Por que o Path Tracing é melhor que o Ray Tracing para recursos visuais de jogos

O ray tracing em tempo real em jogos tem feito barulho desde que a Nvidia lançou suas placas da série RTX 20 em 2018. O que era pouco mais que um truque, inicialmente, evoluiu gradualmente para um recurso que os jogadores procuram consistentemente em seus jogos favoritos. Mais recentemente, o debate sobre path tracing versus ray tracing tem agitado, com o primeiro apresentando visuais mais avançados e realistas do que o último. Com mais alguns anos e gerações de GPU, o rastreamento de caminho pode finalmente se tornar popular.

Rasterização, Ray Tracing e Path Tracing

Vamos analisar o path tracing versus ray tracing para ver por que eles são necessários em gráficos de jogos.

Tradicionalmente, os desenvolvedores têm usado uma técnica chamada rasterização para renderizar visuais de jogos. A rasterização é a tradução de formas vetoriais matemáticas em pixels para que possam ser visualizadas em monitores de computador e outros monitores baseados em pixels (ao contrário dos monitores CRT mais antigos).

É certo que a rasterização tem sido bastante eficaz na aproximação do comportamento da luz no mundo real, usando iluminação “pré-renderizada” com fontes de luz estáticas. Mas, à medida que a demanda por visuais de jogos fotorrealistas crescia – junto com a tecnologia para alimentá-los – o ray tracing em tempo real finalmente se tornou disponível para os jogadores.

Ao contrário da rasterização, o ray tracing tenta simular o comportamento da luz no mundo real em cada quadro de um jogo ou aplicativo. Como a luz pode refletir, refratar ou ser absorvida após interagir com vários objetos na realidade, o mesmo comportamento dos raios de luz é calculado para cada pixel de um quadro. Isto equivale a calcular o comportamento de milhões de raios simulados para apenas um quadro. É por isso que o traçado de raios é tão pesado computacionalmente.

O Ray Tracing em si não é novidade. Desenvolvido em 1969, o ray tracing tem sido usado por estúdios de cinema em vários graus desde a década de 1970. Mas Hollywood pode se dar ao luxo de “pré-renderizar” cada quadro de um filme usando “fazendas de renderização” que às vezes podem levar semanas para renderizar uma única cena com ray tracing.

O ray tracing em tempo real em jogos é diferente, pois precisa realizar esse cálculo complexo em um ambiente que muda dinamicamente para cada quadro. Esse também é o motivo pelo qual a maioria dos jogos com ray tracing – mesmo quando usam aceleração de hardware de GPUs modernas – usam apenas um ou dois elementos de ray tracing em combinação com rasterização, como reflexos ou sombras com traçado de raio.

Agora, chegamos ao rastreamento de caminho. Basicamente, o path tracing é apenas uma versão modificada do ray tracing. Em vez de traçar o caminho de cada raio de luz – sejam raios primários ou refletidos (secundários) – o rastreamento de caminho apenas calcula o caminho mais provável que a luz seguiria ao passar por uma cena.

Concebido na década de 1980, o path tracing precisa de matemática mais complexa, envolvendo vários raios para cada pixel, mas no final, equivale a uma menor sobrecarga para o hardware de renderização, ou seja, sua GPU. Path tracing é uma aproximação do ray tracing usando simulações de Monte Carlo – modelos de probabilidade que ajudam a prever os resultados mais prováveis ​​em situações onde a previsão precisa é impossivelmente difícil.

Existem outras variações do traçado de raios, como o mapeamento de fótons (desenvolvido em 2001), uma técnica de iluminação global em duas etapas. A primeira etapa usa raios de luz ao longo de uma cena para criar um mapa de fótons contendo dados de cor e iluminação, e a segunda etapa renderiza a cena em tempo real, usando o mapa de fótons pré-processado. O mapeamento de fótons pode tecnicamente reduzir ainda mais a sobrecarga de renderização, mas é bastante complexo e sujeito a alguns artefatos quando há hardware menos potente.

O rastreamento de caminho parece melhor do que o rastreamento de raio

Se o path tracing apenas se aproxima do efeito do ray tracing, por que é melhor? O resultado não deveria ser inferior ao ray tracing?

Não. O debate sobre path tracing versus ray tracing é um pouco mais matizado. Foi demonstrado que o rastreamento de caminho – às vezes chamado de rastreamento de raio completo – produz uma iluminação mais realista em jogos. jogos recentes como Cyberpunk 2077 e Alan Wake 2 mostraram como pode ser o ray tracing completo (com a ajuda do path tracing).

