O que é ray tracing e como isso mudará os jogos?

Ray tracing é uma técnica de iluminação que traz um nível extra de realismo aos jogos. Ele emula a forma como a luz reflete e refrata no mundo real, proporcionando um ambiente mais verossímil do que normalmente visto usando iluminação estática em jogos mais tradicionais. Mas o que é ray tracing, exatamente? E mais importante, como funciona?

Uma boa placa gráfica pode usar ray tracing para melhorar a imersão, mas nem todas as GPUs podem lidar com essa técnica. Continue lendo para decidir se o rastreamento de raios é essencial para sua experiência de jogo e se justifica gastar centenas em uma GPU atualizada.

fótons virtuais

Para entender como funciona o revolucionário sistema de iluminação do traçado de raios, precisamos dar um passo atrás e entender como os jogos anteriormente renderizavam a luz, bem como o que precisa ser emulado para um fotorrealismo experiência.

Jogos sem ray tracing dependem de iluminação estática “cozida”. Os desenvolvedores colocam as fontes de luz em um ambiente que emite luz uniformemente em qualquer visualização. Além disso, modelos virtuais como NPCs e objetos não contêm nenhuma informação sobre nenhum outro modelo, exigindo que a GPU calcule o comportamento da luz durante o processo de renderização. As texturas da superfície podem refletir a luz para imitar o brilho, mas apenas a luz emitida por uma fonte estática. Faça a comparação de reflexões em GTA Vabaixo como exemplo.

No geral, a evolução da GPU ajudou esse processo a se tornar mais realista na aparência ao longo dos anos, mas os jogos ainda não são fotorrealistas em termos de reflexões do mundo real, refrações e iluminação. Para conseguir isso, a GPU precisa da capacidade de rastrear raios de luz virtuais.

No mundo real, a luz visível é uma pequena parte da família da radiação eletromagnética percebida pelo olho humano. Ele contém fótons que se comportam tanto como partícula quanto como onda. Os fótons não têm tamanho ou forma real – eles só podem ser criados ou destruídos.

Dito isto, a luz pode ser identificada como um fluxo de fótons. Quanto mais fótons você tiver, mais brilhante será a luz percebida. A reflexão ocorre quando os fótons saltam de uma superfície. A refração ocorre quando os fótons – que viajam em linha reta – passam por uma substância transparente e a linha é redirecionada ou “dobrada”. Fótons destruídos podem ser percebidos como “absorvidos”.

O rastreamento de raios em jogos tenta emular a maneira como a luz funciona no mundo real. Ele traça o caminho da luz simulada rastreando milhões de fótons virtuais. Quanto mais brilhante a luz, mais fótons virtuais a GPU deve calcular e mais superfícies ela irá refletir, refratar e espalhar.

O processo não é nada novo. O CGI usa o rastreamento de raios há décadas, embora o processo exigisse fazendas de computadores nos primeiros dias para gerar um filme completo, dado que um único quadro poderia levar horas ou até dias para renderizar. Agora, os PCs domésticos podem emular gráficos traçados por raio em tempo real, aproveitando a aceleração de hardware e truques de iluminação inteligentes para limitar o número de raios a um número gerenciável.

Aqui está a verdadeira revelação: como qualquer filme ou programa de TV, as cenas na animação CGI são tipicamente “filmadas” usando diferentes ângulos. Para cada quadro, você pode mover uma câmera para capturar a ação, ampliar, reduzir ou deslocar uma área inteira. E, como na animação, você deve manipular tudo quadro a quadro para emular o movimento. Junte todas as filmagens e você terá uma história fluida.

Nos jogos, você controla uma única câmera que está sempre em movimento e sempre mudando o ponto de vista, principalmente em jogos de ritmo acelerado. Tanto em jogos CGI quanto em Ray Tracing, a GPU não apenas deve calcular como a luz reflete e refrata em qualquer cena, mas também deve calcular como ela é capturada pela lente – seu ponto de vista. Para jogos, é uma quantidade enorme de trabalho computacional para um único PC ou console.

