تقنية تتبع الأشعة تنتشر في كل مكان! حتي منصات الألعاب المنزلية مثل PS5!

انتشرت عبارة تتبع الأشعة Ray Tracing في أوساط رسوم الألعاب كثيرا في الفترة الأخيرة .. وانتشرت أيضا في أجهزة الحواسيب الشخصية وفي أجهزة الألعاب المنزلية القادمة مثل PS5 و Xbox .. لكن الكثيرون يسأل عنها وعن معناها والكثيرون لا يهتمون بها أصلا، ولا يعرفون لماذا يجب أن يهتموا بها من الأساس. ولكل هؤلاء نقدم هذا المقال، و سنسلط فيه الضوء علي كل تلك الجوانب، لعل القارئ يعرف أكثر ويفهم أكثر، وربما يهتم أكثر.

طوال العقود المنصرمة، انحصرت رسوم الألعاب في تقنية رسم واحدة، اسمها التنقيط Rasterization.

والتنقيط هي عملية تتضمن تفتيت المشهد أو الجسم ثلاثي الأبعاد الي نقاط صغيرة dots أو pixels، ثم تقوم برسم النقاط المواجهة للاعب فقط .. أي انها تتعامل فقط مع ما هو أمام الشاشة، وتلغي النقاط التي تقع خارج منظور اللاعب او تقع محجوبة خلف نقاط اخري .. باختصار أي شئ لا يظهر أمام اللاعب لا يتم رسمه و اظهار تاثيره .. ومن هنا استمدت اسم التنقيط، هي تقوم بتنقيط المشهد وترشيح نقاطه توفيرا للأداء ..

والتقنية توفر أداء سريعا للغاية، بسبب أنها تختصر من العبأ الحسابي برسم الأجسام المواجهة للاعب فقط أولا، وثانيا بفضل أن كل المعالجات الرسومية تحوي وحدات خاصة لتسريع التنقيط، تسمي باسم وحدات التنقيط Rasterizer Unit.

يعيب التقنية انها تتعامل فقط مع الأجسام ثلاثية الأبعاد جسما جسما، بطريقة مفردة، تفتتهم جسما جسما الي نقاط وترسم فقط النقاط التي تظهر أمام اللاعب .. التقنية لا تتعامل مع أي نقاط أخري غير النقاط التي هي أمام اللاعب، أي نقاط خلف النقاط الامامية غير موجودة في عٌرف التقنية، لهذا لا تستطيع التقنية انتاج ظلال او اضاءة كاملة او انعكاسات او اية تأثيرات شفافة .. الخ، لأن كل هذه المؤثرات تحتاج الي نقاط أخري غير النقاط الامامية، وتحتاج الي التعامل مع الاجسام في مجموعات وليس بطريقة فردية!

فرسم الظل مثلا يحتاج الي جسمين واحد لاصدار الضوء وواحد لاسقاط الظل. وكذا الأمر مع رسم الانعكاسات، يحتاج الأمر الي متابعة عدد كبير من الأجسام المنعكسة علي السطح العاكس، ونفس الشئ مع الضوء، الذي يتطلب متابعة أجسام كثيرة تعكس أضواء مختلطة علي بعضها. وكل هذا غير ممكن باستخدام التنقيط، لأنه يتابع جسما واحدا فقط في كل مرة. والجسم الواحد بمفرده لا يستطيع تكوين علاقات ظلال أو اضاءة او انعكاس الا مع أجسام أخري.

لهذا يقوم المطور بتطوير وسائل خداعية وطرق ملتوية لتحقيق هذه التاثيرات باستخدام التنقيط .. ولأنها طرق ملتوية فهي تحقق الغرض بطريقة غير كاملة، وبصورة تشوبها عيوب ونواقص.

لو اراد المطور عمل انعكاسات فانه يصنع صورة انعكاسات جاهزة يطبقها علي الأجسام العاكسة .. صورة مسبقة لا تعكس الاجسام حقيقة .. ولو تغيرت الاضاءة او الاجسام فان الصورة تظل ثابتة .. اي ان الانعكاسات تظهر ثابتة ولا تتحرك! أو ان يقوم المطور باضافة طريقة تعكس صورة الاجسام التي تظهر فقط امام اللاعب، أما الاجسام التي لا تظهر أمامه مباشرة فلا يمكن عكسها لذا تظهر الانعكاسات ناقصة.

