Компьютерные Игры. Краткий обзор. Рендеринг: Растровый vs. Ray Tracing (трассировка лучей), Global Illumination.

Технологии рендеринга в компьютерных играх

От базовой растровой графики до фотореалистичной трассировки лучей

Рендеринг — процесс создания двумерного изображения по трёхмерной сцене — является основой графики в компьютерных играх. За последние десятилетия технологии рендеринга эволюционировали от простой растровой графики до сложных методов, имитирующих физическое поведение света.

Растровый рендеринг (Rasterization)

Традиционный метод рендеринга, доминировавший в играх с 1990-х годов. Растровый рендеринг преобразует 3D-объекты в 2D-пиксели на экране через несколько этапов:

Вершинный шейдер: Преобразует координаты вершин
Растеризация: Превращает треугольники в пиксели
Пиксельный шейдер: Вычисляет цвет каждого пикселя
Постобработка: Добавляет эффекты типа bloom или motion blur

Примеры реализации: Doom Eternal, Call of Duty: Warzone, большинство игр до 2018 года

Преимущества:

Высокая производительность (60+ FPS даже на среднем железе)
Хорошая совместимость со всем спектром видеокарт
Отлаженные методы оптимизации (LOD, occlusion culling)

Недостатки:

Ограниченная реалистичность освещения (требует "фейков")
Видимые артефакты (алиасинг, clipping, z-fighting)
Сложность с реалистичными отражениями и преломлениями

Трассировка лучей (Ray Tracing)

Технология, имитирующая физическое поведение света путем отслеживания пути лучей в сцене. Впервые стала доступна в играх с появлением RTX-карт NVIDIA (2018).

Основные типы ray tracing в играх:

Отражения (Reflections) - самые заметные и часто используемые (например, в лужах, стекле)
Тени (Shadows) - мягкие, естественные тени с точными контактами
Глобальное освещение (Global Illumination) - рассеянный свет, "цветовые блики"
Преломления (Refractions) - через прозрачные материалы (стекло, вода)

Примеры реализации: Cyberpunk 2077 (Overdrive Mode), Metro Exodus Enhanced Edition, Control

Преимущества:

Фотореалистичная графика с физически точным освещением
Естественные отражения и тени без артефактов
Автоматическая адаптация к динамическим сценам

Недостатки:

Экстремально высокие требования к аппаратным ресурсам
Необходимость специализированных RT-ядер (NVIDIA RTX, AMD RX)
Часто требует компромиссов (низкое разрешение, шум)

Глобальное освещение (Global Illumination)

Методы, учитывающие не только прямое освещение от источников, но и отражённый свет от поверхностей. Важнейший компонент для достижения реализма.

Современные подходы:

Rasterized GI

Lightmaps, Light Probes, Voxel-based (например, в CryEngine)

Высокая производительность (поддержка на любом железе)
Идеально для статических сцен (предварительно запечённый свет)

Плохо работает с динамическими объектами и освещением
Требует значительного времени на предварительные вычисления

Ray Traced GI

Полноценное глобальное освещение через трассировку (Metro Exodus Enhanced)

Физически точный результат с реалистичным рассеиванием света
Полностью динамическое решение без предварительных вычислений

Экстремально ресурсоёмкий (часто требует DLSS/FSR)
Требует аппаратной поддержки трассировки лучей

Hybrid GI

Комбинация методов (Lumen в Unreal Engine 5)

Хороший баланс качества и производительности
Подходит для next-gen консолей (PS5, Xbox Series X)
Работает с частично динамическими сценами

Может иметь артефакты (особенно в сложных условиях)
Сложная реализация для разработчиков

Примеры реализации: The Witcher 3 (HDRI), Unreal Engine 5 демо, Hellblade 2

Сравнительная таблица технологий

Характеристика	Растеризация	Ray Tracing	Global Illumination
Производительность	Высокая (60+ FPS на среднем железе)	Низкая (30-45 FPS даже на топовых GPU)	Зависит от метода (от среднего до низкого)
Реалистичность	Ограниченная (требует ручной настройки)	Очень высокая (физически точная)	Высокая (особенно ray traced варианты)
Аппаратные требования	Минимальные (работает даже на интегрированной графике)	Требует RTX-карт NVIDIA или аналогов AMD	Средние/высокие (особенно для динамических сцен)
Типичное применение	Большинство игр до 2018 года, мобильные игры	AAA-игры после 2020 года (Cyberpunk 2077, Control)	Игры нового поколения (Unreal Engine 5 проекты)

Будущее технологий рендеринга

Индустрия движется к гибридным решениям, сочетающим преимущества разных подходов:

Nanite (Unreal Engine 5) - виртуальная геометрия без традиционных LOD-уровней
DLSS/FSR/XeSS - нейросетевые методы апскейлинга для компенсации потерь производительности
Path Tracing - полная симуляция света (как в Quake II RTX)
Процедурные методы - генерация контента на лету с адаптацией к сцене
Облачный рендеринг - перенос сложных вычислений на серверы