ما هي خاصيّة تتبع الشعاع (Ray Tracing) ولما هي مهمة لأجهزة الجيل القادم؟

إذا كنت تتابع تطور البطاقات الرسومية على الحاسب الشخصي وأخبار الجيل القادم من أجهزة اللعب المنزلية (الكونسولز) فأنت بالتأكيد سمعت الكثير حول تقنية تتبع الشعاع المعروفة بـ Ray Tracing. هذه الميزة ليست جديدة كُلياً لكنها أصبحت متوفرة بشكل أكبر مع بطاقات RTX الرسومية من انفيديا والعديد من العناوين الضخمة القادمة مثل Cyberpunk 2077 و Call of Duty: Modern Warfare و Dying Light 2 ستتدعم هذه التقنية وحتى بعض الألعاب التي صدرت بالفعل مثل Control و Wolfenstein: Youngblood قامت بدعم تتبع الشعاع بطرق وإستخدامات مختلفة.

شركة انفيديا هي أكثر شركة تحاول دفع هذه التقنية الحديثة للوسط خاصةً في معرض غيمزكوم لهذا العام حيثُ إستعرضت العديد من العناوين الضخمة وأظهرت لنا أيضاً نسخة تجريبية من ماينركرافت وهي تستخدم تتبع الشعاع حيثُ رأينا الضوء وهو يأتي من رؤوس الأشجار والثقوب الموجودة في جدران الكهوف ورأينا لمعة الذهب والألماس أمام المشاعل والمياه الشفافة والعاكسة. إنها لعبة Minecraft القديمة ذاتها لكن إضافة تقنية تتبع الأشعة في الوقت الفعلي زادت من جماليتها بشكل كبير، ادناه يمكنكم رؤية ما أتحدث عنه.

ربما تتسائلون لماذا تحدثت عن التقنية بلعبة ماينكرافت تحديداً رغم وجود عناوين أحدث وأضخم، ما أريد توضيحه هو إذا كان بإمكان تقنية تتبع الأشعة أن تجعل لعبة عمرها عشرة أعوام مثل ماينكرافت بهذا الجمال، تخيل ما يمكن أن تفعله بالألعاب المستقبلية؟ مع وجود انفيديا خلفه، فإنّ تتبع الشعاع هو “الشيء الكبير التالي” في عالم الرسومات مثل التقنيات التي ظهرت بالأجيال الماضية مثل bump mapping و anti-aliasing و ambient occlusion. تتبع الشعاع هي الكلمة التي تخبرك أنّ الجيل القادم سيكون أكثر أناقة وبراقة من الجيل السابق.

كشفت مايكروسوفت وسوني بالفعل أنّ اكسبوكس سكارليت والبلايستيشن 5 سيدعمان هذه التقنية وحتى شركة AMD وضحت أنّها ستتدعمها بهندسة بطاقاتها للجيل القادم. لكن يبقى السؤال الأهم:

ما هي تقنية تتبع الشعاع (Ray Tracing)؟

تتبع الشعاع هي تقنية تقوم بمحاكاة كيف يعمل الضوء فعلياً في العالم الحقيقي وتحوله بذات الطريقة بالألعاب عن طريق البطاقات الرسومية. تبدأ أشعة الضوء من مصدر الضوء ثم تنتقل عبر الفضاء وتصبح ممتصة او منتشرة او منكسرة او تنعكس بواسطة أشياء مختلفة على طول مسارها. من خلال حساب أشعة الضوء من مصدرها وكيفية تفاعلها مع مختلف الأشياء في المشهد او العالم الرقمي، يمكننا أن نعكس كيف تعمل بالعالم الواقعي ونحصل على إضائة أفضل وظلال أكثر دقة.

من الناحية التقنية، يعمل تتبع الشعاع على أجهزة الحاسب بطريقة مختلفة حيثُ يتم تتبع المسار من الكاميرا إلى مصدر الضوء فقط وهذا الأمر من أجل الكفاءة والأداء، بدلاً من تتبع الأشعة من كل مصدر للضوء، من الأفضل محاكاة الأشعة التي يراها اللاعب فقط. هذه التقنية تحتاج لأجهزة قوية وهذا الأسلوب يقلل من الضغط على النظام والجهاز الخاص بك.

