كنا على علم شبه مؤكد على ان خصائص تتبع الأشعة في الوقت الحقيقي ستكون حصرية لبطاقات NVIDIA RTX وحدث الكثير من التساؤل حول تلك النقطة الى ان فاجئت انفيديا مستخدميها بدعم Ray Tracing بطاقاتها من سلسلة GTX بداية من GTX 1060 6G وما فوقها من سلسلة PASCAL و TURING !! ليس هذا كل شئ فحسب قدم محرك CRY ENGINE عرض تجريبي يستعرض به عضلاته لعرض خصائص تتبع الاشعة RTX ليس هذا بغريب فالعديد من محركات الالعاب اصبحت تدعم تقنيات تتبع الاشعة والتعلم العميق في مكتباتها ولكن الغريب هو ان العرض تم على بطاقة من المعسكر الأحمر !! هل الأمر له علاقة بالهاردوير واذا كانت الاجابة نعم فكيف استطاع المعسكر الأحمر و بطاقات GTX من تشغيل هذه التقنية بدون انوية RT ?! والسؤال الأهم، هل تعمل التقنية بالمستوى المناسب؟

في 20 من سبتمبر الماضي اعلنت NVIDIA عن معمارية Turing لعائلاتها Geforce حاملة في طياتها انوية سميت ب RT Core الخاصة بخاصية تتبع الاشعة في الوقت الحقيقي … واحدثت هذه الخاصية جدلاً واسعًا بين اللاعبين وصناع المحتوى و مطوري الالعاب منهم مشكك ومنهم متحمس ومنهم يهاجم خصوصًا بعد لعبة Battlefield V ولكن قمنا بمناقشة كل هذا المقال تقنية تتبع الأشعة RTX، بين الكثير من المتشككيين والكثير من المحبين!  ….

وبعد صدور أكثر من لعبة تدعم تقنيات تتبع الأشعة في الوقت الحقيقي أخبرتنا NVIDIA في مطلع العام الحالي  ان بطاقات عائلة Pascal بداية من المعالج الرسومي GTX 1060 6G فيما فوقه سيكونوا قادرين على تفعيل مزايا RTX في الألعاب ولكن كيف ذلك بدون انوية RT؟ ولم نقف عند ذلك الحد فقد اطلقت شركة Crytek نسخة تجريبية من محركها الرسومي Cryengine 5.0 يستعرض دعم تقنيات تتبع الأشعة داخل المحرك ولكن الغريب في الامر ان العرض التجريبي تم على بطاقة المعسكر الأحمر VEGA 56!

اذا كيف حدث وقامت تلك البطاقة الرسومية بعرض تتبع الاشعة في الوقت الحقيقي بدون انوية RT Cores ؟ والاجابة هي وجود محاكاة برمجية تستطيع تشغيل تتبع الاشعة في الوقت الحقيقي ولكن اليوم سنعرف الفرق بين تشغيل رسوميات تتبع الأشعة باستخدام عتاد الهاردوير و السوفت وير، ولكن قبل الخوض في تفاصيل المقال اريدك ان تعرف شيئًا جيداً الفرق الحقيقي ليس بين الهاردوير او السوفتوير فقط ولكن بين عمليات تتبع الأشعة التي يقوم بها GPU بانوية RT و بدونها …

قبل الدخول في لب الموضوع يجب علينا ان نعرف ما هو مصطلح تسريع الهاردوير او مسرع العتاد Hardware Acceleration : هو استخدام العتاد الخاص بك ( الهاردوير  – Hardware ) المصممة خصيصًا لأداء بعض الوظائف بشكل أكثر كفاءة مما تستطيع البرمجيات Software التي سوف تعتمد على مجموعة من الأوامر فقط من جل إنجاز تلك تلك المهام المعقدة بدون الإستعانة بأنوية هاردوير المتخصصة في تنفيذ تلك الأوامر والتي تم تصنيعها من أجل ذلك الغرض. 

ربما تفكر أنك لا تحتاج الى عتاد مخصص للقيام بعملية تتبع الأشعة لكنك تريده !!

