Групповое тестирование видеокарт в Quake II RTX: «Квака» опять тормозит

Графический движок Quake II RTX. Настройки качества графики. Методика и участники тестирования

В марте NVIDIA объявила, что берет под крыло любительский проект q2vkpt и собирается выпустить собственную версию нетленной классики с графическим движком на основе трассировки лучей. И вот, спустя три месяца томительного ожидания, она перед нами. Но что же особенного в обновлении старинной игры? А те, кто уже поспешил скачать и опробовать Quake II RTX, могут задать вопрос, почему она работает так медленно, как будто на дворе вновь 1997 год, а в компьютере — первая карта Voodoo Graphics.

⇡#Из прошлого — в будущее: графический движок Quake II RTX

В самом деле, пионерские проекты, освоившие трассировку лучей в реальном времени, — Battlefield V, Metro Exodus и Shadow of the Tomb Raider — оказались по силам не только видеокартам серии GeForce RTX, но и, с теми или иными оговорками, ускорителям прошлого поколения. Что именно дает право Quake II RTX рассчитывать на статус самой передовой и требовательной игры для современных GPU? Все дело в том, что в играх переходного периода — от растеризации к трассировке лучей — действует модель гибридного рендеринга, когда Ray Tracing дозированно применяют для симуляции определенных эффектов — теней, отражений или глобального освещения, а львиную долю нагрузки на GPU по-прежнему создает растеризация и шейдерные программы. Даже в Metro Exodus — игре, в которой DXR используется наиболее активно, — пришлось пойти на определенные жертвы (к примеру, в ней нет трассированных отражений). В Quake II RTX, напротив, все освещение целиком рассчитывается с помощью трассировки лучей, а если точнее — по наиболее достоверному и ресурсоемкому методу Path Tracing.

Провести границу между Path Tracing, с одной стороны, и Ray Tracing, с другой, не так-то просто, особенно в таких случаях, как компьютерные игры. Различие между этими методами можно описать в одно и тоже время и количественным, и качественным образом. Но строго говоря, понятие Ray Tracing описывает лишь фундаментальные принципы, лежащие в основе всех подобных алгоритмов: из точки обзора программа посылает множество лучей, которые пересекаются с объектами сцены, отражаются от них и в конечном счете заканчиваются на первичных источниках света (или уходят в бесконечность). В зависимости от того, насколько много лучей отслеживает алгоритм и какую глубину вторичных отражений он допускает, конечный результат будет в той или иной степени приближен к физически достоверному эталону изображения. Предел точности расчетов задает быстродействие оборудования, ведь каждое пересечение луча с геометрией сцены требует выпустить из найденной точки все больше и больше лучей. Именно поэтому в играх пока не может идти речи о полном отказе от растеризации в пользу трассировки лучей, а разработчики используют Ray Tracing для симуляции изолированных, наиболее ярких эффектов освещения.

Path Tracing — один из распространенных алгоритмов рендеринга путем трассировки лучей, который преобладает в «офлайновых» задачах: создании фотореалистичных статических изображений и CGI-анимации в кино. Ключевое достоинство Path Tracing состоит в том, что он лучше прочих методов решает проблему экспоненциального роста вычислительной сложности при расчете множественных отражений луча от поверхностей объектов за счет математических методов Монте-Карло. Тем не менее для современных графических процессоров Path Tracing пока еще считается слишком сложной задачей, если необходимо выполнять рендеринг «в онлайне» — как в играх. Или это уже устаревшая точка зрения?

Quake II оказался удобным подопытным кроликом для того, чтобы провести такой эксперимент. Исходный код движка id Tech 2 уже давно лежит в открытом доступе, а игра имеет богатую историю пользовательских модификаций. После того как NVIDIA выпустила видеокарты с функциями трассировки лучей на уровне кремния, независимый разработчик Кристоф Шилд (Christoph Schied) создал q2vkpt, альтернативный рендерер Quake II под API Vulkan (именно он лег в основу Quake II RTX), в котором все без исключения процедуры переноса света рассчитываются методом Path Tracing. Это чрезвычайно элегантный подход, который объединяет шейдинг (вычисление цвета) пикселов в едином алгоритме и нуждается в минимальной работе над ресурсами игры для того, чтобы получить физически достоверное изображение. Упрощенно говоря, нужно лишь присвоить текстурам те или иные свойства реакции на свет, а оставшуюся работу выполнит алгоритм трассировки лучей.

