Perché il Path Tracing è migliore del Ray Tracing per le immagini di gioco

Il ray tracing in tempo reale nei giochi ha fatto scalpore da quando Nvidia ha lanciato le sue schede della serie RTX 20 nel 2018. Quello che inizialmente era poco più di un espediente, si è gradualmente evoluto in una funzionalità che i giocatori cercano costantemente nei loro giochi preferiti. Più recentemente, il dibattito tra path tracing e ray tracing ha fatto scalpore, con il primo che mostra immagini più avanzate e realistiche rispetto al secondo. Con qualche anno in più e generazioni di GPU, il path tracing potrebbe finalmente diventare mainstream.

Rasterizzazione, Ray Tracing e Path Tracing

Analizziamo il path tracing e il ray tracing per capire perché sono necessari nella grafica dei giochi.

Tradizionalmente, gli sviluppatori utilizzano una tecnica chiamata rasterizzazione per eseguire il rendering delle immagini di gioco. La rasterizzazione è la traduzione di forme vettoriali matematiche in pixel in modo che possano essere visualizzate sui monitor dei computer e su altri display basati su pixel (a differenza dei vecchi display CRT).

Certo, la rasterizzazione è stata piuttosto efficace nell’approssimare il comportamento della luce nel mondo reale utilizzando un’illuminazione “pre-renderizzata” con sorgenti luminose statiche. Ma, con la crescita della domanda di immagini di gioco fotorealistiche, insieme alla tecnologia che le alimenta, il ray tracing in tempo reale è finalmente diventato disponibile per i giocatori.

A differenza della rasterizzazione, il ray tracing tenta di simulare il comportamento reale della luce in ogni fotogramma di un gioco o di un’applicazione. Poiché la luce può riflettere, rifrangere o essere assorbita dopo aver interagito con più oggetti nella realtà, lo stesso comportamento dei raggi luminosi viene calcolato per ogni singolo pixel di un fotogramma. Ciò equivale a calcolare il comportamento di milioni di raggi simulati per un solo fotogramma. Questo è il motivo per cui il ray tracing è così pesante dal punto di vista computazionale.

Il ray tracing in sé non è una novità. Sviluppato nel 1969, il ray tracing è stato utilizzato dagli studi cinematografici a vari livelli a partire dagli anni ’70. Ma Hollywood può permettersi il lusso di “pre-renderizzare” ogni fotogramma di un film utilizzando “render farm” che a volte possono richiedere settimane per eseguire il rendering di una singola scena con ray tracing.

Il ray tracing in tempo reale nei giochi è diverso, poiché deve eseguire questo calcolo complesso in un ambiente che cambia dinamicamente per ogni singolo fotogramma. Questo è anche il motivo per cui la maggior parte dei giochi con ray tracing, anche quando utilizzano l’accelerazione hardware delle moderne GPU, utilizzano solo uno o due elementi di ray tracing in combinazione con rasterizzazione, come riflessi o ombre con ray tracing.

Veniamo ora al tracciamento del percorso. Fondamentalmente, il path tracing è solo una versione modificata del ray tracing. Invece di tracciare il percorso di ogni singolo raggio di luce, siano essi raggi primari o rimbalzati (secondari), il tracciamento del percorso calcola solo il percorso più probabile che la luce seguirebbe quando viene inquadrata attraverso una scena.

Concepito negli anni ’80, il tracciamento del percorso richiede una matematica più complessa che coinvolge più raggi per ogni singolo pixel, ma alla fine equivale a ridurre il sovraccarico per l’hardware di rendering, ovvero la GPU. Il path tracing è un’approssimazione del ray tracing che utilizza simulazioni Monte Carlo: modelli di probabilità che aiutano a prevedere i risultati più probabili in situazioni in cui una previsione precisa è incredibilmente difficile.

Esistono altre varianti del ray tracing, come la mappatura dei fotoni (sviluppata nel 2001), una tecnica di illuminazione globale in due fasi. Il primo passaggio utilizza i raggi luminosi in tutta la scena per creare una mappa di fotoni contenente dati di colore e illuminazione, mentre il secondo passaggio esegue il rendering della scena in tempo reale, utilizzando la mappa di fotoni preelaborata. La mappatura dei fotoni può tecnicamente ridurre ulteriormente il sovraccarico del rendering, ma è piuttosto complessa e soggetta ad alcuni artefatti quando l’hardware è meno potente.

Il tracciamento del percorso sembra migliore del ray tracing

Se il path tracing si avvicina semplicemente all’effetto del ray tracing, perché è migliore? Il risultato non dovrebbe essere inferiore al ray tracing?