تتبع الأشعة القائم على البرمجيات عمره عقود من الزمن ويبدو الأمر رائعًا فإن صانعوا الأفلام يستخدموا تتبع الاشعة لعدة عقود مضت ولكن تطور الأمر مع استخدام  الاجهزة (الهاردوير) المتخصصة في معالجة تتبع الأشعة مثل RT Cores التي تم بناؤها داخل معمارية Turing من NVIDIA لتحدث فارقًا كبيراً بمقارنتها بتتبع الاشعة القائمة على البرمجيات وخصوصا اذا كنت تقوم بتتبع الأشعة في الوقت الفعلي Real Time Ray Tracing ….

مع العلم ان الألعاب تتطلب تتبع الأشعة في الوقت الحقيقي (الفعلي) أيضًا …

باعتباره “الكأس المقدسة” للرسوميات فإن تتبع الأشعة في الوقت الحقيقي يجلب نفس الأساليب التي استخدمها صناع السينما منذ عقود إلى لاعبين و صناع المحتوى !! وتم ذلك بفضل مجموعة كبيرة من مطوري ألعاب AAA الجديدة التي قاموا بتبني (تقنيات تتبع الأشعة) في الألعاب الشهيرة مثل Battlefield V و Metro Exodus و  Shadow of the Tomb Raider.

اذًا ما هو تتبع الأشعة ؟ قم بالنظر حولك .. الأشياء التي تراها مضاءة بواسطة أشعة الضوء .. الان قم باتباع مسار تلك الحزم الضوئية من عينيك الى الأشياء التي يتفاعل معها الضوء هذا باختصار تتبع الاشعة ..

هي تقنية وصفها لأول مرة آرثر أبيل من آي بي إم ، في عام 1969 ومع الوقت أصبح تتبع الأشعة هو المعيار في صناعة رسومات الأفلام والكمبيوتر لإنشاء إضاءة وصور نابضة بالحياة…

ومع ذلك ، حتى العام الماضي ، تم تقريبًا كافة عمليات تتبع الأشعة كانت تتم عبر عمليات و حسابات تستهلك وقت و موارد كثيرة لإنتاج مشهد واحد مع تتبع الأشعة. حتى اليوم ، تتطلب التأثيرات التي تراها في دور السينما مزارع خوادم مترامية الأطراف مزودة بوحدة المعالجة المركزية.

لكن مع عالم الألعاب يريد اللاعبون ممارسة ألعاب تفاعلية في الوقت الفعلي. لن ينتظروا دقائق أو ساعات لكل إطار وهنا دعت الحاجة إلى استخدام أنوية تتبع أشعة RT Cores لتقوم بتلك العمليات المعقدة بشكل لحظي.

وبذلك أصبح الهاردوير المتمثل في البطاقات الرسومية و أنويتها المتخصصة RT Cores ضرورة حتمية من أجل الأداء الأفضل في عمليات تتبع الأشعة اللحظية ، وذلك بفضل حقيقة أنها تعتمد على أعداد أكبر من انوية الحوسبة RT Cores – Tensor Cores لإنجاز المهام المعقدة بسرعة أكبر.

بدون أنوية RT Cores فإن مهام تتبع الأشعة تستخدم عمليات Rasterization ، يُعرف باسم “التنقيط” ، العمليات المسئولة عن إنتاج مجسمات ثلاثية الأبعاد على شاشة ثنائية الأبعاد…

مع التنقيط ، يتم إنشاء المجسمات على الشاشة من شبكة من المثلثات الافتراضية ، أو المضلعات ، التي تنشئ نماذج ثلاثية الأبعاد للمجسمات. في هذه الشبكة الافتراضية ، تتقاطع زوايا كل مثلث – المعروفة باسم القمم – مع رؤوس المثلثات الأخرى ذات الأحجام والأشكال المختلفة. تلك العمليات بالفعل تستنفذ الكثير من موارد البطاقات الرسومية فتخيل أن تنضاف إليها عمليات تتبع الأشعة؟ بالفعل سوف تحصل على أداء متهالك. وبذلك دعت الحاجة إلى تطوير هاردوير حقيقى من أجل عمليات تتبع الأشعة، وبديهيًا سوف تكون البطاقات الرسومية الخيار الأمثل لذلك.