Однако Path Tracing по-прежнему является чрезвычайно сложной задачей с точки зрения объема вычислений. Согласно разработчикам NVIDIA, рендерер Quake II RTX просчитывает вплоть до нескольких дюжин лучей на каждый пиксел (хотя в большинстве случаев достаточно 5–7):

• луч первого порядка, определяющий видимость объектов — этот этап можно было заменить растеризацией, но полная трассировка упрощает логику рендеринга и позволяет делать такие вещи, как цилиндрическая проекция (соответствующая опция есть в игре для съемки эффектных скриншотов);
• лучи второго порядка для расчета прямого освещения и теней от источников света — в зависимости от числа последних в сцене;
• лучи для расчета непрямого освещения — один отскок луча низком и среднем качестве опции Global Illumination и два при высоком;
• один луч для расчета рефракций и отражений;
• один луч для эффектов света в жидкой среде (Caustics).

И все же по сравнению с высокоточным «оффлайновым» рендерингом Quake II RTX оперирует сравнительно небольшим количеством лучей, а сырой кадр получается довольно «шумным». Цвет недостающих пикселов вычисляется путем аппроксимации данных — причем как из текущего, так из и предшествующих кадров, что одновременно дает эффект временного полноэкранного сглаживания (TAA). Если дать движку время, поставив игру на паузу, то шумоподавление отключается, а кадр за несколько секунд достигает максимальной плотности лучей (однако все скриншоты в обзоре, помимо следующей группы, были сделаны с применением фильтра).

Прелесть комбинации Path Tracing с шумоподавляющим фильтром в том, что такой метод рендеринга в теории можно эффективно масштабировать и на более сложные игры, чем Quake II. В данном случае решающее значение для быстродействия имеет не геометрия сцены, а количество лучей второго порядка при расчетах отраженного освещения и число источников света (к слову, оно в Quake II изначально немаленькое даже по современным стандартам). Если современные графические процессоры готовы нести бремя полной трассировки лучей в Quake II, то и новые проекты с графикой, построенной на принципах Path Tracing, уже могут стать реальностью.

Без шумоподавления (текстуры выкл.)		С шумоподавлением (текстуры выкл.)		Эталон (текстуры выкл.)
Без шумоподавления		С шумоподавлением		Эталон

Quake II RTX является комбинацией q2vkpt с несколькими другими open-source-проектами на основе Quake II — оптимизированным клиентом и выделенным сервером Q2Pro на основе кода id Software (в который входит переписанный, чрезвычайно быстрый рендерер OpenGL), набором текстур Q2XP — и собственными разработками NVIDIA. Так, NVIDIA разместила на уровнях дополнительные источники света, внедрила карты нормалей, множество новых текстур, спрайтов и эффектов частиц, высокодетализированные модели оружия и, наконец, дала игрокам ружье, выбрасывающее световые шашки.

OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX)
OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX On)

Благодаря тому, что разработчики Quake II RTX сменили статическое освещение уровней Quake II, «запеченное» в картах света (lightmaps), на полностью динамическую модель, в игре появился цикл дня и ночи — по умолчанию он привязан к системному времени ПК, но время суток можно выбрать и произвольно. Естественное освещение зависит от рассеивающих свойств атмосферы, облаков и положения солнца на небосклоне — причем оно определяется по упрощенной астрономической модели, включающей широту, на которой находится наблюдатель. Разработчики даже учли такой фактор, как предполагаемый спектральный класс и диаметр светила системы Строггов — эта звезда крупнее, чем Солнце, поэтому она отбрасывает на поверхность планеты более мягкие тени. Все эти переменные также можно отрегулировать вручную.

Рассвет		Утро		День
Вечер		Сумерки		Ночь

Quake II RTX доступна в магазине Steam абсолютно бесплатно и содержит три первых карты одиночной кампании Quake II. Для того чтобы пройти сюжет полностью, придется купить цифровую версию первоисточника или сдуть пыль со старого CD — Quake II RTX устанавливается поверх ресурсов оригинала. И кстати, легендарный мультиплеер «Кваки» никуда не делся: к клиенту Quake II RTX прилагается исполняемый файл выделенного сервера. На совместимость с серверами без RTX мы игру не проверяли, но обратное совершенно точно возможно.

⇡#Настройки качества графики

Графическое меню Quake II RTX включает несколько опций, регулирующих эффекты трассировки лучей. Среди них есть эффекты распространения света в жидкой среде (Caustics), объемные лучи (God Rays) и симуляция широкого динамического диапазона (HDR Bloom).

