur endgültigen Farbe des Pixels beitragen.

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Ein weiteres Dokumentpaar in den 1980er Jahren legte den Rest der intellektuellen Grundlage für die Computergrafik-Revolution, die die Art und Weise, wie Filme gemacht werden, auf den Kopf stellte. 1984 erläuterten Robert Cook, Thomas Porter und Loren Carpenter von Lucasfilm, wie Ray Tracing verschiedene gängige Kinematografietechniken wie Bewegungsunschärfe, Schärfentiefe, Dämmerlicht, Transluzenz und unscharfe Reflexionen, die bis dahin nur möglich waren, einbeziehen konnte Sie könnten mit Kameras erstellt werden. Zwei Jahre später vervollständigte die Arbeit von CalTech-Professor Jim Kajiya, "The Rendering Equation", die Abbildung der Art und Weise, wie Computergrafiken erzeugt wurden, auf die Physik, um die Art und Weise, wie Licht gestreut wird, besser darzustellen. in einer Szene.

Wenn Sie all diese Forschungen mit modernen GPUs kombinieren, erhalten Sie computergenerierte Bilder, die Schatten, Reflexionen und Brechungen auf eine Weise erfassen, die von Fotos oder Videos aus der realen Welt nicht zu unterscheiden ist. Dieser Realismus ist der Grund, warum Ray Tracing das moderne Kino erobert hat. Das folgende von Enrico Cerica mit OctaneRender erzeugte Bild zeigt eine Verzerrung der Glasstriche in der Lampe, eine diffuse Beleuchtung im Fenster und Milchglas in der Laterne auf dem Boden, die sich im Rahmenbild widerspiegeln.

Ray Tracing ist eine äußerst leistungsintensive Technik, weshalb Filmemacher sich auf eine große Anzahl von Servern oder Farmen verlassen, um ihre Szenen in einem Prozess zu erstellen, der Tage oder sogar Wochen dauern kann, um komplexe Spezialeffekte zu erzeugen. Zweifellos tragen viele Faktoren zur Gesamtqualität der Grafik- und Raytracing-Leistung bei. Da Raytracing so rechenintensiv ist, wird es häufig verwendet, um Bereiche oder Objekte in einer Szene darzustellen, die am meisten von der visuellen Qualität und dem Realismus der Technik profitieren, während der Rest der Szene Es wird durch Rasterung verarbeitet.

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