المعالجات الرسومية GPUs وتطور تتبع الأشعة Ray Tracing :

بحلول عام 2015 ، كانت NVIDIA تشرح في SIGGRAPH كيف يمكن لمؤثرات Ray Tracing أن تحول نموذج CAD إلى صورة – لا يمكن تمييزها عن صورة حقيقية – في ثوانٍ ، مما يسرع من عمل المهندسين المعماريين ومصممي المنتجات وفناني الجرافيك …

هذا النهج – تسريع تتبع الأشعة بدون اجهزة مخصصة أي بشكل برمجي عن طريق المعالج الرسومي – كان السائد حتى العام الماضي عندما جاءت لنا معمارية NVIDIA Turing وبطاقات RTX محملة بأثنين من الأنوية  (الهاردوير) المخصص لتتبع الأشعة ، RT Cores ؛ و Tensor Cores لمعالجة الذكاء الاصطناعى عالية الأداء من أجل تقليل التشويش ومكافحة التعرجات بدقة فائقة وعمليات تتبع الأشعة بشكل لحظى Real Time Ray Tracing.

تقوم انوية RT بتسريع تتبع الأشعة عن طريق تسريع عملية اكتشاف أين تتقاطع الأشعة مع هندسة المشهد الثلاثية الأبعاد … حيث تعمل هذه الأنوية المتخصصة على تسريع بنية تتبع الأشعة وتقاطعها مع المجسمات داخل المشهد وتكون ظلال و إنعكاسات حقيقية.

أنوية Tensor – التى  تم الكشف عنها أولاً مع بنية Volta من NVIDIA في عام ٢٠١٨ - تهدف إلى الحوسبة المؤسسية والعلمية لتسريع خوارزميات الذكاء الاصطناعي في إنتاج المشاهد بجودة أعلى مع استخدام عتاد هاردوير أقل وذلك من خلال تقنية AI خاصة تسمى NVIDIA DLSS ، وهي اختصار لـ Deep Learning Super Sampling الذي يجعل هذا ممكنًا…

هاردوير حقيقي ( NVIDIA RTX Hardware )  ضد دعم برمجي (Software) لعمليات تتبع الأشعة ( Ray Tracing )

يمكنك ان ترى كيف يتفوق الهاردوير الحقيقى الخاص بتتبع الأشعة لبطاقات Turing RTX أمام أحد بطاقات الجيل السابق Pascal في تقديم اطارًا واحدًا من Metro Exodus

في بطاقة Turing يمكنك رؤية  العديد من عمليات المعالجة التي تحدث احداها خضراء وهي العمليات التي تقوم بها انوية RT ولكن الشيء الملفت للنظر هنا أن الوقت المستهلك لإنتاج مشهد واحد من اللعبة مع بطاقة GTX 1080 Ti التي لا تحتوى على أنوية RT Cores يتم في خُمس الوقت على البطاقة RTX 2080 التي بها أنوية RT Cores تقوم بعمليات تتبع الأشعة. 

إذًا الدعم البرمجي لعملات تتبع الأشعة غير أنه يستنفذ الكثير من الموارد فإنه يستهلك الكثير من الوقت لإنشاء مشهد به بعض عمليات معالجة تتبع الأشعة مثل ما رأينا في تحليل فريم واحد للعبة Metro Exodus. وهذا بالفعل ما يُقدمه المعسكر الأحمر و أجهزة الكونسول القادمة، عمليات تتبع أشعة برمجية تستهلك موارد كبيرة و غير فعّالة في عالم الألعاب الذي يتطلب معالجة الرسوميات اللحظية.

اعلم جيدًا ان الطرق لرؤية تتبع الأشعة عديدة ولكن بالنسبة للأداء فإن الهاردوير الحقيقي لتتبع الأشعة المتواجد في بطاقات Turing RTX سيكون دائما الافضل في تطوير الألعاب التي تستخدم تأثيرات تتبع الاشعة وخصوصًا اذا علمت ان الجيل القادم من الاجهزة المنزلية Consoles سيدعم تتبع الأشعة ولكن بشكل برمجي.

الأمر مازال يتطور سريعًا و الألعاب التى تدعم عمليات تتبع الأشعة Ray Tracing في تزايد فقد انضم الكثير من المطورين إلى القافلة من ضمنهم محرك Frostbite من شركة EA وكذلك محركات Unity و Unreal وبذلك سوف يتمكن اللاعبون من الاستمتاع بجمال الرسوميات والظلال الواقية و الانعكاسات المذهلة الذي يقدمها الهاردوير الحقيقى المتخصص لتلك العمليات المتمثل في أنوية RT Cores.