انعكاسات ثابتة خاطئة تماما وغير مطابقة للبيئة حولها 

انعكاس النافذة الي اليسار ناقص لأن النافذة لا تظهر أمام منظور الرؤية!

انعكاس الحائط علي الأرضية يظهر ناقصا عند أقدام الشخصية، بسبب أنه محجوب بتلك الأقدام والمحجوب غير موجود عند تقنية التنقيط

هذا باختصار مبسط ودقيق كل شئ عن التنقيط Rasterization ، التقنية سريعة وتعطي رسوما قوية، لكنها ممتلئة بالعيوب ولها قيود كثيرة كونها تتعامل مع جسم واحد فقط في كل مرة، مما لا يسمح بتكوين علاقات اضاءة وظلال وانعكاسات مع باقي الأجسام في المشهد الا بطرق ملتوية.

وفي الآونة الأخيرة، وصلت تقنية التنقيط الي أقصي ما لديها بالفعل، الي منتهاها، لأن لكل شئ مهما كان حدود وآفاق يمنتهي عندها، ولقد وصلنا لأقصي حدود تقنية التنقيط المعيوبة بطبيعتها، ولم يعد بامكاننا اصلاحها وترقيعها بعد اليوم، لقد اصطدم المطورين بحائط سد في اضافة الخدع والطرق الملتوية لتحسين رسوم التنقيط .. لم تعد أية محاولات أخري مجدية، ويتطلب الأمر طرقا معقدة ومتراكبة أكثر وأكثر واسهاب في استعمال المؤثرات الاخراجية post process والخدع للحصول علي رسوم أفضل، وهو ما يكلف وقتا في التطوير وقدرا كبيرا من الأداء .. وهو الأمر الذي لم يعد مفيدا.

وهنا يأتي دور تقنية تتبع الأشعة Ray Tracing، التقنية التي ستحل محل التنقيط بالتدريج.

وتتبع الاشعة باختصار يعني ان يقوم المعالج الرسومي باضاءة مشاهد الالعاب بنفسه بارسال اشعة ضوء مجسمة علي المشهد كله وتتبعها وتعقبها وهي تصطدم بالأجسام كلها في المشهد، ثم رسم الاضاءة والظلال والانعكاسات منها. هكذا بضربة واحدة. ثلاثة مؤثرات يتم رسمها من شعاع واحد، ضوء وظل وانعكاس.

الأشعة التي ترسلها التقنية تتجول في كل المشهد، فتعطي انعكاسات تفاعلية متحركة لكل المشهد، سواء كانت في منظور اللاعب أو خارجه، وتعطي ظلالا ناعمة فورية لكل الأجسام أمام اللاعب أو خلفه او خارج نطاق رؤيته، كما تعطي اضاءة غير مباشرة تفاعلية لأي جسم متحرك من كل الأجسام حوله، حتي لو وقعت هذه الأجسام وهذه الاضاءة خارج نطاق رؤية اللاعب. تتبع الأشعة كتقنية تدرك المشهد كله وترسمه بالطريقة المثالية بالضبط.

وهو الامر الذي يسهل علي المطور عبا التطوير. فتتبع الأشعة هي تقنية تتعامل مع أجسام المشهد كلها في وقت واحد وتكون علاقات تظليل واضاءة وانعكاس بينها وبين بعضها ببساطة شديدة وبطريقة مباشرة دون الحاجة للطرق الملتوية.

يستطيع تتبع الاشعة رسم اضاءة شمولية تفاعلية، تتفاعل مع حركة الاجسام وتتأثر باختفاء وظهور مصادر الضوء، يستطيع رسم ظلال دقيقة جدا وناعمة لاي جسم وكل جسم، ومن اي مصدر ضوء، يستطيع رسم انعكاسات حقيقة تعكس المشهد كله، وتعكس نفسها علي نفسها عشرات المرات! يستطيع رسم ظلال شفافة وأجسام جيلاتينية او عضوية او كريستالية شفافة كان من المستحيل رسمها في السابق دون تتبع الأشعة!