Caustics Off		Caustics On
God Rays Off		God Rays On

Прямые тени от источников света и отражения в зеркальных поверхностях, знакомые нам по Shadow of the Tomb Raider и Battlefield V, движок формирует в любом случае и не позволяет деактивировать их в графическом интерфейсе (хотя это можно сделать с помощью текстовой команды).

Reflection and Refraction Off

Reflection and Refraction On

Но ключевая опция Quake II RTX, которая оказывает наибольшее влияние на изображение и производительность, — это интенсивность расчетов так называемого глобального освещения (Global Illumination), под которым подразумевается непрямое освещение объектов за счет лучей, отраженных от соседних поверхностей. Меню содержит три предустановленных параметра качества:

• низкий — рассчитывается единичное отражение луча, с половинной плотностью лучей и только применительно к рассеянным отражениям от матовых поверхностей;
• средний — единичное отражение, полная плотность лучей, матовые и блестящие поверхности;
• высокий — то же, что при среднем уровне качества, но допускается двойное отражение лучей. В этом случае расчеты вторичных отражений занимают примерно треть времени рендеринга кадра даже на чипах Turing с аппаратными RT-блоками.

И наконец, можно полностью выключить GI, сохранив в игре лишь прямое освещение, но тогда Quake II RTX будет похож на DOOM 3, знаменитый своими жесткими тенями, — с той разницей, что в Quake II RTX благодаря множественным лучам и аппроксимации цвета пикселов тени всегда имеют мягкие края.

Global Illumination Off		Global Illumination Low
Global Illumination Medium		Global Illumination High

⇡#Качество графики в примерах: RTX Off vs RTX On

Не нужно пристально всматриваться в кадры, чтобы заметить, как сильно трассировка лучей повлияла на облик Quake II. А когда речь идет о локациях с открытым небом, не меньшую роль играет динамический цикл времени суток, причем новые тона игры явно не всем из «старой гвардии» придутся по душе. В ранних демонстрациях Quake II RTX разработчики спровоцировали шквал критики тем, что давящую багровую текстуру строгговского мира поменяли на счастливый голубой небосвод. Финальная версия отошла от столь радикального пересмотра видения id Software, но градус мрачности в Quake II все-таки понизился. Впрочем, если солнечный свет мешает предаваться ностальгии, в меню можно вручную снизить яркость окружающей среды и даже вернуть на небо оригинальную текстуру.

OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX On)
OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX On)
OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX On)
OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX On)
OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX On)
OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX On)
OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX On)
OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX On)
OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX On)
OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX On)
OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX On)
OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX On)
OpenGL (RTX Off)		Vulkan (RTX On)

⇡#Тестовый стенд, методика тестирования

Давние читатели 3DNews наверняка помнят, что в Quake II есть встроенный бенчмарк, для которого нужно активировать режим timedemo в консоли и запустить одну из двух встроенных «демок». Старая методика безотказно работает и в 1997, и в 2019 году. Но достоинство timedemo не только в удобстве и привычках. Это единственный способ протестировать современные GPU в Quake II RTX под API OpenGL — без трассировки лучей, новых эффектов и текстур — для того, чтобы провести базовую линию производительности. В игре установлено ограничение частоты кадров в секунду на уровне 1000 FPS, в которое упирается практически любая из современных мощных видеокарт, а классическая методика timedemo позволяет от него избавиться. Единственное, чего не хватает встроенному бенчмарку, — это вывод показателя минимального FPS. Впрочем, фреймрейт в Quake II RTX на диво стабилен по сравнению с тем, что происходит в большинстве растеризованных и «гибридных» игр, и резких просадок частоты смены кадров здесь не наблюдается.

⇡#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);
• NVIDIA GeForce GTX 1660 Ti (6 Гбайт);
• NVIDIA GeForce GTX 1660 (6 Гбайт);

• NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti (1480/11000 МГц, 11 Гбайт);
• NVIDIA GeForce GTX 1080 (1607/10000 МГц, 8 Гбайт);
• NVIDIA GeForce GTX 1070 Ti (1608/8008 МГц, 8 Гбайт);
• NVIDIA GeForce GTX 1070 (1506/8008 МГц, 8 Гбайт);
• NVIDIA GeForce GTX 1060 (1506/9000 МГц, 6 Гбайт).

