Hur fungerar strålföljning?
Strålföljning (kan kallas strålspårning eller ray tracing) är ett sätt för datorn att rita upp en bild av en tredimensionell värld. Tekniken har varit standard för verklighetstrogna specialeffekter och animationer i filmer i omkring tio års tid, men börjar först nu dyka upp i spel.
Vad är problemet i dag?
Att simulera ljus är krångligt med dagens teknik. Ljus kan spridas, speglas eller brytas när det träffar någonting. Om ljus träffar en röd vägg och sedan ned på ett vitt papper, så blir pappret exempelvis lite rödaktigt. Skuggor är ett annat problem, som ofta blir för mörka. Det är också svårt att göra indirekt ljus, så kallad global illumination, där ljuset studsat mot någon yta.
Spelskapare har hittat smarta sätt att fuska på, och trix för att ändå få det att se bra ut, som att sätta ut "osynliga" ljuskällor i mörka hörn eller att använda förberäkningar av ljuset.
– Mycket tid används i dag av grafiker för att försöka gömma problem med dagens teknik, oavsett om det är skuggor, reflektioner eller transparens. Med strålföljning så kan du helt enkelt placera ut ljuskällan och ge ett objekt egenskaper, och så fungerar det. Det tillåter grafiker att vara mer kreativa och koncentrera sig på det konstnärliga, säger Rev Lebaredian vid grafikkortstillverkaren Nvidia, som sedan förra året har gjort tekniken möjlig i sina produkter.
Hur kan tekniken användas?
I Mojangs "Minecraft" blir exempelvis guldblocken glimrande och blanka, från att tidigare ha varit gula och matta. Lavan glöder med mer intensitet och lyser upp omgivande material, och ljusstrålarna skär igenom dimma.
I "Battlefield V" från Dice reflekteras elden från en explosion som sker utanför bild i en soldats öga, i metallen på en bil, i vattenpölar på marken och fönsterrutor, och mer subtilt i träet på ett gevär.
I "Dying light 2" från polska Techland får områden i skuggor betydligt fler detaljer, enligt chefsdesignern Tymon Smektala.
– Det får allt att se vackrare ut. Att få möjligheten att återskapa hur ljuset uppför sig på det mest verklighetstrogna sättet är så klart extremt fördelaktigt i ett spel där dag- och nattcyklarna är så viktiga, säger han.
i Remedys "Control" tar ljus färg från omgivande objekt och bryts annorlunda när marmor och trä skadas.
I "Metro exodus" får ljus som kommer in genom fönster ett mer verklighetstroget och mjukare utseende, och skuggor beter sig mer realistiskt.
Vad är fördelarna?
Dagens teknik fungerar oftast bra så länge något är statiskt. Men om något förändras, som om exempelvis en ytterdörr skulle öppnas i ett mörkt rum, eller att det sprängs hål i en vägg så ljus tränger in, så blir beräkningarna inaktuella. En vanlig bugg förr i tiden var exempelvis att en lampa förstördes, men att ljuset var kvar.
– Därför är "Minecraft" ett sådant övertygande exempel för strålföljning. Scenerna är dynamiska, det går inte att förberäkna ljuset när det är spelare som bygger och river världen, säger Rev Lebaredian.
Vad är nackdelarna?
En ljusstråle kan också studsa runt ett oändligt antal gånger och påverkas. Det gör att strålföljningstekniken kräver mycket datorkraft. I "Toy story 4" tog exempelvis varje bildruta i genomsnitt 70 timmar att rendera av stora datorkluster. I spel behöver beräkningar göras 30–60 gånger per sekund.
Till en början kommer strålföljning därför att användas sida vid sida med traditionella metoder
Var kan man se strålföljning i dag?
I dag är det bara de kraftigaste grafikkorten till pc som kan hantera strålföljning i realtid, men både Microsoft och Sony har utlovat tekniken till nästa generations konsoler.
– Det är fantastiskt, för om vi är de enda som gör strålföljning så blir det svårare för spelutvecklare. Det blir enklare om alla har strålföljning, säger Rev Lebaredian.
Gustav Sjöholm/TT
Fakta: Så fungerar strålföljning
För att skapa en bild av en 3D-modell används så kallad rendering, där datorer räknar ut hur bilden ska se ut.
Det finns två huvudkategorier av rendering, den ena är rastrering och den andra är strålföljning. Nästan alla spel använder sig av rastreringstekniken, liksom tidiga filmer med datoreffekter och -animationer som "Toy story", "Terminator 2" och "Jurassic park".
Den andra tekniken är strålföljning. Som namnet antyder försöker man att beräkna vilken väg det ljus som till slut träffar ögat (eller skärmen) har tagit. Man gör det genom att följa ljus från varje pixel i skärmen, via eventuella objekt, till ursprungskällan (kanske solen, eller en lampa).
– Om jag börjar från kameran och skjuter i väg strålar in i världen, vad är första föremålet som jag träffar? Utifrån det kan jag göra beräkningar av ljuset, förklarar Nvidias Rev Lebaredian.
Det kan verka lite knasigt att följa ljuset baklänges, men det gör att onödiga strålar som aldrig når skärmen inte behöver beräknas.
När strålen träffar något beräknas hur inkommande ljus ser ut vid den punkten. Om man leker med tanken att ljuset träffar en boll, så kan den se olika ut beroende på material. Är den gjord av glas bryts ljuset, är den gjord av metall reflekterar den i stället, och är den gjord av gummi absorberas en del av ljuset. Objektet har också en färg, och ett avstånd från kameran som får betydelse.