Ray tracing, uma nova tecnologia para criar gráficos de jogos impressionantes e realistas, está chegando a um PC ou console de jogos perto de você. Para que isso aconteça, você precisará do hardware correto: você deve esperar que ele amadureça antes de começar ou deve fazer isso agora?

Você notou que seus olhos aumentaram muito mais recentemente enquanto você joga? Se for esse o caso, pode ser devido a uma nova técnica que está ganhando força silenciosamente no mundo dos jogos. O Ray Tracing, que recentemente se tornou viável em tempo real com hardware especializado, traz para você os mais recentes e surpreendentes avanços visuais em jogos para PC.

Embora o ray tracing seja geralmente associado a jogos de PC, o PlayStation 5 da Sony e o Xbox Series X da Microsoft têm a tecnologia necessária e uma biblioteca crescente de títulos que o suportam. Este artigo explica como o ray tracing difere da rasterização padrão, por que ele é crucial para o futuro dos jogos e, claro, se o ray tracing deve impactar sua próxima compra de PC (ou laptop para jogos) ou console.

O que é rastreamento de raio?

Simplificando, o ray tracing é uma técnica para fazer a Light se comportar como na vida real em videogames. Ele funciona replicando raios de luz genuínos e traçando o caminho que um feixe de luz percorre no ambiente natural usando um algoritmo. Os designers de jogos podem usar esta tecnologia para

faz com que feixes de luz virtuais pareçam saltaro brilho da fonte de luz. Afinal, apenas os caminhos de luz visíveis ao usuário precisam ser desenhados. É preciso muito menos poder computacional para mostrar o que está bem na sua frente do que para renderizar os raios emitidos por todas as fontes de luz em uma cena.

Isso não quer dizer que seja simples. “A cada segundo, milhares de bilhões de fótons penetram no seu olho”, explica Christensen, da NCSA. “São muito mais cálculos por segundo do que um computador pode realizar… Para começar a fazer algo parecer genuíno, é necessária muita otimização, eficiência e hacking.”

A solução da Nvidia é rastrear apenas alguns raios essenciais e, em seguida, usar algoritmos de aprendizado de máquina para preencher as lacunas e suavizar tudo. “Denoising” é o termo para este procedimento.

“Em vez de disparar centenas ou milhares de raios por pixel, na verdade dispararemos alguns ou talvez algumas dezenas”, diz Tamasi. “Portanto, usamos diferentes classes de denoisers para montar a imagem final.”

Quando chegará?

O Ray Tracing em tempo real já é possível, mais ou menos. Ele está acessível em jogos atuais selecionados, incluindo Battlefield V, Metro Exodus e Shadow of the Tomb Raider, bem como em títulos futuros como Cyberpunk 2077 e Wolfenstein: Youngblood, se você tiver um PC capaz de lidar com ele.

Com sua linha de placas gráficas RTX no ano passado, a Nvidia introduziu recursos de rastreamento de raios. Como umComo resultado, seu PC exigiria um desses para se beneficiar totalmente da tecnologia. Os consoles atuais, como o Xbox One e o Playstation 4, carecem de hardware.

O Ray Tracing será habilitado pela próxima geração de consoles de jogos, especialmente o Playstation 5 e o substituto estranhamente chamado do Xbox One da Microsoft, Project Scarlett, para aqueles que não desejam ou não podem pagar entre US$ 350 e US$ 1.500 por uma placa gráfica.

Embora a perspectiva seja fantástica, ainda demorará alguns anos até que a tecnologia se torne comum. O traçado de raios em tempo real ainda está em sua infância e tem se mostrado um pouco inconsistente. Os desenvolvedores e designers terão que se manter atualizados à medida que o hardware melhora.

“É uma nova ferramenta na caixa de ferramentas”, diz Tamasi. “Temos que aprender a usar essa nova ferramenta de maneira adequada. Haverá toda uma nova classe de técnicas que as pessoas desenvolverão.”

Ray tracing é uma técnica de iluminação que traz um nível extra de realismo aos jogos. Ele simula como a luz reflete e refrata no mundo real, criando uma atmosfera mais realista do que geralmente vista em jogos mais tradicionais com iluminação estática. Mas o que exatamente é traçado de raio? Além do mais, como funciona?

O Ray Tracing pode melhorar a imersão com uma placa gráfica forte, mas nem todas as GPUs podem suportá-lo. Continue lendo para ver se o ray tracing é necessário para sua experiência de jogo e se você gasta centenas dedólares em uma nova GPU são justificados.

Vamos cair na real

Devido à sua semelhança com a vida real, o ray tracing é uma tecnologia de renderização 3D extraordinariamente realista que pode até fazer com que jogos em blocos como o Minecraft pareçam fotorrealistas nas circunstâncias apropriadas. Só há um problema: simulá-lo é extremamente difícil. É difícil e exige muitos recursos recriar como o Light funciona no mundo real e exige muito poder computacional.