Результаты тестирования (1920 × 1080, 2560 × 1440)

⇡#1920 × 1080

С учетом того, какие методы трассировки лучей применяются в обновленной версии Quake II и насколько экстенсивно они используются, не должно стать сюрпризом, что на многих вполне современных видеокартах она и вправду тормозит не меньше, чем оригинал на распространенном железе 1997 года. Но чтобы в полной мере ощутить требования, которые Path Tracing накладывает на GPU, сперва посмотрим, как быстро классическая игра летает в режиме RTX Off.

Команда timedemo позволяет обрушить на OpenGL-движок Quake II всю мощь современных видеокарт NVIDIA, и в результате все устройства на чипах Turing, участвующие в тестировании, без труда преодолели отметку в 2 тысячи (!) кадров/с. К слову, ускорители семейства Pascal ушли еще дальше, вплоть до 2,5 тыс. FPS. Но едва ли это повод усомниться в общей производительности архитектуры Turing под API OpenGL — скорее всего, дело просто в драйвере. В любом случае, мы рассматриваем довольно-таки «патологический» и оторванный от реальности случай. Эти данные нужны лишь для того, чтобы определить высоту, с которой быстродействие будет падать, когда за дело примется Path Tracing.

Действительно, от исходных результатов лучших GPU сегодняшнего дня Quake II RTX даже без опции глобального освещения оставляет не более 7 %, а в худшем случае — мизерные 0,2 %. Впрочем, свыше 2 тыс. FPS — такой запас, который не жалко потратить ради реалистичных эффектов освещения. Так что же получилось в остатке?

Если удовлетвориться 60 FPS в качестве минимальной частоты смены кадров для комфортной игры, то с Quake II RTX справляется ускоритель уровня GeForce RTX 2060 и выше, но только без чрезвычайно требовательной функции Global Illumination. Для того чтобы GI заработал в полную силу, придется сделать один шаг выше по лестнице моделей на чипах Turing — до GeForce RTX 2070. Владельцы GeForce RTX 2080 Ti уже могут ни в чем себе не отказывать: даже при наивысшем качестве трассированного освещения действующий флагман NVIDIA обеспечивает уверенные 89 FPS.

А вот большинство графических карт прошлого поколения остались не у дел: даже GeForce GTX 1080 Ti с трудом пробил отметку 30 FPS без глобального освещения, а с GI на максимуме играть на нем в Quake II RTX уже совершенно невозможно. Старшие модели серии GeForce GTX 16, как и обещала NVIDIA, в силу особенностей архитектуры Turing более успешно справляются с трассировкой лучей по сравнению с «Паскалями»: и GeForce GTX 1660, и GTX 1660 Ti дотянулись до 30 FPS в тестах без глобального освещения.

⇡#2560 × 1440

При рендеринге Quake II без функции Path Tracing для современных графических процессоров нет особенной разницы между разрешениями 1080p и 1440p — в обоих случаях частота смены кадров упирается в центральный процессор. По крайней мере это справедливо для видеокарт на чипах Pascal, тогда как у моделей семейства Turing частота смены кадров не просто не падает вместе с ростом разрешения, а заметно увеличивается — вот такие сюрпризы таит тестирование чрезвычайно мощных современных ускорителей в игре 22-летней давности.

Новый движок с трассировкой лучей, разумеется, не подчиняется столь странным закономерностям. В процентном отношении к результатам под OpenGL быстродействие самых мощных видеокарт в режиме 1440p падает уже на 96 % и более, а модели попроще сохранили не более 1 % исходной производительности. Если учесть, что мы отталкиваемся от чисел в диапазоне 2–2,5 тыс. FPS, разницы в несколько процентов оказалось вполне достаточно для того, чтобы столкнуть на обочину подавляющее большинство участвующих в тестировании устройств. Только GeForce RTX 2080 и RTX 2080 Ti по-прежнему держатся в зоне выше 60 FPS с деактивированной опцией глобального освещения, и даже флагманский ускоритель не гарантирует комфортную игру с Global Illumintaion максимальной интенсивности (с двойным отскоком лучей).

Если понизить требования к частоте смены кадров с 60 до 30 FPS, то линия отреза проходит по младшим видеокартам на чипе TU106 (GeForce RTX 2060). Ни лучшие модели прошлого поколения, ни новомодные ускорители серии GeForce GTX 16 с трассировкой лучей при разрешении 1440p явно не справляются. А ведь впереди еще тесты в режиме 4К. Все идет к тому, что Quake II RTX окажется единственной из существующих игр (кроме, пожалуй, Metro Exodus), которой не хватит GeForce RTX 2080 Ti для рендеринга в 2160p без ресурсоемких методов полноэкранного сглаживания.