لكيّ تعمل تقنية تتبع الشعاع بشكل صحيح يجب على المطورين أن يقوموا بتحديد أسطح الأشياء الرقمية المختلفة لأنّ الضوء يتفاعل بشكل مختلف عندما يتلامس مع الخشب او المعدن او الزجاج; يمتص بعض القماش مثلاً المزيد من الضوء على عكس الجلد الذي يقوم بعكس الضوء عندما يلامسه. الماء شفاف وعاكس لذا لا ينبعي أن تكون قادراً على رؤية ذلك فحسب بل يجب أيضاً أن تكون الإنعكاسات وفقاً لمكانك و جهة نظرك. كل هذا يحتاج إلى تعريفه بشكل صحيح داخل العالم الرقمي لكيّ تعمل التقنية.

تستخدم المؤثرات البصرية للأفلام والتلفزيون هذه التقنية منذُ فترة طويلة، ولكنها تتطلب الكثير من الوقت أو الكثير من الطاقة. يحتاج تقديم مشهد باستخدام تتبع الأشعة إلى ساعات أو أيام أو أسابيع من العمل او يتطلب إستخدام خوادم ضخمة ومشتركة. تقنية تتبع الأشعة هي مجرد رياضيات معقدة، حيث تحتوي على الكثير من العمليات المعقدة. بدلاً من تتبع الأشعة، استخدمت الألعاب بشكل عام تقنية أخرى تسمى التنقيط (Rasterization)، والتي تأخذ النماذج ثلاثية الأبعاد وتحولها إلى وحدات بكسل لعرضها. كل بكسل له لون معين بناءً على النموذج نفسه، ويستخدم المطورون تظليل قابل للبرمجة لتحديد اللون النهائي للبكسل. التنقيط أقرب إلى التخمين من المحاكاة.

الجديد هو أننا قادرون أخيرًا على تتبع الأشعة في الوقت الفعلي في الأجهزة. لا تزال بطاقات RTX الخاصة بـ إنفديا مبنية بشكل أساسي على التنقيط، ولكنها تحتوي أيضًا على نوى GPU موضوعة خصيصاً لحسابات تتبع الأشعة. بالإضافة إلى ذلك، صممت Nvidia مكتبات لتتبع الشعاع الخاصة بها لتخفيف الحمل على المطورين. إنها لا تفعل بالكامل ما تفعله المؤثرات البصرية للفيلم والتلفزيون، لكنها أصبحت أقرب بخطوة.

لماذا هذه التقنية تعتبر مهمة؟

كما ذكرت سابقاً، إن إستخدام تتبع الأشعة في الوقت الفعلي يقدم لنا إضاءة أكثر واقعية وإنعكاسات وظلال أفضل على أسطح الأشياء المختلفة دون أن يضطر المطورون إلى برمجة كل ضوء وسطح وبيكسل بشكل فردي. حتى في بعض أكبر العناوين الضخمة، لن يؤدي تفعيل تقنية تتبع الأشعة في الوقت الفعلي إلى تغيير مستوى الرسومات بشكل كبير إلا أنّها ستؤدي إلى إضافة الكثير من التفاصيل وجعل التجربة أكثر واقعية.

إن كيفية استخدام المطورين لتقنية تتبع الأشعة أمر متروك لهم بالنهاية. تستخدم بعض الألعاب هذه التقنية مثل Metro: Exodus تتبع الأشعة لإضاءة عالمها مما يوفر إضاءة أكثر دقة بينما تستخدم Shadow of the Tomb Raider هذه التقنية للحصول على ظلال أكثر دقة ولعبة Battlefield 5 تعتمد عليها بشكل كبير في الإنعكاسات. تستخدم العناوين الأحدث مثل Control تتبع الأشعة لعدة أمور مختلفة تشمل الظلال والإضاءة والانعكاسات. بالنسبة للمطورين، يعني ذلك القدرة على إنشاء مشاهد أكثر واقعية باستخدام موارد أقل.

