Тестирование трассировки лучей и DLSS в Shadow of the Tomb Raider

DXR и DLSS: качество изображения. Методика и участники тестирования

Прошло уже немало времени с тех пор, как на рынке появились первые графические карты на чипах семейства Turing. В данный момент каталог «зеленых» ускорителей включает четыре модели, способных выполнять трассировку лучей в реальном времени, но NVIDIA не остановится на достигнутом — уже в середине апреля поддержку интерфейсов DXR и Vulkan RT обретут видеокарты серии GeForce GTX 16 и большинство ускорителей на чипах Pascal, начиная с GeForce GTX 1060 с объемом RAM 6 Гбайт. Вот только игры, уже использующие DXR или технологию DLSS, основанную на машинном обучении и тензорных ядрах архитектуры Turing, пока можно пересчитать по пальцам одной руки. А по пальцам другой — грядущие проекты с такими возможностями.

Слава первопроходцев уже досталась Battlefield V и Final Fantasy XV, а недавно прогремела Metro Exodus. Shadow of the Tomb Raider ушла на золото еще в сентябре прошлого года, и большинство поклонников серии не стали ждать, пока команда Eidos в сотрудничестве с Crystal Dynamics наделит игру поддержкой DXR и DLSS. Не стали ждать и мы, когда выпустили групповой тест видеокарт в Shadow of the Tomb Raider. Но вот появилось обещанное обновление, а значит — наша работа с этой игрой еще не окончена.

⇡#Трассировка лучей в примерах

В августе прошлого года NVIDIA продемонстрировала впечатляющий отрезок из Shadow of the Tomb Raider, в котором трассировка лучей буквально преображает картинку. Но тем геймерам, которые не спешат в магазин за видеокартами нового поколения или отложили знакомство с игрой до недавнего патча с поддержкой DXR, лучше скорректировать свои ожидания. Ведь термин Ray Tracing в Shadow of the Tomb Raider с самого начала относился только к теням от объектов, находящихся в лучах прямых источников света.

Если учесть, что добрая часть приключений Лары Крофт проходит под землей, в Shadow of the Tomb Raider можно найти немало подобных сцен. Без DXR движок использует динамические карты теней (shadow maps) для рендеринга эффектов прямого освещения. Этот метод в какой-то мере похож на трассировку, так как карты теней формируются путем отдельной проекции сцены из точки обзора, совпадающей с источником света, но имеет известные недостатки. Так, карты теней не отличаются высокой точностью, работают только с точечными источниками света и не формируют силуэты с мягкими очертаниями без дополнительной операции краевого размытия. А с целью экономии вычислительных ресурсов в карты теней, как правило, помещают лишь избранные объекты сцены. Трассировка лучей лишена этих издержек, и в подходящих ситуациях Shadow of the Tomb Raider меняется чрезвычайно сильно — тем, кто уже прошел игру, стоит повторить путешествие, чтобы увидеть это своими глазами.

Но увы, влияние DXR в Shadow of the Tomb Raider ограничивается прямыми источниками света. Отраженный свет по-прежнему реализован статичными методами, «запеченными» (baked) в редакторе карт, с динамической надстройкой в виде Ambient Occlusion. После Metro Exodus, где разработчики перевели всю модель глобального освещения на трассировку лучей, с половинчатым подходом Shadow of the Tomb Raider уже трудно смириться. Кроме того, по скриншотам легко заметить, как сильно меняется глубина теней в зависимости от настроек DXR. В иных сценах трудно увидеть разницу между трассировкой на уровне Medium и стандартными картами теней. Вдобавок, даже на высоких уровнях качества DXR бросаются в глаза ступенчатые силуэты как следствие низкой плотности лучей.

DXR Off		DXR Medium		DXR High		DXR Ultra
DXR Off		DXR Medium		DXR High		DXR Ultra
DXR Off		DXR Medium		DXR High		DXR Ultra
DXR Off		DXR Medium		DXR High		DXR Ultra
DXR Off		DXR Medium		DXR High		DXR Ultra
DXR Off		DXR Medium		DXR High		DXR Ultra
DXR Off		DXR Medium		DXR High		DXR Ultra

⇡#Качество изображения: DLSS vs TAA

Трассировка лучей, даже в ограниченном формате, как это сделано в Shadow of the Tomb Raider, сильно влияет на быстродействие GPU, а ведь это и без того весьма требовательный проект при высоких настройках качества графики. Чтобы компенсировать неминуемый удар по частоте смены кадров, одновременно с DXR разработчики игры внедрили поддержку DLSS. Мы уже не раз писали о проприетарной технологии NVIDIA, которая позволяет GPU выполнять рендеринг в сниженном разрешении, а затем масштабировать кадр с помощью нейронной сети на тензорных ядрах архитектуры Turing. Однако практический опыт, который дали Battlefield V, Final Fantasy XV и Metro Exodus, уже разрушил все иллюзии по поводу качества DLSS на первоначальном этапе ее распространения. Из трех игр-первопроходцев только в Final Fantasy XV продукт работы DLSS сопоставим с прямым рендерингом в целевом разрешении, да и то с массой оговорок.