Результаты тестирования (3840 × 2160). Выводы

⇡#3840 × 2160

В режиме 2160p видеокарты в Quake II RTX без трассировки лучей наконец-то вырвались из плена процессорозависимости. Мы, если честно, не надеялись, что и в таких условиях это произойдет. Исчезла и парадоксальная картина, когда видеокарты прошлого поколения на чипах Pascal в тестах под API OpenGL доминируют над своими потомками из серии GeForce RTX, хотя о том, чтобы выстроить участников тестирования в соответствии с пиксельным и тексельным филлрейтом графических процессоров, по-прежнему не может идти речи. Чтобы превратить Quake II в подобие синтетического теста этих параметров, размер кадра нужно увеличить еще больше, но читателям, не чуждым курьезным экспериментам, мы предлагаем подобрать необходимые настройки самостоятельно. Заодно можно выяснить, какое разрешение способно просадить GeForce RTX 2080 Ti в играх с ранней 3D-графикой до условных 60 FPS (явно такое, чтобы можно было не стесняясь печатать скриншот на фотообоях).

Как бы то ни было, Quake II RTX с максимальным качеством эффектов Path Tracing при разрешении 4К полностью оправдала наши лучшие и одновременно худшие ожидания. При деактивированном глобальном освещении GeForce RTX 2080 и RTX 2080 Ti с трудом удержались выше критически низкого значения в 30 FPS, а вот GI на уровне High с двойным отскоком лучей не дает флагманскому ускорителю NVIDIA подняться выше 23 FPS. Даже Metro Exodus проходит тесты в 4К значительно быстрее, не говоря уже о том, что ее встроенный бенчмарк состоит из более тяжелых сцен, чем те, которые разворачиваются на большей части сюжетных локаций. Что касается остальных участников тестирования, то они, по сути, годятся в 4К лишь для съемки скриншотов.

⇡#Выводы

Неожиданное возвращение Quake II с модернизированным движком на основе трассировки лучей — это не только повод погрузиться в ностальгию (а для многих — впервые прикоснуться к классике), но и событие, несущее крайне своевременный символизм. Оригинал игры появился в ту пору, когда персональные компьютеры выросли из псевдотрехмерных игр образца DOOM и Duke Nukem 3D и начали осваивать сложную полигональную графику, а на рынке появился совершенно новый тип специализированного оборудования — 3D-ускоритель. Сейчас на наших глазах происходит нечто подобное: рендеринг методом растеризации, на котором выросли сегодняшние гиганты индустрии — NVIDIA и ATi/AMD, рано или поздно должен уступить место трассировке лучей. К сожалению или к счастью, но id Software уже давно перестала быть законодателем мод в компьютерной графике. Пионерами в гибридном рендеринге, сочетающем растеризацию и трассировку лучей, стали другие имена — Battlefield V, Metro Exodus и Shadow of the Tomb Raider. Но какая игра, кроме Quake, достойна стать первым проектом, без оглядки шагнувшим в новую эпоху?

Создатели Quake II RTX полностью отказались от растеризации. Каждый пиксел, который вы видите на скриншотах или на выходе собственной видеокарты (кроме элементов интерфейса), сформирован при помощи трассировки лучей. Но готовы ли современные GPU к столь решительном разрыву со старыми методами? Ответ — не более и не менее, чем железо образца 1997–1998 годов было готово к оригинальной Quake II, с поправкой на иные разрешения и беспрецедентно высокие цены топовых видеокарт. Чтобы лицезреть Quake II RTX во всей красе с резервом частоты смены кадров не меньше 60 FPS при разрешении 1080p, понадобится видеокарта весьма высокого класса и высокой стоимости — GeForce RTX 2070, а абсолютный минимум системных требований — это GeForce GTX 1660.

Те геймеры, которых NVIDIA еще не соблазнила на апгрейд, могут отделаться GeForce GTX 1080 Ti. В свою очередь, режим 1440p уже без исключения зарезервирован за ускорителями под маркой GeForce RTX. И наконец, в 4К даже владельцам GeForce RTX 2080 Ti не светят вожделенные 60 кадров/с. В итоге, пусть оригинальная Quake II все же не была абсолютным лидером по системным требованиям среди игр своего времени, Quake II RTX им, без всяких сомнений, является — и вполне заслуженно.