O rastreamento de caminho foi implementado até mesmo em títulos mais antigos como Quake 2, Portal, The Elder Scrolls V: Skyrim e Half-Life, transformando-os de gráficos desatualizados em demonstrações tecnológicas.

O rastreamento de caminho pode produzir uma iluminação mais realista devido à maior amostra de dados à qual tem acesso. Ao contrário do traçado de raios, o traçado de caminho dispara vários raios de luz para cada pixel da cena, amostrando alguns deles para chegar ao resultado final. Isso permite que o algoritmo – auxiliado pela eliminação de ruído, graças ao DLSS da Nvidia – produza sombras, reflexos e iluminação global mais definidos.

O rastreamento de caminho é tecnicamente mais fácil em GPUs

Apesar dos cálculos mais complexos, remoção de ruído e truques de IA envolvidos no rastreamento de caminho, isso acaba sendo mais fácil em GPUs – pelo menos em teoria.

Os jogos desenvolvidos desde o início usando path tracing seriam os mais beneficiados com essa menor sobrecarga. Este não tem sido o caso com muita frequência. O rastreamento de caminho foi introduzido em vários jogos como uma atualização, anos após o lançamento original.

Mesmo Alan Wake 2, que a Nvidia afirma ser um “jogo totalmente ray tracing”, não usa path tracing universalmente. É diferente, pois parece de tirar o fôlego mesmo sem isso, sendo um dos melhores jogos para PS5 também.

Do jeito que as coisas estão agora, esses títulos são ridiculamente difíceis de rodar em taxas de quadros jogáveis, mesmo com as GPUs de última geração. A série RTX 40 da Nvidia precisa usar uma série de recursos de IA apenas para renderizar esses jogos em resoluções mais baixas e aumentá-los para produzir resultados aceitáveis.

Mas, em mais alguns anos, à medida que a IA em jogos revolucionar a indústria de jogos, as implementações de rastreamento de caminho se tornarão muito mais fáceis nas GPUs convencionais .

Essas GPUs correspondem ou superam o PS5.

O rastreamento de caminho não é uma técnica nova

Desde a década de 2000, o path tracing tem sido usado por estúdios de cinema, como Disney e Sony, para renderizar filmes de animação com path tracing completo. A teoria é sólida desde a década de 1980, e agora o rastreamento de caminho em tempo real chegou a jogos populares, embora proibitivamente pesados, para que as pessoas vejam isso acontecer diante de seus olhos.

O rastreamento de caminho não é uma técnica radicalmente nova que levará muito tempo para chegar a mais jogos e hardware mais acessível. À medida que empresas como Nvidia, AMD e Intel competem para melhorar suas GPUs e investem em algoritmos avançados de IA, o path tracing só se tornará mais predominante em jogos e também em outras mídias. E isso acontecerá mais cedo ou mais tarde.

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Ray Tracing, Path Tracing e Rasterização funcionarão juntos

Por mais avançado e impressionante que seja o rastreamento de caminho, ele ainda não consegue fazer tudo perfeitamente. A maior vantagem de ter acesso a mais dados é também a maior desvantagem.

O Ray Tracing ainda é superior em casos onde os dados disponíveis são pequenos (como masmorras escuras) ou no caso de superfícies reflexivas e refrativas (como corpos d’água ou vidro). É por isso que as corridas de raios não desaparecerão repentinamente de cena com o advento do rastreamento de caminhos nos jogos.

Os desenvolvedores, como sempre, provavelmente usarão uma combinação de técnicas de renderização para produzir a cena mais realista em qualquer situação. Conseqüentemente, tanto o traçado de raio quanto o traçado de caminho, junto com a rasterização, irão juntos potencializar os jogos em um futuro próximo.

A cada poucos anos, uma nova tecnologia vira notícia, pois promete tornar os jogos mais fotorrealistas do que nunca. Primeiro foram os shaders, depois o tessellation, seguido pelo ray tracing e agora o path tracing. Mas essas tecnologias também têm um grande impacto no desempenho dos jogos. Se você acha que seu PC atual não é capaz de aproveitar as vantagens dessas técnicas da nova era em jogos, talvez seja necessário comprar uma nova GPU . Só espero que, enquanto esperamos pelos jogos do futuro totalmente traçados, as GPUs do futuro também se tornem acessíveis ao jogador médio.

Crédito da imagem: Vista aproximada de uma placa GPU moderna com circuito por DepositPhotos