Szczegółowa analiza śledzenia ścieżki w silniku RE: SER, globalne oświetlenie ReSTIR i wyścigi promieni DLSS w Resident Evil Requiem i PRAGMATA

Najnowsze tytuły firmy CAPCOM, PRAGMATA i Resident Evil Requiem, zapoczątkowały znaczącą zmianę w technologii graficznej, będąc pierwszymi grami wykorzystującymi silnik RE Engine z obsługą path tracingu. Podczas niedawnej prezentacji GDC 2026 zatytułowanej „Real-Time Path Tracing in RE ENGINE for Resident Evil Requiem and PRAGMATA” przedstawiono szczegółowe informacje na temat tej nowatorskiej adaptacji, co czyni ją pozycją obowiązkową dla entuzjastów grafiki i deweloperów.

Ta angażująca prezentacja jest dostępna na kanale NVIDIA Game Developer w serwisie YouTube. Nic dziwnego, że NVIDIA odegrała kluczową rolę we wdrożeniu technologii path tracingu w silniku CAPCOM. W sesji udział wzięli Hitoshi Mishima z zespołu CAPCOM RE Engine, który zgłębił architektoniczne i artystyczne aspekty implementacji, a także Calvin Shu z NVIDIA, który podzielił się swoimi spostrzeżeniami na temat optymalizacji wydajności GPU w tych dwóch grach.

W przypadku CAPCOM, za integrację odpowiadali głównie Kenta Nakamoto i Kosuke Nabata, którzy ukończyli projekt w około półtora roku. Ten postęp ściśle integruje się z technologią NVIDIA DLSS Ray Reconstruction, która zwiększa możliwości usuwania szumów i umożliwia wydajną pracę w czasie rzeczywistym, co ostatecznie wymagało sprzętu NVIDIA GeForce RTX do tych gier.

Slajd prezentacji zatytułowany „RE ENGINE Ray Tracing / Path Tracing Pipeline” przedstawia schemat blokowy z sekcjami oznaczonymi jako „Wspólne”, „GBuffer”, „Oświetlenie”, „Przezroczystość”, „Efekty końcowe” i „Budowanie BVH”, wskazującymi na współdzielone procesy śledzenia promieni i śledzenia ścieżek.

Silnik RE Engine obsługiwał już ray tracing w wersji Resident Evil Village z 2021 roku, co obejmowało takie funkcje, jak globalne oświetlenie oparte na ray tracingu, okluzja otoczenia i odbicia. Jednak w przypadku oświetlenia bezpośredniego silnik opierał się na rastrowaniu, a ray tracing wykorzystywał wyłącznie do oświetlenia pośredniego. Natomiast pełne śledzenie ścieżki (Pełne Path Tracing) przetwarza zarówno oświetlenie bezpośrednie, jak i pośrednie za pośrednictwem ujednoliconego potoku śledzenia ścieżki, co pozwala na uzyskanie lepszej szczegółowości cieni, wyraźniejszych odbić, bardziej niezawodnego odszumiania i zaawansowanej okluzji otoczenia, przewyższającej konwencjonalne metody śledzenia ścieżki. Hierarchia objętości granicznej (Bounding Volume Hierarchy, BVH) jest budowana z wykorzystaniem obliczeń asynchronicznych, co umożliwia współdzielenie zapytań dotyczących promieni i frameworków shaderów materiałów.

W miarę postępu prezentacji, coraz bardziej koncentrowano się na szczegółach technicznych. CAPCOM zastosował technikę strumieniowego przetwarzania danych RIS, aby skutecznie priorytetyzować najważniejsze źródła światła. Kluczowe decyzje projektowe obejmowały:

Wprowadzono kompensację jasności, aby złagodzić ciemne krawędzie w jasno oświetlonych obszarach, wykorzystując aktualizacje zbiornika do regulacji ekspozycji aparatu.
Aby ograniczyć koszty ALU, podczas wyboru kandydatów zastosowano uproszczony model BSDF (łączący model rozproszony Lamberta z modelem zwierciadlanym o pojedynczym płacie).
Oświetlenie oparte na obrazie (IBL) zostało wykluczone z zestawu kandydatów w środowiskach wewnętrznych o wysokiej intensywności IBL, ponieważ próbki te miały tendencję do przesłonięcia, co prowadziło do dużej zmienności i degradacji w rekonstrukcji promieni DLSS.
Próbki jawne NEE włączono przy użyciu metody aliasów Walkera, co umożliwiło wydajne pobieranie próbek trójkątnych na podstawie obszaru i intensywności.

Silnik RE tworzy siatkę 3D (AABB) wokół każdego punktowego źródła światła, o wymiarach 16×128×128 komórek, z których każda zawiera maskę bitową identyfikatora światła. Dzięki temu system RIS strumieniowy może odwoływać się do siatki w każdym punkcie cieniowania, co znacząco optymalizuje wydajność poprzez ocenę tylko istotnych źródeł światła.

Porównanie bezpośrednie przedstawia wpływ technologii „ReSTIR GI” firmy NVIDIA na oświetlenie pośrednie, podkreślając znaczącą poprawę przejrzystości obrazu i próbkowania światła pomiędzy górnym i dolnym obrazem.

Zespół programistów zastosował technikę ReSTIR GI, aby poprawić stabilność jakości rekonstrukcji promieni DLSS, znacząco zmniejszając poziom szumów w oświetleniu pośrednim. Technika ta pozwala na ponowne wykorzystanie próbek ścieżek w różnych klatkach; ścieżki poprzednich klatek są ponownie próbkowane, a ścieżki bieżących klatek są zapisywane w każdym pikselu.