As alternativas existentes de ray tracing em jogos, como o ray tracing baseado em RTX da Nvidia, não são realistas por causa disso. Eles não são traçados de raio genuínos, que simulam cada ponto de luz. Em vez disso, a GPU “trapaceia” ao empregar inúmeras aproximações inovadoras para produzir um efeito visual semelhante ao original, mas não tão pesado no hardware. Isso certamente mudará nas futuras gerações de GPU, mas é um movimento positivo por enquanto.

A maioria dos jogos de ray tracing agora combinam técnicas clássicas de iluminação, como rasterização, com ray tracing em superfícies especializadas, como poças refletivas e trabalhos em metal. Battlefield V é um excelente exemplo. Você pode ver tropas refletidas na água, topografia refletida em aviões e explosões ecoando na pintura de um carro. Os mecanismos 3D modernos podem exibir reflexos, mas não com o nível de detalhe mostrado em jogos como Battlefield V quando o ray tracing éativado.

O traçado de raio também pode melhorar a aparência dinâmica e realista das sombras. A iluminação Ray Tracing pode criar sombras consideravelmente mais realistas em ambientes escuros e claros, com bordas mais suaves e maior definição, como visto em Shadow of the Tomb Raider. Não é fácil conseguir esse visual sem traçado de raios. Somente fontes de luz constantes, predefinidas e cautelosas podem enganar os desenvolvedores. Leva muito tempo e funciona para configurar todas essas “luzes de palco”. O efeito ainda não é perfeito.

Alguns jogos usam o ray tracing para iluminação global, basicamente traçando o raio de toda a cena. No entanto, esta é a solução computacionalmente mais cara e requer as placas gráficas mais poderosas para funcionar de forma eficaz. Metro Exodus usa essa técnica, embora a implementação não seja perfeita.

Como resultado, meias-medidas, como apenas sombras traçadas por raios ou superfícies refletivas, são populares. Outros jogos usam tecnologias da Nvidia, como remoção de ruído e Deep Learning SuperSampling, para aumentar o desempenho e ocultar falhas estéticas causadas pela geração de menos raios do que seria necessário para criar uma cena com traçado de raio adequado. Eles ainda são reservados para fotos e vídeos pré-renderizados, onde servidores poderosos podem gerar quadros únicos por dias.

E quanto à DMRI?

A AMD tem lutado para fornecer ray tracing acelerado por hardware nos últimos anos, mastudo mudou com o lançamento do RX 6800, RX 6800 XT e RX 6900 XT. Essas novas placas permitem o ray tracing DirectX 12 e oferecem um desempenho fantástico, mesmo que a AMD não esteja totalmente no mesmo nível da Nvidia quando se trata de ray tracing (leia nossas comparações RX 6800 XT versus RTX 3080 e RX 6900 XT versus RTX 3090 para mais ).

Isso não é surpreendente, visto que as placas RX 6000 da AMD usam a arquitetura Big Navi, que é basicamente uma primeira geração de aceleração de rastreamento de raios. É a mesma arquitetura que alimenta as imagens do PlayStation 5 e Xbox Series X, mas é voltada para um nível de desempenho inferior ao das placas de nível superior da Nvidia. No entanto, como o ray tracing é um recurso único nos consoles da próxima geração, prevemos suporte e otimizações aprimorados no futuro. A Super Resolução AMD FidelityFX (FSR) para PCs de jogos e as versões mais recentes do Microsoft Xbox serão lançadas em breve.

Como você pode ver o ray tracing em casa?

Você precisará de uma placa gráfica atual e cara para observar o traçado de raios em casa. Apenas as GPUs da série RTX 20 e 30 da Nvidia e as GPUs da série RX 6000 da AMD suportam ray tracing acelerado por hardware. O rastreamento de raio é suportado pelas placas GTX das séries 10 e 16, mas elas não possuem os núcleos RT para torná-lo utilizável. As placas das séries RX 6000 e RTX 30 estão projetadas para ficarem esgotadas até 2021, enquanto as placas da série RTX 20 chegaram ao fim de sua vida útil,implicando que o estoque comercial está se esgotando rapidamente. Não há muitas possibilidades no final de 2020, mas as coisas devem mudar nos próximos meses. O resto é simples depois que você obtém uma placa gráfica.

Se você planeja jogar em resoluções superiores a 1080p e taxas de quadros de 60 FPS ou mais, você deve investir em uma placa gráfica de última geração. O RTX 3080 e o RX 6800 XT são os melhores cartões 4K, mas se você deseja ir para 1440p em alguns jogos, pode sobreviver com um RTX 3070 ou RX 6800.

