Как современные технологии улучшают производительность в играх
Реконструкция изображения с помощью ИИ и другие хитрости разработчиков — на примере ноутбука MSI Vector GP77 13V.
Графика в новейших играх достигла уровня, на котором «сырой» мощности видеокарты уже недостаточно. Для достижения высокой частоты кадров при самой красивой картинке применяются хитрые алгоритмы под управлением искусственного интеллекта. Чтобы этот ИИ мог работать, в современных ускорителях появились дополнительные ядра. И сегодня такие аппаратные решения есть и в игровых ноутбуках.
Например, в
MSI Vector GP77 13V. Установленная в нем мобильная видеокарта RTX 4070 обладает и тензорными ядрами для работы сложных алгоритмов сглаживания, и RT-блоком для расчета трассировки лучей. А чтобы ее ничего в системе не ограничивало, в ноутбуке есть мощный процессор Intel Core i7-13700H, быстрый SSD на 1 ТБ и 16 ГБ оперативной памяти DDR5 с частотой 5200 МГц.
Все это позволит вывести современные блокбастеры с максимальными настройками графики на отличный монитор с разрешением 2560x1440 пикселей и частотой обновления 240 Гц. А вот как в этом помогут ИИ и другие новейшие технологии — рассмотрим далее в этой статье.
Реконструкция изображения
Человеческое зрение – интересная штука. Мы смотрим на 24 фотографии, сменяющие друг друга за секунду, и видим плавное движение — кино. Мозгу достаточно такого количества картинок, чтобы обмануться. А телевидение десятилетиями удаляет из итогового изображения половину информации о цвете, но мы этого не замечаем.
И особенности того, как наш мозг интерпретирует увиденное глазами, сегодня активно используются алгоритмами реконструкции изображения. Теми самыми, которые растягивают картинку из низких разрешений на экран 4K, почти не позволяя нам заметить потерю детализации.
Разрешение 4K — это 8,3 млн пикселей. При 60 кадрах в секунду на экране за указанный короткий отрезок времени сменяются 500 млн точек. А при 120 FPS — уже 1 млрд. И абсолютному большинству игроков совершенно необязательно видеть весь этот миллиард.
С усложнением игровой графики и приближением к фотореализму даже самым мощным видеокартам сложно демонстрировать такое количество пикселей и поддерживать на экране одновременно и красивую картинку, и высокую частоту кадров. Для решения этой проблемы создатели видеокарт и современных движков придумали ряд ухищрений.
В 2019 году NVIDIA представила DLSS (Deep Learned Super Sampling) — очень качественное сглаживание с применением нейросетей и машинного обучения. И тензорные ядра для видеокарт, чтобы эту технологию использовать. Блок таких ядер реконструирует изображение из низкого разрешения в более высокое почти без потери качества.
При включении DLSS каждый следующий кадр игры рендерится с небольшим сдвигом, после чего ИИ складывает несколько таких картинок и «достраивает» финальное изображение до более высокого разрешения, чем исходное. Алгоритм учитывает не только информацию о предыдущих кадрах, но и векторы движения пикселей, добавляя в итоговый вариант только необходимые.
Система улучшается с каждым поколением видеокарт NVIDIA, и самая совершенная версия DLSS работает исключительно с ускорителями на архитектуре Ada Lovelace. Именно к ним относится установленная в MSI Vector GP77 13V видеокарта RTX 4070. И этот ноутбук способен проводить все вычисления, необходимые для качественной реконструкции изображения.
AMD не могла остаться в стороне и придумала свою версию алгоритма — FSR (FidelityFX Super Resolution). Вместо машинного обучения он использует написанные программистами эвристики, так как на видеокартах AMD нет специальных тензорных ядер, как на NVIDIA RTX.
Обычно результат работы DLSS выглядит лучше, чем у FSR, зато последний работает на любой современной видеокарте и на игровых консолях. При необходимости, если игра не поддерживает DLSS, ноутбук Vector GP77 без проблем включит FSR.
Генерация кадров
Самый очевидный способ увеличить фреймрейт — «дорисовать» дополнительные кадры. Метод старый и проверенный. Практически в каждом телевизоре за последние десять лет есть функция вроде TrueMotion, Auto Motion Plus, MotionFlow, Intelligent Frame Creation и подобных.
Все это маркетинговые названия для технологии генерации оптического потока.
Алгоритм использует информацию из двух соседних кадров и генерирует между ними усредненное изображение. И вот уже 30 FPS выглядят как 60. Но эта видимость не нравится киноманам и многим режиссерам, а игроку не только не дает никаких преимуществ, но порой даже вредит.
Главное преимущество высокой частоты кадров в играх не в плавности изображения, а в скорости отклика на команды геймера. При 30 FPS каждый кадр генерируется 33 мс, при 60 — 16,5 мс, при 120 — 8 мс. Чем меньше время, тем быстрее на экране сменится картинка, и тем отзывчивее реакция на нажатия клавиш.
Но когда телевизор генерирует промежуточные кадры, каждый кадр появляется на экране позже, потому что он все еще рендерится раз в 33 мс, но к этому добавляется время на создание дополнительных изображений. Плавность в данном случае — лишь иллюзия, которую легко подхватывает наш мозг.
К тому же алгоритм генерации оптического потока не знает, когда резко изменится ракурс в заставках, а также куда направится быстро движущийся по экрану объект. Это приводит к появлению неприятных графических артефактов и подергиваний изображения.
А вот игровые движки и алгоритмы вроде DLSS все это знают. В видеокартах GeForce RTX 4000 серии есть блок ускорения генерации оптического потока, который позволяет учитывать в том числе и векторы движения, а потом корректировать промежуточные кадры при помощи машинного обучения.
