Pourquoi le Path Tracing est meilleur que le Ray Tracing pour les visuels de jeux

Le traçage de rayons en temps réel dans les jeux fait des vagues depuis que Nvidia a lancé ses cartes de la série RTX 20 en 2018. Ce qui n’était au départ qu’un gadget, a progressivement évolué vers une fonctionnalité que les joueurs recherchent constamment dans leurs jeux préférés. Plus récemment, le débat entre le traçage de chemin et le traçage de rayons a fait des vagues, le premier présentant des visuels plus avancés et réalistes que le second. Avec quelques années supplémentaires et des générations de GPU, le path tracing pourrait enfin devenir courant.

Rastérisation, lancer de rayons et traçage de chemin

Décomposons le traçage de chemin et le traçage de rayons pour voir pourquoi ils sont nécessaires dans les graphiques de jeu.

Traditionnellement, les développeurs utilisent une technique appelée rastérisation pour restituer les visuels des jeux. La rastérisation est la traduction de formes vectorielles mathématiques en pixels afin qu’elles puissent être visualisées sur des écrans d’ordinateur et d’autres écrans basés sur des pixels (contrairement aux anciens écrans CRT).

Certes, la rastérisation a été assez efficace pour se rapprocher du comportement réel de la lumière en utilisant un éclairage « pré-rendu » avec des sources de lumière statiques. Mais, à mesure que la demande de visuels de jeu photoréalistes augmentait – parallèlement à la technologie pour les alimenter – le lancer de rayons en temps réel est finalement devenu accessible aux joueurs.

Contrairement à la rastérisation, le lancer de rayons tente de simuler le comportement réel de la lumière dans chaque image d’un jeu ou d’une application. Comme la lumière peut être réfléchie, réfractée ou absorbée après avoir interagi avec plusieurs objets dans la réalité, le même comportement des rayons lumineux est calculé pour chaque pixel d’une image. Cela revient à calculer le comportement de millions de rayons simulés pour une seule image. C’est pourquoi le lancer de rayons est si lourd en termes de calcul.

Le lancer de rayons en lui-même n’a rien de nouveau. Développé en 1969, le lancer de rayons a été utilisé à des degrés divers par les studios de cinéma depuis les années 1970. Mais Hollywood a le luxe de « pré-rendu » chaque image d’un film en utilisant des « fermes de rendu » qui peuvent parfois prendre des semaines pour restituer une seule scène par lancer de rayons.

Le lancer de rayons en temps réel dans les jeux est différent, car il doit effectuer ce calcul complexe dans un environnement évoluant de manière dynamique pour chaque image. C’est également la raison pour laquelle la plupart des jeux de lancer de rayons (même lorsqu’ils utilisent l’accélération matérielle des GPU modernes) n’utilisent qu’un ou deux éléments de lancer de rayons en combinaison avec rastérisation, comme les réflexions ou les ombres par lancer de rayons.

Venons-en maintenant au traçage du chemin. À la base, le traçage de chemin n’est qu’une version modifiée du traçage de rayons. Au lieu de tracer le chemin de chaque rayon lumineux – qu’il s’agisse de rayons primaires ou de rayons rebondis (secondaires), le traçage de chemin calcule uniquement le chemin le plus probable que la lumière prendrait lorsqu’elle serait projetée à travers une scène.

Conçu dans les années 1980, le traçage de chemin nécessite des mathématiques plus complexes impliquant plusieurs rayons pour chaque pixel, mais en fin de compte, cela revient à réduire la surcharge du matériel de rendu, c’est-à-dire votre GPU. Le tracé de chemin est une approximation du tracé de rayons utilisant des simulations de Monte Carlo – des modèles de probabilité qui aident à prédire les résultats les plus probables dans des situations où une prédiction précise est incroyablement difficile.

Il existe d’autres variantes du lancer de rayons, telles que la cartographie photonique (développée en 2001), une technique d’éclairage global en deux étapes. La première étape utilise les rayons lumineux dans toute une scène pour créer une carte de photons contenant des données de couleur et d’éclairage, et la deuxième étape restitue la scène en temps réel, à l’aide de la carte de photons prétraitée. Le mappage de photons peut techniquement réduire encore davantage la surcharge de rendu, mais il est assez complexe et sujet à certains artefacts lorsqu’il existe un matériel moins puissant.

Le traçage de chemin est meilleur que le traçage de rayons

Si le tracé de chemin se rapproche de l’effet du tracé de rayons, pourquoi est-il meilleur ? Le résultat ne devrait-il pas être inférieur au lancer de rayons ?

Non. Le débat entre le traçage de chemin et le traçage de rayons est un peu plus nuancé. Il a été démontré que le traçage de chemin – parfois appelé traçage complet de rayons – produit un éclairage plus réaliste dans les jeux. Des jeux récents comme Cyberpunk 2077 et Alan Wake 2 ont montré à quoi peut ressembler le lancer de rayons à part entière (avec l’aide du traçage de chemin).