Надо ли говорить, что от DLSS в Shadow of the Tomb Raider мы не ожидали выдающихся результатов? Однако игра преподнесла нам приятный сюрприз. В нескольких кадрах, которые мы сняли с применением DLSS и TAA — широко распространенного и нетребовательного метода полноэкранного сглаживания, — на первый взгляд трудно заметить какую-либо разницу в четкости. Особенно хорошо DLSS справляется с деталями текстур на крупных поверхностях. Даже в таких объектах, как листва растений и волосы, практически нет размытия. Для сравнения приведем аналогичные скриншоты, сделанные в режиме 1440p и просто увеличенные до целевого разрешения 2160p силами игрового движка (для этого нужно отключить опцию эксклюзивного полноэкранного режима).

TAA		DLSS		1440p
TAA		DLSS		1440p
TAA		DLSS		1440p
TAA		DLSS		1440p
TAA		DLSS		1440p
TAA		DLSS		1440p

Впрочем, мы уже успели убедиться, что во всех играх, использующих DLSS, не найти двух одинаковых нейросетей. У алгоритма, свойственного Shadow of the Tomb Raider, есть странности, с которыми мы не сталкивались раньше. DLSS не по зубам элементы изображения с массой тонких линий, которые, по всей видимости, наложены поверх прозрачной текстуры — велосипедные спицы, плющ на стенах здания и тому подобное. Эти участки кадра выглядят так, будто DLSS даже не пытается увеличить разрешение.

Кроме того, в особенно сложных сценах (например, в глубине джунглей) нейросеть подчас дезориентируется и начинает размывать объекты, которые в иных случаях обрабатывает с эталонной четкостью (как, например, одежду и волосы главной героини). При резком движении камеры возникают ложные паттерны на крышах из гофрированного металла (впрочем, в движении их как раз-таки невозможно разглядеть). И наконец, DLSS заметно усиливает общий контраст вне зависимости от содержания кадра. Но это уже придирки. В общей сложности Shadow of the Tomb Raider достигла лучших результатов из четырех игр с поддержкой DLSS — смело рекомендуем включать эту опцию, особенно при разрешении 2160p в комбинации с DXR.

TAA		DLSS		1440p
TAA		DLSS		1440p
TAA		DLSS		1440p
TAA		DLSS		1440p
TAA		DLSS		1440p
TAA		DLSS		1440p

⇡#Тестовый стенд, методика тестирования

Тестирование производительности выполнено с помощью встроенного бенчмарка Shadow of the Tomb Raider с максимальными значениями всех графических опций (за исключением полноэкранного сглаживания и DXR, которые мы варьируем в тестах). Показатели средней и минимальной кадровых частот выводятся из массива времени рендеринга индивидуальных кадров, который игра записывает в файл результатов.

Средняя частота смены кадров на диаграммах является величиной, обратной среднему времени рендеринга кадра. Для оценки минимальной кадровой частоты вычисляется количество кадров, сформированных в каждую секунду теста. Из этого массива чисел берется значение, соответствующее 1-му процентилю распределения.

⇡#Участники тестирования

• NVIDIA GeForce RTX 2080 Ti Founders Edition (1350/14000 МГц, 11 Гбайт);
• NVIDIA GeForce GTX 2080 Founders Edition (1515/14000 МГц, 8 Гбайт);
• NVIDIA GeForce RTX 2070 Founders Edition (1410/14000 МГц, 8 Гбайт);
• NVIDIA GeForce RTX 2060 Founders Edition (1365/14000 МГц, 6 Гбайт).

Результаты тестирования. Выводы

⇡#Результаты тестирования: трассировка лучей

Активация DXR со средним (а фактически, минимальным в диапазоне настроек Shadow of the Tomb Raider) качеством трассировки лучей не так сильно влияет на быстродействие, как в Metro Exodus и тем более Battlefield V. Старшие видеокарты семейства GeForce RTX (2070, 2080 и 2080 Ti) теряют от 13 до 18 % кадровой частоты вне зависимости от целевого разрешения, и только на GeForce RTX 2060 цена трассировки лучей достигает 22 % FPS в режиме 2160p. Но стоит напомнить, что визуальный эффект при среднем качестве DXR не слишком отличается от того, что позволяют увидеть стандартные карты теней, а добрая часть системы освещения в Shadow of the Tomb Raider в любом случае реализована статичными методами.

На высших уровнях интенсивности Ray Tracing вызывает серьезное падение быстродействия. Так, при качестве High частота смены кадров снижается на долю от 37 до 44 %, а при качестве Ultra — на 40–48 %. Такая нагрузка опять-таки особенно тяжела для GeForce RTX 2060 в режиме 2160p.