Артефакты все равно иногда встречаются, но гораздо реже. А во время игрового процесса в худшем случае бывают небольшие мерцания. Небольшая цена за возможность поднять фреймрейт, например, с 90 до 120 FPS нажатием одной кнопки.
Ноутбуки здесь обладают еще одним преимуществом. На небольших экранах лэптопов из-за высокой плотности пикселей эти артефакты не так заметны, как на больших телевизорах или мониторах по 27 и более дюймов.
К тому же генерацию кадров можно использовать для снижения нагрузки на видеокарту, а следовательно, для уменьшения энергопотребления и тепловыделения. Так что устройства вроде
MSI Vector GP77 от применения новых алгоритмов могут выиграть даже больше, чем настольные ПК.
Аналог алгоритма от AMD, как и в случае со сглаживанием FSR, работает без искусственного интеллекта. К тому же пока имеет проблемы с равномерной генерацией: при включении вертикальной синхронизации FSR 3 Frame Generation вместо плавной анимации может создать дергающееся изображение.
Обе технологии страдают от задержек изображения. NVIDIA вместе с DLSS FG вынуждает разработчиков внедрять в игры технологию Reflex, которая сокращает время между действием игрока и появлением нового кадра на экране. AMD на своем аналоге, Anti-Lag+, не настаивает.
Результаты у Reflex лучше — тестирование портала TechSpot показывает, что вместе с этим алгоритмом при включении DLSS FG игра откликается на действия геймера на 17 мс быстрее, чем FSR FG с Anti-Lag+.
Реконструкция лучей
Трассировка лучей так или иначе есть в большинстве современных ААА-игр. Но она все еще достаточно требовательна к ресурсам ПК, особенно ее самая продвинутая и физически корректная версия — трассировка путей.
Поэтому разработчики сокращают число лучей на каждый пиксель изображения, а сами лучи «выстреливают» в случайном порядке. В итоге на экране может появиться мерцание, похожее на «шум» цифровых камер. Чтобы избавиться от него, используют алгоритмы шумоподавления.
К сожалению, зачастую оно подавляет и некоторые мелкие детали, делая изображение размытым. Это происходит из-за того, что шумоподавление настраивается вручную под каждый эффект, и во многих играх с большим количеством трассировки одновременно работают несколько алгоритмов. И когда каждый усредняет информацию из соседних кадров, в сумме выходит результат ниже среднего.
NVIDIA предложила свой подход, при котором алгоритм ИИ определяет тип эффекта вроде отражений или глобального освещения и выделяет их, сохраняя детали без шума. Обычный алгоритм оставляет из предыдущего кадра только условно «хорошую» информацию, сглаживая детали. Но реконструкция лучей действует иначе.
Она использует ИИ, натренированный на «чистых» изображениях без шума — с высоком разрешением и с большим количеством лучей на каждый пиксель. А также на этих же картинках, но в пониженном разрешении для технологии DLSS. Это помогает отделять правильные детали от шума, а заодно повышает производительность в играх.
Несколько одновременно работающих обычных алгоритмов шумоподавления ощутимо снижают частоту кадров. Например, в некоторых сценах Alan Wake 2 она может упасть в 10 раз.
Реконструкция лучей избавляет видеокарту и процессор от лишней нагрузки, которая возникает при большом количестве параллельно работающих «шумодавов». Высвободившиеся ресурсы не только дают ощутимый прирост FPS, но и повышают качество изображения.
Алгоритм также использует тензорные ядра и требует наличия видеокарты RTX. Необязательно самой новой, но всегда лучше получить максимум от технологий. MSI Vector GP77 13V справится и с реконструкцией лучей, и с другими указанными в статье хитростями разработчиков.
Сеточные шейдеры
Мы уже
рассказывали про сеточные шейдеры ранее — эта технология рендерит огромное количество геометрических деталей, по мере необходимости снижая число полигонов в зависимости от расстояния до объекта и ракурса камеры.
Но есть нюанс — ее нельзя добавить в уже готовую игру. Чтобы использовать сеточные шейдеры, необходимо еще на раннем этапе проектирования выбрать поддерживающий этот инструмент движок и уже под его возможности создавать модели и уровни.
Сложности добавляет и то, что не все железо поддерживает эти алгоритмы по умолчанию. Например, Xbox Series умеет работать с сеточными шейдерами, а для PlayStation 5 разработчикам приходится создавать дополнительные костыли внутри движка. Это и ресурсов требует, и на стабильности может сказаться.
На старых видеокартах сеточные шейдеры работают очень медленно. Alan Wake 2 на GeForce GTX 1080 демонстрирует максимум 21 кадр в секунду. А добиться стандартных для консолей 30 FPS можно только понижением разрешения до 640х360.
Новое железо справляется в разы лучше, так что владельцы MSI Vector GP77 13V, в котором установлена RTX 4070, вышедшая только в 2023 году, смогут увидеть все технологическое великолепие актуальных блокбастеров. Которые все чаще будут использовать современные алгоритмы по мере распространения Unreal Engine 5.
Современные технологии позволяют рендерить в реальном времени только самые необходимые в каждый момент детали. Сейчас искусственный интеллект и сложные алгоритмы доступны далеко не всем игрокам, но со временем они распространятся на железо всех ценовых сегментов и окажутся во всех играх. MSI Vector GP77 13V позволяет заглянуть в будущее уже сегодня. К тому же современное сглаживание и реконструкция изображения помогут снизить энергопотребление и тепловыделение за счет снижения нагрузки на видеокарту. А это для ноутбуков особенно важно.