Le traçage de chemin a même été implémenté dans des titres plus anciens comme Quake 2, Portal, The Elder Scrolls V: Skyrim et Half-Life, les transformant de graphiques datés en démos technologiques.

Le traçage de chemin peut produire un éclairage plus réaliste grâce à l’échantillon de données plus important auquel il a accès. Contrairement au lancer de rayons, le tracé de chemin projette plusieurs rayons lumineux pour chaque pixel de la scène, en échantillonnant une poignée d’entre eux pour arriver au résultat final. Cela permet à l’algorithme – assisté par le débruitage, grâce au DLSS de Nvidia – de produire des ombres, des reflets et un éclairage global plus définis.

Le suivi de chemin est techniquement plus simple sur les GPU

Malgré les calculs plus complexes, le débruitage et les astuces de l’IA impliqués dans le traçage de chemin, cela finit par être plus facile sur les GPU – du moins en théorie.

Les jeux développés à partir de zéro en utilisant le traçage de chemin bénéficieraient le plus de cette moindre surcharge. Cela n’a pas été le cas très souvent. Le traçage de chemin a été introduit dans divers jeux sous forme de mise à jour, des années après la version originale.

Même Alan Wake 2, que Nvidia prétend être un « jeu entièrement par lancer de rayons », n’utilise pas le traçage de chemin de manière universelle. C’est différent, car il a l’air époustouflant même sans cela, étant également l’un des meilleurs jeux sur PS5.

Dans l’état actuel des choses, ces titres sont ridiculement difficiles à exécuter à des fréquences d’images jouables, même avec les GPU les plus haut de gamme. La série RTX 40 de Nvidia doit utiliser un éventail de fonctionnalités d’IA uniquement pour restituer ces jeux à des résolutions inférieures et les mettre à niveau pour produire des résultats acceptables.

Mais dans quelques années, à mesure que L’IA dans les jeux révolutionnera l’industrie du jeu, la mise en œuvre du path tracing deviendra beaucoup plus facile sur les GPU grand public. .

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Le suivi de chemin n’est pas une nouvelle technique

Depuis les années 2000, le traçage de chemin a été utilisé par les studios de cinéma, tels que Disney et Sony, pour restituer des films d’animation avec un traçage complet. La théorie est valable depuis les années 1980, et maintenant le traçage de chemin en temps réel est arrivé dans des jeux populaires, bien que d’une lourdeur prohibitive, pour que les gens puissent le voir se produire sous leurs yeux.

Le traçage de chemin n’est pas une technique radicalement nouvelle qui mettra beaucoup de temps à se répercuter sur davantage de jeux et sur du matériel plus abordable. Alors que des entreprises comme Nvidia, AMD et Intel rivalisent pour améliorer leurs GPU et investir dans des algorithmes d’IA avancés, le traçage de chemin ne fera que devenir plus répandu dans les jeux ainsi que dans d’autres médias. Et cela arrivera le plus tôt possible.

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Le lancer de rayons, le traçage de chemin et la rastérisation fonctionneront ensemble

Aussi avancé et impressionnant que soit le traçage de chemin, il ne peut toujours pas tout faire parfaitement. Son plus grand avantage, celui d’avoir accès à plus de données, est aussi son plus gros inconvénient.

Le lancer de rayons est toujours supérieur dans les cas où les données disponibles sont petites (comme les donjons sombres) ou dans le cas de surfaces réfléchissantes et réfractives (comme les plans d’eau ou le verre). C’est pourquoi les courses de rayons ne disparaîtront pas soudainement de la scène avec l’avènement du tracé de chemin dans les jeux.

Les développeurs, comme toujours, utiliseront probablement une combinaison de techniques de rendu pour produire la scène la plus réaliste dans n’importe quelle situation. Par conséquent, le lancer de rayons et le traçage de chemin, ainsi que la rastérisation, propulseront ensemble les jeux dans un avenir proche.

Toutes les quelques années, une nouvelle technologie fait l’actualité, car elle promet de rendre les jeux plus photoréalistes que jamais. D’abord, il y a eu les shaders, puis la tessellation, suivi du lancer de rayons et maintenant du traçage de chemin. Mais ces technologies ont également un impact considérable sur les performances de jeu. Si vous pensez que votre PC actuel n’est pas en mesure de tirer parti de ces techniques new age dans les jeux, vous devrez peut-être acheter un nouveau GPU . J’espère seulement qu’en attendant les jeux entièrement tracés du futur, les GPU du futur deviendront également accessibles au joueur moyen.

Crédit image : Vue rapprochée d’une carte GPU moderne avec circuit par DepositPhotos