الفرق بين الاضاءة العادية المباشرة بالأعلي، والاضاءة الشمولية غير المباشرة (بتتبع الأشعة) بالأسفل ..

الفرق بين الاضاءة العادية المباشرة الي اليسار، والاضاءة الشمولية غير المباشرة (بتتبع الأشعة) الي اليمين ..

انعكاسات لا نهائية خلال المرايا، غير ممكنة الا بتتبع الأشعة .. 

ولقد وصلنا بالفعل الي مرحلة تغلغل تقنية تتبع الأشعة في الأجهزة الحالية، فكل بطاقات NVIDIA من جيل GTX 1000 أو GTX 1600 أو RTX 2000 تدعم تشغيل التقنية وتشغيل الألعاب التي تعمل بها، وتلك البطاقات هي السواد الأعظم من الحواسيب الشخصية حاليا. و تتفاخر الشركة بأنها اول من صنع معالجا رسوميا علي الاطلاق في بطاقة Geforce 256 في عام 1999 كما أنها أول من صنع معالجا رسوميا بتقنية تتبع الأشعة في بطاقة Titan RTX في 2018. وهو انجاز تضعه جنبا الي جنب مع أول لعبة رقمية في عام1958 وأول حاسب شخصي للألعاب في عام 1979.

والآن أعلنت شركتي Sony و Microsoft أن جهاز PlayStation 5 القادم وجهاز Xbox القادم سوف يدعمان التقنية أيضا.

حتي AMD أعلنت أن تقنية تتبع الأشعة سوف تكون موجودة في بطاقات الجيل القادم من معمارية RDNA 2. وتتوارد الأخبار أيضا بأن بطاقات Intel الرسومية المستقبلية سوف تدعم  التقنية كذلك.

وهو الأمر الذي يعني أن غالبية ألعاب الجيل القادم والحالي سوف تدعم رسوما تأتي بهذه التقنية. وبحلول عام 2023 تتوقع NVIDIA و AMD أن كل الألعاب القوية رسوميا سوف تستعمل تقنية تتبع الأشعة بشكل أساسي ومحوري، وستتطلب تلك الألعاب عتادا يدعم التقنية، وتحديدا بطاقات رسومية ومعالجات رسومية تدعمها.

ووصولا الي عام 2035 سوف تكون الألعاب مرسومة كليا بتتبع الأشعة Path Tracing ..

 ولقد بدأنا هذه المرحلة بالفعل في 2018، فلدينا بالفعل عددا غير هين من ألعاب تتبع الأشعة المهمة .. لدينا Metro Exodus و Battlefield V و Shadow Of Tomb Raider و Quake 2 و Control

ولدينا انتشارا غير مسبوق للتقنية في محركات الألعاب الرسومية، مثل محرك Unreal و محرك Unity و Frostbite و Northlight و 4A و غيرهم الكثير، حتي مكتبات الرسوم كلها تدعم التقنية، سواء DirectX أو Vulkan.

وتعد NVIDIA أن كل هذه الألعاب المهمة القادمة سوف تأتي بتقنية تتبع الأشعة:

لعبة Doom Eternal:

اللعبة السريعة المرعبة الشهيرة والكلاسيكية في ذات الوقت، يقول مطوري اللعبة أنها ستقدم أفضل اخراج لتقنية تتبع الأشعة علي الاطلاق!

لعبة Cyberpunk 2077:

اللعبة الأشهر علي الاطلاق في معرض هذا العام، والعام السابق أيضا، وهي اللعبة المنتظرة دوما من الجميع، ستدعم اللعبة تقنية تتبع الأشعة في عمل الاضاءة والظلال لتظهر أجواء اللعبة بشكل مبهر وجذاب!

لعبة Call Of Duty Modern Warfare:

الاصدار الجديد من Call Of Duty المنتظرة، والتي ستعيد السلسلة الي أجواء القتال العصري الواقعي في ساحات الحرب الحالية.