قال رون فروليتش مصمم ثلاثي الأبعاد في لعبة Hunt: Showdown:

يمكننا وضع أسطح كبيرة تشبه المرآة في المرحلة دون الحاجة إلى القلق بشأن ما إذا كان المشهد سيتغير إلى الحد الذي سيجعلها تبدو كأنها لا تنتمني لهذا المكان. يمكننا أيضًا وضع أشياء متحركة عبر المرايا ونحن نعلم أنّ الرسوم المتحركة (الأنيميشن) ستنعكس بدقة في هذه المرايا. هذا يعني أننا لا نقلق حول إن كانت هذه الإنعكاسات لن تطابق العالم مما يتيح لنا الفرصة لجعل العالم أكثر حيوية وحياة.

أخبر بن أرشارد المبرمج المسؤول عن التحويل في لعبة Metro Exodus موقع RPS العام الماضي أنّ:

تقنية تتبع الشعاع لا تغير طريقة تطوير الألعاب بشكل كامل. إنه شيء جانبي يناسبها بشكل كبير ولهذا الأمر هي رائعة للغاية — إنها جميلة وسهلة حيثُ تأخذ بيناتك الحالية وتقدمها بطريقة أُخرى.

هذه التقنية لا تعتمد على الإضاءة فقط لأنّ الصوت ينتشر بالوسط بطريقة مشابهة لحد كبير ويمكن استخدام حسابات مماثلة لإنشاء إضاءة وأصوات أكثر واقعية. قام مارك سيرني مهندس البلايستيشن 4 والجيل القادم أيضاً بإستخدام تقنية تتبع الأشعة لهذا الأمر. حيثُ قال سيرني: “إذا كنت ترغب في إجراء اختبارات لمعرفة ما إذا كان بإمكان اللاعب سماع مصادر صوتية معينة أو ما إذا كان الأعداء يستطيعون سماع خطوات اللاعبين، فإن تتبع الشعاع مفيد لذلك. إنه نفس الشيء مثل أخذ أشعة من المحيط والبئية”.

شركة انفيديا هي من قامت بدفع هذه التقنية للأمام بشكل كبير والسبب الأكبر كان من أجل أن تتفوق على منافستها AMD لكن الصناعة أصبحت متوجهة بنفس الإتجاه وتدعم هذه التقنية بكل العناوين الجديدة. قامت شركة Epic Games بالكشف أنّ محركها الشهير Unreal Engine 4 سيدعم تقنية تتبع الشعاع في الوقت الفعلي خلال GDC 2019. قامت أيضاً شركة Unity Technologies بإطلاق نسخة تجريبية تدعم هذه التقنية لمحركها وأيضاً رأينا عرض تجريبي رائع من CryEngine يستعرض لنا تقنية تتبع الشعاع في الوقت الفعلي، يمكنكم مشاهدته ادناه لكن هذه التقنية لم يتم إطلاقها بعد على المحرك.

لذا يمكننا القول ببساطة أنّ صناعة الألعاب تتجه بهذا الطريق، ومثل جميع التقنيات الرسومية التي أبهرتنا سابقاً وأصبحت أمر عادي الآن، ستكون تقنية تتبع الشعاع (ray tracing) جزءً قد لا تلاحظه بالألعاب في المستقبل القريب أثناء إستكشافك للعوالم.  العالم الرقمي يبدوا مشرق وأكثر أناقة مع هذه التقنية ومع كل تلك الأشعة.

مرة أُخرى شاهد العرض الموجود أعلاه لتقنية تتبع الشعاع في لعبة ماينكرافت وكيف جعلها رائعة رغم أنّ عمرها عشرة سنوات كما ذكرت سابقاً، الآن تخيل ما الذي يمكن أن تقدمه تتبع الشعاع في الوقت الفعلي لألعاب مثل Uncharted و Resident Evil؟ حسناً هذا هو غالباً ما سيكون في الجيل القادم.