Если рассуждать в абсолютных величинах, то при разрешении 1080p ресурсов GeForce RTX 2070 хватает для того, чтобы поддерживать средний FPS выше 60 вне зависимости от качества трассированных теней, а владельцам RTX 2060 лучше ограничиться настройками Medium или High. В режиме 1440p младший из «полноценных» Тьюрингов неминуемо погружается в зону ниже 60 FPS, и только GeForce RTX 2080 Ti без оговорок подходит для DXR на уровне Ultra. И наконец, в 4К ни одна видеокарта не достигла 60 FPS даже с минимальным качеством трассировки лучей (да и вовсе без трассировки тоже).

Неспроста разработчики Shadow of the Tomb Raider внедрили поддержку DXR одновременно с DLSS — посмотрим, выручит ли процессоры Turing машинное обучение.

⇡#Результаты тестирования: DLSS

Работа DLSS не сводится к простому растягиванию картинки, как это делает движок Shadow of the Tomb Raider в том случае, если отключен эксклюзивный полноэкранный режим. Для того чтобы пропустить изображение через тензорные ядра, GPU выделяет ресурсы прочих компонентов, за которые соревнуются сами процессы рендеринга, — диспетчеров инструкций, локальных кешей и прочего. Стало быть, DLSS сам по себе не является бесплатным решением с точки зрения быстродействия, а выигрыш в FPS положительно коррелирует с целевым разрешением экрана и отрицательно — с шириной конвейера GPU.

Не зря активировать DLSS в режиме 1080p позволяют только младшие ускорители серии GeForce RTX — 2060 и 2070. Да и то без DXR нейросеть увеличивает кадровую частоту не более, чем на 3 % (RTX 2070), а в случае RTX 2060 и вовсе снижает ее на 2 %. Даже в сочетании с DXR эффективность DLSS в 1080p не выходит за пределы 11 %.

При разрешении 1440p нейросеть по-прежнему не слишком полезна в отрыве от трассировки лучей: бонус к средней частоте смены кадров лежит в диапазоне от 12 до 15 %. Вот когда действует DXR с максимальным качеством теней, DLSS способен увеличить FPS на 20–28 %. Благодаря нейросети владельцы GeForce RTX 2080 и RTX 2080 Ti могут играть в Shadow of the Tomb Raider с бескомпромиссными настройками графики и средней кадровой частотой выше 60 FPS, но обладателям RTX 2060 и RTX 2070 придется умерить ожидания до 43–52 кадров/с.

Масштабирование из разрешения 1440p в целевой формат 4К — вот основной сценарий применения DLSS в Shadow of the Tomb Raider и других играх, совместимых с этой технологией. Даже без DXR нейросеть позволяет выиграть от 32 до 40 % частоты смены кадров, а в комбинации с трассировкой лучей максимальной интенсивности — от 50 до 67 %. За счет DLSS два старших «Тьюринга» пробили планку в 60 FPS без DXR, но с бескомпромиссными настройками трассировки ни один ускоритель по-прежнему не способен на такое достижение.

⇡#Выводы

Когда NVIDIA представила видеокарты серии GeForce RTX в августе прошлого года, Shadow of the Tomb Raider наряду с Battlefield V была ярчайшим примером трассировки лучей (исключая Reflections и другие деморолики на основе Unreal Engine). Eidos и Crystal Dynamics потратили шесть месяцев после выхода игры, чтобы внедрить поддержку DXR, но результат, будем честны, не вполне соответствует ожиданиям, подпитанным долгим ожиданием обновления. Shadow of the Tomb Raider дословно выполнил обещание разработчиков — благодаря DXR появились трассированные тени в лучах прямых источников света, но движок по-прежнему использует статичные методы для имитации отраженного света. Лишь в редких ситуациях трассировка лучей так же сильно влияет на изображение Shadow of the Tomb Raider, как, например, в недавнем блокбастере Metro Exodus. Игре не помогает и тот факт, что при низком качестве эффектов DXR картинку трудно отличить от того, что дает чистая растеризация с динамическими картами теней. А при высоком качестве трассировки DXR уже бьет по быстродействию не меньше, чем в том же Metro Exodus. Но не будем слишком строгими к разработчикам: по меркам индустрии это уже не новая игра, и подобное внимание к преимущественно однопользовательскому проекту спустя полгода после его выхода можно только приветствовать.

Другая тема сегодняшнего обзора — это DLSS. По задумке NVIDIA, машинное обучение и тензорные ядра архитектуры Turing позволяют существенно увеличить быстродействие GPU при высоких разрешениях экрана, не теряя в качестве изображения. Мы уже не раз убеждались в том, как трудно довести нейросеть до ума в каждой отдельно взятой игре. Но если взять все существующие проекты с поддержкой DLSS (Battlefield V, Final Fantasy XV, Metro Exodus и Shadow of the Tomb Raider), то именно Tomb Raider на данный момент можно смело назвать лучшим примером воплощения этой технологии. Реализация DLSS здесь не лишена отдельных изъянов, но в иных аспектах обеспечивает эталонное качество изображения, которое трудно отличить от «честного» рендеринга в целевом разрешении экрана. В данном случае задержка обновления пошла игре на пользу — чем больше времени уходит на тренировку нейросети, тем лучше оказывается результат.