Infelizmente, ainda não temos PCs de nível de consumidor que possam realmente renderizar gráficos ray tracing em altas taxas de quadros. Em vez disso, agora temos hardware que pode trapacear com eficácia.

vamos cair na real

A semelhança fundamental do traçado de raios com a vida real torna-o uma técnica de renderização 3D extremamente realista, até mesmo fazendo jogos em blocos como Minecraft parecem quase fotorrealistas nas condições certas. Há apenas um problema: é extremamente difícil de simular. Recriar a maneira como a luz funciona no mundo real é complicado e exige muitos recursos, exigindo muito poder de computação.

É por isso que as opções existentes de traçado de raio em jogos, como o traçado de raio baseado em RTX da Nvidia, não são realistas. Eles não são verdadeiros traçados de raios, em que cada ponto de luz é simulado. Em vez disso, a GPU “trapaceia” usando várias aproximações inteligentes para fornecer algo próximo ao mesmo efeito visual, mas sem sobrecarregar tanto o hardware.

A maioria dos jogos de rastreamento de raios agora usa uma combinação de técnicas de iluminação tradicionais, normalmente chamadas de rasterização, e rastreamento de raios em superfícies específicas, como poças reflexivas e trabalhos em metal. Campo de batalha V é um grande exemplo disso. Você vê o reflexo de tropas na água, o reflexo do terreno em aviões e o reflexo de explosões na pintura de um carro. É possível mostrar reflexos em engines 3D modernas, mas não com o nível de detalhes mostrado em jogos como Campo de batalha V quando o traçado de raios está ativado.

O rastreamento de raios também pode ser aproveitado para sombras para torná-las mais dinâmicas e realistas. Você verá que isso é usado com grande efeito em Shadow of the Tomb Raider.

A iluminação Ray Tracing pode criar sombras muito mais realistas em cenas escuras e claras, com bordas mais suaves e maior definição. Conseguir essa aparência sem traçado de raio é extraordinariamente difícil. Os desenvolvedores só podem fingir por meio do uso cuidadoso e controlado de fontes de luz estáticas predefinidas. Colocar todas essas “luzes de palco” leva bastante de tempo e esforço - e mesmo assim, o resultado não está certo.

Alguns jogos vão até o fim e usam o traçado de raios para iluminação global, traçando efetivamente uma cena inteira. Mas essa é a opção computacionalmente mais cara e precisa da mais poderosa das placas gráficas modernas para funcionar com eficiência. Metro Exodus usa essa técnica, embora a implementação não seja perfeita.

Por causa disso, meias medidas como apenas sombras de rastreamento de raios ou superfícies reflexivas são populares. Outros jogos aproveitam as tecnologias da Nvidia, como denoising e Super amostragem de aprendizado profundo para melhorar o desempenho e encobrir alguns dos soluços visuais que ocorrem ao renderizar menos raios do que o necessário para criar uma cena verdadeiramente traçada por raios. Esses ainda são reservados para capturas de tela e filmes pré-renderizados, onde servidores de alta potência podem passar dias renderizando quadros únicos.

O hardware por trás dos raios

Para lidar até mesmo com essas implementações relativamente modestas de rastreamento de raios, as placas gráficas da série RTX 20 da Nvidia introduziram hardware construído especificamente para rastreamento de raios.

Agora, todas as placas RTX suportam ray tracing, e as mais recentes GPUs da série RTX 40 têm outra maneira de enganar o desempenho. SER, ou Reordenação de Execução de Shader, está disponível no RTX 4090 e RTX 4080, e a Nvidia diz que pode aumentar o desempenho em 25% em jogos com ray tracing. Funciona reordenando quando as instruções de ray tracing são processadas pela GPU, otimizando a tarefa para o poder computacional disponível.