Um pequeno número de jogos suporta ray tracing, mas o número está aumentando. As primeiras demos RTX como Battlefield V, Shadow of the Tomb Raider e Metro Exodus são excelentes exemplos de ray tracing. Control e MechWarrior 5: Mercenaries são dois jogos recentes que parecem promissores. Stay in the Light é um jogo de terror independente com sombras e reflexos traçados por raios. Outro exemplo fantástico é o Quake II atualizado com rastreamento de raios RTX.

Embora haja menos jogos de ray tracing no mercado, o negócio continua a florescer. Os concorrentes em breve seguirão o PS5 e o Xbox Series X na promoção do ray tracing. O jogo multiplataforma Watch Dogs 2 difere de Watch Dogs: Legion porque este último implementou ray tracing.

Conclusão

A funcionalidade de rastreamento de raio em jogos atualmente causa divisão porque deve ser implementada separadamente para sistemas AMD e Nvidia. Mais suporte para jogosGPUs Nvidia porque, até 2020, a Nvidia era o único fabricante de placas gráficas com capacidade de ray tracing, embora mais jogos estejam começando a oferecer suporte a ambos os tipos. Cyberpunk 2077, Dirt 5, Godfall e World of Warcraft: Shadowlands são exemplos deste último.

A técnica de traçado de raio, desenvolvida pela primeira vez em 1969, tem sido utilizada na indústria cinematográfica há anos para recriar iluminação e sombras realistas. Ainda hoje, porém, a técnica necessita de uma quantidade significativa de poder computacional.

“Um jogo precisa calcular cada quadro em 16 milissegundos para rodar a 60 quadros por segundo ou 120 quadros por segundo”, explica Tony Tamasi, vice-presidente de marketing técnico da fabricante de placas gráficas Nvidia. “Um quadro de filme normal é pré-renderizado, e a renderização de um único quadro pode levar oito, doze ou vinte e quatro horas.”

Esse interesse renovado no traçado de raios ocorre à medida que a tecnologia de jogos domésticos se aproxima do ponto em que pode processar efeitos de iluminação em tempo real. Os chips gráficos que serão usados ​​na próxima geração de PCs e consoles para jogos devem exibir cenas com Ray Tracing instantaneamente. Quando isso acontece, pode causar uma mudança tectônica nas imagens dos jogos.

Noções básicas de traçado de raio

Ray tracing é uma técnica para iluminar uma cena gerada por computador que funciona de maneira eficaz. No entanto, o conceito não é novo: a necessidade de explorar a força do computador para realizá-lo de forma eficaz.

Imagine lançar um raio de luz em um objeto e traçar como ele reflete na superfície, semelhante a apontar uma lanterna para um quarto escuro. Então considere disparar muitosfeixes e analisando aqueles que retornam (e aqueles que não retornam) para determinar como a cena deve aparecer. Por exemplo, os raios que não retornaram foram provavelmente obstruídos por um objeto, resultando em uma sombra. (Pensar nisso em termos de como o radar funciona é um excelente ponto de partida.)

Esta explicação simples demonstra como o traçado de raios é semelhante à iluminação do mundo real: seu cérebro recebe informações sobre o que você está vendo a partir da luz que chega ao seu olho. O traçado de raios tem sido usado em filmes de animação há décadas; Toy Story da Pixar, por exemplo, popularizou a técnica em 1995, e enormes avanços na renderização foram feitos desde então.

No entanto, os videogames têm contado com uma abordagem diferente, a rasterização, para gerar mundos 3D desde que a indústria cinematográfica usou o traçado de raios. Mas, antes de entrarmos nas razões para isso, vamos distinguir entre ray tracing e rasterização.

Os fundamentos: Ray tracing versus rasterização

Rasterização é um método de renderização de cena baseado em objetos. Depois de pintar cada coisa com cor, a lógica é usada para mostrar apenas os pixels mais próximos do olho. Por outro lado, o traçado de raio colore os pixels primeiro e depois os associa aos objetos. Isso não explica tudo?

Bem, não razoavelmente. Então considere desta forma. Para obter gráficos realistas, a rasterizaçãorequer técnicas e ajustes específicos. O pipeline de renderização de um jogo, por exemplo, pode ser ajustado e otimizado para aplicar um efeito específico, como fazer com que os pixels de um objeto sigam um padrão específico. Esta forma de lógica será, evidentemente, diferente de item para objeto e de cena para cena. Para tirar vantagem disso, o desenvolvedor deve trabalhar um pouco, mas pode compensar em termos de eficiência, pois o computador pode ser capaz de desenhar uma cena complexa com proporcionalmente menos poder de processamento.

Por ser baseado no disparo de feixes de luz, o traçado de raios é usado de forma mais ampla do que a rasterização. Como resultado, os métodos para obter efeitos visuais dependem de como esses raios são utilizados. Sombras e reflexos mais suaves, por exemplo, exigem mais raios, enquanto efeitos de movimento e desfoque podem exigir a alteração do tempo ou da origem dos raios.