لعبة Watch Dogs Legion:

الجزء الثالث من السلسلة الشهيرة، يستمر في دعم تقنيات NVIDIA ألحديثة، فثلما دعمت لعبة Watch_Dogs 2 تقنية الظلال الحديثة HTFS، سيدعم الاصدار الجديد ما هو أعلي منها تقنيا، وهي تتبع الأشعة RTX.

لعبة Wolfenstein YoungBlood:

مرة أخري تؤكد NVIDIA علي دعم اللعبة لتتبع الأشعة من خلال مكتبة Vulkan.

لعبة Vampire The Masquerades Bloodlnes 2:

النسخة الجديدة من السلسلة العريقة سوف تدعم تقنية تتبع الأشعة لتصير في مقدمة التطور الرسومي.

يصاحب هذه القائمة، مجموعة أخري من الألعاب الأقل شهرة، والتي ستدعم أيضا التقنية:

لعبة Atomic Hearts:

ستأتي اللعبة بمحرك Unreal Engine 4، و ستقدم مؤثرات RTX خاصة بالانعكاسات علي الأسطح المعدنية والمرايا، كما ستقدم تحسينات للظلال من خلال تتبع الأشعة.

انعكاسات  المرايا بدون RTX تظهر مشوهة تماما ولا تعكس سوي جزءا ضئيلا مما حولها

لعبة Assetto Corsa Competizione:

ستأتي اللعبة بمحرك Unreal Engine 4، وستقدم مؤثرات RTX خاصة بالانعكاسات علي الأسطح المعدنية للسيارات وعلي الطرق المبللة.

بالأعلي بدون RTX لا توجد انعكاسات للسيارة علي الطريق المبلل

لعبة Justice: 

ستقدم اللعبة مؤثرات RTX خاصة بالانعكاسات.

بدون RTX بالأعلي لا تعكس الدروع المعدنية البراقة ما حولها من أضواء

لعبة MechWarrior 5:

ستقدم مؤثرات RTX خاصة بالانعكاسات علي الأسطح المعدنية للآلات الحربية وعلي الطرق والاسطح المبللة.

لعبة GrimmStar :

ستدعم NVIDIA تتبع الأشعة في هيئة الاضاءة الشمولية، في لعبة GrimmStar أيضا التي تدور أحداثها في الفضاء، وتعمل بمحرك Unreal Engine 4.

لعبة Enlisted:

ستقدم مؤثرات RTX خاصة بالاضاءة الشمولية، مثل التي ظهرت في Metro Exodus، واللعبة ستعمل بمكتبة Vulkan.

بالأعلي بدون RTX، وتظهر الاضاءة مسطحة وبلا ظلال أو عمق، لكن مع RTX تكتسب العمق والظل الصحيحين

لعبة Dragon Hound:

ستصدر اللعبة بدعم محرك Unreal Engine 4، وستقدم مؤثرات RTX خاصة بالانعكاسات.

لعبة Sword and Fairy 7:

وهي لعبة صينية بالأساس، وسوف تدعم انعكاسات تتبع الأشعة. لتعطي جودة صورة فائقة للانعكاسات والاضاءة الناتجة منها.

لعبة In The Black:

أخيرا ستدعم NVIDIA اضاءة تتبع الأشعة في لعبة In The Black التي تقدم محاكاة لمعارك السفن الفضائية المستقبلية. وتعمل بمحرك Unreal Engine. وسوف تصدر قريبا جدا علي الحاسب الشخصي.

لعبة Stay In The Light:

لعبة الرعب الجديدة من أحد المطورين المستقلين، اللعبة ستستخدم تتبع الأشعة في الانعكاسات والظلال وتعمل حصريا من خلال التقنية لتقدم كل رسومها.

أكثر من 16 لعبة أعلنت أنها ستدعم التقنية خلال عامي 2019 و 2020، اضافة الي الخمسة ألعاب التي تدمها حاليا، والعدد مرشح للزيادة بقوة بحلول عام 2020 أيضا. مما يعني أن توقع NVIDIA الخاص بانتشار التقنية بشكل أساسي في 2023 هو أمر منطقي جدا.