Embora os primeiros dias do traçado de raios tenham sido difíceis, as placas recentes da Nvidia tiveram um desempenho muito melhor. Com o SER na próxima geração, junto com o DLSS 3, podemos ver o traçado de raios que não prejudica sua taxa de quadros.

Rastreamento de raios da Nvidia método não é a única opção disponível, no entanto. Há também efeitos de pós-processamento Reshade “path tracing” que fornecem visuais comparáveis ​​sem nada parecido com o mesmo impacto no desempenho.

A AMD também tem opções para rastreamento de raios agora, das quais falaremos a seguir.

Você ainda vai querer um placa gráfica poderosa para rastreamento de raios, não importa a implementação, mas conforme a técnica se populariza entre os desenvolvedores de jogos, podemos ver uma gama mais ampla de hardware de suporte a preços muito mais acessíveis.

E a AMD?

A AMD lutou nos últimos anos para oferecer rastreamento de raio acelerado por hardware, mas isso mudou com o lançamento do RX 6800, 6800 XT e 6900 XT. Essas novas placas oferecem suporte a rastreamento de raio DirectX 12 e oferecem excelente desempenho, mesmo que a AMD não esteja no nível da Nvidia no departamento de rastreamento de raio (leia nosso RX 6800 XT versus RTX 3080 e RX 6900 XT versus RTX 3090 comparações para mais).

Isso dificilmente chega a ser uma surpresa, considerando o Grande arquitetura Navi alimentar as placas RX 6000 da AMD é basicamente uma aceleração de rastreamento de raios de primeira geração. É a mesma arquitetura que alimenta os visuais no PlayStation 5 e Xbox Series X, atendendo a um nível mais baixo de desempenho geral do que os principais cartões da Nvidia. No entanto, como o rastreamento de raios é um recurso de destaque nos consoles de última geração, esperamos um melhor suporte e otimizações no futuro. Num futuro próximo, veremos a estreia de AMD FidelityFX Super Resolução (FSR) para PCs de jogos e também as versões mais recentes do Microsoft Xbox.

Como você pode ver o traçado de raios em casa?

Você precisará de uma placa gráfica recente - e cara - para ver o traçado de raios em casa. O ray tracing acelerado por hardware está disponível apenas nas GPUs Nvidia RTX ou nas GPUs da série RX 6000 da AMD. As placas GTX das séries 10 e 16 suportam rastreamento de raios, mas não possuem os núcleos RT para torná-lo confortável jogável.

Se você espera jogar em resoluções acima de 1080p e com taxas de quadros de 60 fps ou mais, sua melhor aposta é fazer alarde por uma placa gráfica top de linha. Em 4K, o RTX 3080 e o RX 6800 XT são os cartões de destaque, mas você pode se virar com um RTX 3070 ou RX 6800 se você estiver disposto a mudar para 1440p em determinados títulos.

Há uma seleção limitada de jogos habilitados para ray tracing, mas o número está crescendo. Os principais exemplos de rastreamento de raios incluem as primeiras demonstrações de RTX, como Campo de batalha V, Shadow of the Tomb Raider, e Metro Exodus. Jogos mais recentes como Ao controle e MechWarrior 5: Mercenários também parece atraente. Fique na Luz é um jogo de terror indie construído com sombras e reflexos traçados por raios. o remasterizado terremoto II com traçado de raios RTX é outro exemplo fantástico.

Há menos jogos de ray tracing no mercado, mas a indústria cresce. Como o PlayStation 5 e Xbox Series X começar a anunciar o ray tracing, os concorrentes logo o seguirão. O jogo multiplataforma Watch Dogs 2 é diferente do novo Watch Dogs: Legião, já que o novo jogo iniciou o ray tracing para funcionar em consoles e computadores.

Tente usar UL Benchmark's Port Royal ray tracing para determinar se o seu PC funcionará com traçado de raios.

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