O que é ray tracing e por que esta técnica de gráficos para games é tão interessante

A Nvidia anunciou recentemente novas placas gráficas de ponta com uma designação RTX anexada aos números dos modelos – o que o RTX indica são as capacidades aprimoradas de ray tracing (traçado de raios) da placa, o que pode trazer um novo nível de realismo aos jogos. Aqui está o que você precisa saber sobre o ray tracing e como ele vai aparecer nas placas gráficas do futuro.

O nome é uma indicação do que o Ray Tracing realmente é: tentar determinar o caminho dos fótons de luz em ambientes virtuais, para que esses ambientes virtuais pareçam tão realistas quanto possível. Ser capaz de descobrir como a luz deve agir em uma cena requer muito poder computacional, ainda mais quando objetos e fontes de luz começam a se mover (como tendem a fazer em jogos e filmes).

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O ray tracing não é algo novo. Os programadores têm feito experiências desde os primeiros dias da computação gráfica. O que mudou ao longo do tempo é quão realista e detalhado ele pode ser e o quão rápido ele pode ser computado, com as novas placas da Nvidia a tecnologia está dando um novo salto.

Como o Ray Tracing funciona

Imagem: Nvidia

O ray tracing tenta descobrir o caminho da luz, imaginando o olho observando uma cena e fazendo o caminho inverso, até a fonte de luz. A cor de cada pixel deve ser calculada com base nos objetos de uma cena, na relação entre eles e no número, tipo e posição das fontes de luz da cena – não é um conjunto simples de cálculos.

O modo como a luz incide sobre um pano preto é diferente de como ele cai em uma esfera cromada, é claro, e os algoritmos de traçado de raios precisam levar em conta todas essas propriedades de cada objeto em vista de cada fonte de luz que incide neles. A luz salta e reflete também, tornando ainda mais difícil o processo de descobrir as cores de milhões de pixels.

Como resultado, é necessário uma enorme quantidade de poder de processamento. Já vemos cenas utilizando o ray tracing de alta qualidade há anos, mas elas têm sido restritas a imagens estáticas ou cenas que podem ser processadas com bastante antecedência – cenas de efeitos especiais em filmes conseguiram implantar o ray tracing muito antes dos videogames, porque enorme sistemas computacionais podem passar dias calculando a física de uma cena.

A Pixar até publicou um artigo sobre como usou o ray tracing no filme Carros. “Adicionar o ray tracing ao renderizador permite muitos efeitos adicionais, como reflexos precisos, sombras detalhadas e oclusão de ambiente”, explica a Pixar. (Oclusão de ambiente é uma técnica usada para melhor entender onde a luz é bloqueada em uma cena, e como isso é representado na tela).

Imagem: Nvidia

Muitos dos efeitos impressionantes trazidos pelo ray tracing – reflexos, sombras, refrações – já existem em jogos de computador, mas os detalhes desses efeitos são em grande parte falsificados ou estimados por artistas gráficos. A mudança para o traçado de raios verdadeiro e em tempo real foi comparada à mudança de gráficos pintados por artistas para gráficos calculados pela física.

Até agora, os jogos dependiam somente de uma técnica de renderização chamada rasterização, onde, em vez de bombardear uma cena com milhões de raios de luz virtual em todas as direções, os processadores gráficos calculam como os milhões de triângulos que compõem os modelos 3D deveriam parecer convertidos em pixels e imagens planas em 2D, mas somente um por vez. Raios de luz simulados vindos diretamente de uma fonte de luz virtual influenciam a cor e o brilho desses pixels renderizados, mas vários triângulos não podem afetar um ao outro, exigindo sombras, iluminação indireta e reflexos para que todos sejam inteligentemente simulados.

Nos melhores jogos de hoje, no melhor hardware, parece fantástico – mas ainda não é como olhar para o mundo real. O ray tracing em tempo real promete outro passo nessa direção.

Imagem: Nvidia

A luz é particularmente difícil de parecer certa com a rasterização: ela é tratada mais ou menos como uma linha reta, iluminando os lados dos objetos mais próximos da fonte de luz e projetando uma sombra do outro lado, mas no mundo real ela não funciona assim.

Graças aos engenheiros da Nvidia, Microsoft e outros, chegamos agora ao estágio em que a iluminação ultra-realista pode ser mapeada sem ser pré-renderizada. Você deve ver a diferença mais claramente em configurações de iluminação complicadas, onde há uma fileira de portas de vidro, ou um vitral, ou uma cachoeira.

Ray tracing nas placas Nvidia

Imagem: Nvidia

Com a mudança de nome de GTX para RTX, a Nvidia está fazendo um grande estardalhaço em cima dos recursos de ray tracing de sua nova série de placas. Essas placas e as GPUs de Turing contidos neles foram projetados especialmente para lidar com os tipos de cálculos avançados e exigentes que o rastreamento de raios exige.

Se você pensar em como a luz viaja através de uma cena – literalmente na velocidade da luz – e como sombras, reflexos e refrações são formados (como quando a luz passa pela água), é perfeitamente compreensível por que as placas gráficas caseiras demoraram todo esse tempo para chegar a um estágio em que o ray tracing em tempo real é possível.

Confira a demonstração de Shadow of the Tomb Raider da Nvidia abaixo, por exemplo. Já vimos truques de iluminação como esse antes, mas não com os mesmos detalhes ou com o mesmo nível de realismo: observe como a forte luz de fundo é suficiente para transformar objetos e pessoas em silhuetas completas, algo que precisa do poder do ray tracing para funcionar adequadamente.

É algo que engenheiros e pesquisadores vêm trabalhando há meio século, tanto na computação quanto na produção de filmes. A melhor cena de computação gráfica no cinema agora parece parte do mundo real, com reflexos e refrações e tudo, e agora as novas placas da Nvidia prometem trazer o mesmo realismo aos jogos.

“O ray tracing em tempo real substitui a maioria das técnicas usadas hoje em renderização padrão por cálculos ópticos realistas que reproduzem a maneira como a luz se comporta no mundo real, oferecendo imagens mais reais”, disse a Nvidia.

Outro exemplo mostrado abaixo vem de uma demonstração da tecnologia dentro do Unreal Engine publicada em março. Observe os detalhes e a qualidade das reflexões na cena – de repente, ela mal se distingue da ação ao vivo (embora essa demonstração exigisse uma configuração extremamente poderosa do PC e alguma rasterização de plano de fundo para funcionar).

As novas placas dividem o ray tracing em dois componentes –projeção dos raios (que rastreia os caminhos dos raios) e sombreamento (que determina a aparência final dos objetos). Os núcleos de ray tracing nas novas placas RTX são projetados para acelerar especificamente a transmissão de raios, portanto, o desempenho aumenta e as melhorias visuais variam dependendo da geometria de uma cena e de quanto trabalho precisa ser feito.

Sendo as primeiras placas gráficas de consumidor a incluir hardware específico para ray tracing, a série RTX 2000 representa outro marco na renderização em tempo real. É claro que sombras, reflexos e outros truques de iluminação estão em jogos há anos, mas agora eles não precisam ser distorcidos ou aproximados – eles podem ser calculados com precisão.

Ainda é uma tecnologia recente, e os jogos terão que ser programados especificamente para aproveitar o hardware RTX. No momento, a lista de jogos que suporta os novos padrões é relativamente pequena, mas deve crescer e crescer com o tempo. Como já dissemos, a revolução do ray tracing não vai ser da noite para o dia, mas já está começando.