No. Il dibattito tra path tracing e ray tracing è un po’ più sfumato. È stato dimostrato che il tracciamento del percorso, a volte chiamato ray tracing completo, produce un’illuminazione più realistica nei giochi. Recenti giochi come Cyberpunk 2077 e Alan Wake 2 hanno mostrato come può essere il ray tracing completo (con l’aiuto del path tracing).

Il tracciamento del percorso è stato implementato anche in titoli più vecchi come Quake 2, Portal, The Elder Scrolls V: Skyrim e Half-Life, trasformandoli da grafica datata a demo tecnologiche.

Il tracciamento del percorso può produrre un’illuminazione più realistica grazie al campione di dati più ampio a cui ha accesso. A differenza del ray tracing, il path tracing spara più raggi di luce per ogni pixel nella scena, campionandone una manciata per arrivare all’output finale. Ciò consente all’algoritmo, assistito dal denoising, grazie al DLSS di Nvidia, di produrre ombre, riflessi e illuminazione globale più definiti.

Il tracciamento del percorso è tecnicamente più semplice sulle GPU

Nonostante i calcoli più complessi, il denoising e gli inganni dell’intelligenza artificiale coinvolti nel tracciamento del percorso, finisce per essere più facile per le GPU, almeno in teoria.

I giochi sviluppati da zero utilizzando il tracciamento del percorso trarrebbero maggiori benefici da questo minor sovraccarico. Questo non è stato il caso troppo spesso. Il tracciamento del percorso è stato introdotto in vari giochi come aggiornamento, anni dopo la versione originale.

Anche Alan Wake 2, che secondo Nvidia è un “gioco completamente ray tracing”, non utilizza il path tracing universalmente. È diverso, perché sembra mozzafiato anche senza, essendo anche uno dei migliori giochi per PS5.

Per come stanno le cose adesso, tali titoli sono ridicolmente difficili da eseguire a frame rate riproducibili, anche con le GPU di fascia alta. La serie RTX 40 di Nvidia deve utilizzare una serie di funzionalità AI solo per eseguire il rendering di questi giochi a risoluzioni inferiori e migliorarli per produrre risultati accettabili.

Ma, tra qualche anno, man mano che l’intelligenza artificiale nei giochi rivoluziona il settore dei giochi, le implementazioni del tracciamento del percorso diventeranno molto più semplici sulle GPU tradizionali .

Queste GPU corrispondono o superano le prestazioni della PS5.

Il tracciamento del percorso non è una nuova tecnica

Dagli anni 2000, il path tracing è stato utilizzato dagli studi cinematografici, come Disney e Sony, per eseguire il rendering di film d’animazione con path tracing completo. La teoria è valida fin dagli anni ’80, e ora il tracciamento del percorso in tempo reale è arrivato nei giochi popolari, anche se proibitivamente pesanti, affinché le persone possano vederlo accadere davanti ai loro occhi.

Il tracciamento del percorso non è una tecnica radicalmente nuova che richiederà molto tempo per arrivare a più giochi e hardware più convenienti. Mentre aziende come Nvidia, AMD e Intel competono per migliorare le proprie GPU e investire in algoritmi di intelligenza artificiale avanzati, il tracciamento del percorso diventerà sempre più diffuso nei giochi e in altri media. E questo accadrà prima piuttosto che dopo.

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Ray Tracing, Path Tracing e Rasterizzazione funzioneranno insieme

Per quanto avanzato e impressionante sia il path tracing, non è ancora in grado di fare tutto alla perfezione. Il suo più grande vantaggio di avere accesso a più dati è anche il suo più grande svantaggio.

Il ray tracing è ancora superiore nei casi in cui i dati disponibili sono piccoli (come i sotterranei oscuri) o nel caso di superfici riflettenti e rifrangenti (come i corpi idrici o il vetro). Questo è il motivo per cui le corse a raggi non scompariranno improvvisamente dalla scena con l’avvento del path tracing nei giochi.

Gli sviluppatori, come sempre, utilizzeranno probabilmente una combinazione di tecniche di rendering per produrre la scena più realistica in ogni situazione. Pertanto, sia il ray tracing che il path tracing, insieme alla rasterizzazione, daranno potere ai giochi nel prossimo futuro.

Ogni pochi anni, una nuova tecnologia fa notizia, poiché promette di rendere i giochi più fotorealistici che mai. Innanzitutto ci sono stati gli shader, poi la tassellatura, seguita dal ray tracing e ora dal path tracing. Ma queste tecnologie incidono pesantemente anche sulle prestazioni di gioco. Se ritieni che il tuo attuale PC non sia in grado di sfruttare queste nuove tecniche nei giochi, potrebbe essere necessario acquistare una nuova GPU . Spero solo che, mentre aspettiamo i giochi del futuro completamente tracciati, le GPU del futuro diventino accessibili anche al giocatore medio.

Credito immagine: Vista ravvicinata di una moderna scheda GPU con circuito di DepositPhotos