Aby zapobiec nadmiernej korelacji z rekonstrukcją promieni, próbki są pobierane z pozycji nieznacznie przesuniętych względem poprzedniej klatki, a nie z dokładnych dopasowań pikseli. Ta strategia pozwoliła na oświetlenie różnych scen w Resident Evil Requiem i PRAGMATA wyłącznie za pomocą IBL, co przełożyło się na znaczną redukcję poziomu szumów.

Ponadto w prezentacji podkreślono, w jaki sposób bufor pomocniczy DLSS Ray Reconstruction został wykorzystany do korygowania określonych artefaktów wizualnych, takich jak:

Rozpraszanie podpowierzchniowe: Pojawiły się problemy z artefaktami w postaci duchów w obszarach włosów z powodu przejścia rozmycia SSS. Rozwiązanie polegało na zakodowaniu rozbieżności luminancji przed i po rozproszeniu w buforze prowadzącym w celu prawidłowej regulacji.
Szkło mrożone: Podobne typy artefaktów obserwowano na powierzchniach mrożonych, które również udało się wyeliminować za pomocą techniki bufora prowadzącego SSS.
Krople deszczu i przezroczyste kalkomanie: Mechanizm obsługi disokkluzji sprawił, że krople deszczu stały się prawie niewidoczne. Rozwiązanie polegało na wykorzystaniu maski disokkluzji do obliczenia normalnych przed i po nałożeniu kalkomanii.
Animowane tekstury świateł projekcyjnych: Ray Reconstruction miał trudności z szybką zmianą animowanych wzorów światła na powierzchniach; wagi animacji RIS były modulowane względem ogólnych wag, aby to zoptymalizować.
Hologramy: Animacje kolorów emisyjnych w hologramach nie były dokładnie odwzorowane w buforze prowadzącym, co powodowało rozmycie. Wprowadzono zmiany w celu zastąpienia albedo rozproszonego i zwierciadlanego w buforze prowadzącym kolorem emisyjnym.

Obraz porównawczy przedstawiający „Strands Rasterizer Strand Hair” z dwoma sekcjami obok siebie oznaczonymi „Hardware Rasterizer” i „Hardware Rasterizer + Software Rasterizer[4]” firmy NVIDIA.

Zarówno Resident Evil Requiem, jak i PRAGMATA wykorzystują opatentowaną technologię włosów pasmowych firmy CAPCOM, po raz pierwszy zaprezentowaną w Resident Evil 4 Remake (2023), a następnie udoskonaloną. To podejście wykorzystuje hybrydowy proces rasteryzacji sprzętowej i programowej, umożliwiając klasyfikację i selekcję grubszych kępek włosów, a następnie rasteryzację sprzętową dla gęstszych pasm i półprzezroczystość programową dla cieńszych kosmyków. W ray tracingu, siatka zapasowa zastępuje pełną geometrię pasm w BVH. Warto zauważyć, że PRAGMATA rozszerza to do formalnego BVH pasm, aby lepiej dopasować je do długich, falujących włosów głównego bohatera.

Calvin Shu zakończył prezentację, omawiając proces optymalizacji zademonstrowany na scenie testowej z PRAGMATY, prezentującej możliwości technologii DLSS Ray Reconstruction, DLAA i RTX 5090 w rozdzielczości 4K. Ta konkretna scena zawierała 73 światła analityczne i 32 próbki emisyjne z matrycy 4K.

Scena zatytułowana „Scena testowa” przedstawia postać niosącą inną osobę w futurystycznym otoczeniu, z tekstem na ekranie „DLSS-RR (DLAA) na RTX 5090 @ 4K: Zegary zablokowane na bazie”.

Scena	Czas klatki	Notatki
Linia bazowa CS frontu fali	21 ms	Niska wydajność z powodu dużej liczby wątków i nieefektywności w pętlach lekkiego próbkowania.
Uproszczony RIS BRDF	17, 7 ms	Efektywność została osiągnięta poprzez optymalizację losowych wywołań i podzielenie UInt32 na dwie liczby zmiennoprzecinkowe.
Naiwny port SER	23, 5 ms	Osiągnięto wyniki poniżej oczekiwań, nawet bez ponownego zamawiania SER.
SER włączony	20, 8 ms	Poprawiono spójność, ale wystąpiły problemy z pamięcią podręczną instrukcji.
SER + zasoby bez powiązań	~16, 9 ms	Znacznie zmniejszono liczbę instrukcji i rozwiązano wąskie gardła.
Optymalizacje sterowników	13, 3 ms	Nie zostały jeszcze opublikowane w momencie prezentacji.

Proces optymalizacji śledzenia ścieżki w silniku RE Engine był daleki od liniowego, z istotnymi punktami regresji wynikającymi z implementacji mechanizmu Shader Execution Reordering (SER). Badanie wykazało, że połączenie dwóch przebiegów shaderów obliczeniowych w jedno wywołanie promienia ujednoliconej dyspozycji nieumyślnie powodowało duplikację instrukcji, pogłębiając problemy z wydajnością. Przejście na tryb bez powiązań rozwiązuje te problemy, co prowadzi do znaczącej poprawy optymalizacji.

Pod koniec prezentacji Calvin Shu podkreślił znaczenie wdrożenia DXR 1.2 z Shader Execution Reordering w przyszłych implementacjach path-trace. To podejście może osiągnąć przepustowość „ Speed of Light ”, co stanowi ambitny cel wydajnościowy NVIDIA GPU. Przedstawił również nadchodzącą wersję 2.0 mechanizmu DLSS Ray Reconstruction Disocclusion Mask, który ma usprawnić obsługę przypadków brzegowych w grach Resident Evil Requiem i PRAGMATA.

Źródło i obrazy