No geral, a rasterização e o ray tracing podem produzir o mesmo efeito (ou, pelo menos, próximo a ele). Vejamos por que um seria preferido ao outro.

Jogos convencionais por meio de ray tracing

A rasterização ganhou sua posição nos videogames décadas atrás porque o equipamento necessário para produzi-la estava disponível ao público em geral, diferentemente do necessário para o ray tracing. Isto ainda é principalmente verdade; as placas gráficas para jogos são e continuarão a ser otimizadas para rasterização por muitos anos.

A GeForce RTXA 2080 lançou a série de placas de desktop GeForce RTX da Nvidia em 2018, trazendo o ray tracing para os jogos convencionais pela primeira vez. Em 2020, a Nvidia lançou suas placas GeForce RTX série 3000 de segunda geração (incluindo a GeForce RTX 3080), e a AMD rapidamente seguiu a série Radeon RX 6000.

Resumindo, o ray tracing demorou muito para entrar no cenário dos jogos porque o poder computacional necessário para realizá-lo era inacessível a custos que permitiriam uma adoção generalizada. É verdade que o preço inicial ainda é alto – nem a AMD nem a Nvidia vendem agora uma placa gráfica de desktop de baixo custo com rastreamento de raio de hardware. Devido à forte demanda (e pouca disponibilidade) de placas de vídeo, a GeForce RTX 2060 é agora a placa de vídeo “básica” capaz de traçar raios em hardware. Foi lançado em 2019 com um orçamento não tão baixo de US$ 349 e agora é vendido por muito mais do que na maioria dos sites.

Melhorias visuais com traçado de raio

É vital lembrar que o ray tracing ainda é uma novidade no visual dos jogos. Isso porque exibir um jogo completo em ray tracing em tempo real ainda está muito além das capacidades de hardware atuais. O Ray Tracing é usado principalmente em jogos que suportam alguns efeitos, principalmente aqueles relacionados a sombras e iluminação, enquanto todo o resto ainda é rasterizado.

Vamos começar com um glossário de termos. As placas da marca RTX da Nvidia, como a GeForce RTX 2060 ou RTX 3080, usam umsolução proprietária de renderização gráfica apelidada de “RTX” pela Nvidia. Este método pode desenhar caminhos de luz no mecanismo de jogo usando DirectX 12 e, mais especificamente, sua API DirectX Ray Tracing (DXR).

Enquanto isso, DXR é uma API de rastreamento de raios que pode funcionar de forma independente ou em conjunto com o hardware da Nvidia. Por exemplo, a Crytek nos deu uma demonstração de seu próprio mecanismo Crytek há alguns anos, que realizava reflexões de traçado de raio em uma placa AMD Radeon RX série 5000 (uma GPU sem processadores RT internos). No entanto, o desempenho foi decepcionante. Se você executasse o exemplo idêntico em uma placa AMD Radeon RX Série 6000 com núcleos RT integrados, a cena DXR seria processada substancialmente mais rápido.’

O que torna o ray tracing tão potencialmente — aham — revolucionário?

Fótons virtuais

Jogos sem ray tracing dependem de iluminação estática “integrada”. As fontes de luz são colocadas em um ambiente para que a luz seja distribuída uniformemente em qualquer visualização. Além disso, como modelos virtuais como NPCs e objetos não possuem informações sobre outros modelos, a GPU deve calcular o comportamento da luz durante o processo de renderização. Somente a luz emitida por uma fonte estacionária pode ser refletida pelas texturas da superfície para simular o brilho. Considere a seguinte comparação de reflexos em Grand Theft Auto V.

No geral, o progresso da GPU ajudou esse processo a parecer mais realista ao longo do tempo. No entanto, os jogosainda não são reflexões, refrações e iluminação geral fotorrealistas do mundo real. A GPU deve ser capaz de rastrear raios de luz virtuais para conseguir isso.

A luz visível é um componente menor da família da radiação eletromagnética que o olho humano percebe no mundo real. Ele contém fótons que possuem propriedades de partículas e ondas. Os fótons só podem ser criados ou destruídos e não têm tamanho ou forma real.

Por outro lado, a luz pode ser identificada como um fluxo de fótons. Quanto mais brilhante é a Luz percebida, mais fótons existem. Os fótons ricocheteiam em uma superfície, causando reflexão. Quando os fótons viajando em linha reta passam por um meio transparente, a linha é dobrada ou redirecionada. Os fótons que foram destruídos podem ser vistos como “absorvidos”.

Ray tracing é uma técnica usada em videogames para simular como a luz se comporta no mundo real. Ele rastreia milhões de fótons virtuais para rastrear a passagem da Luz simulada. Quanto mais fótons virtuais a GPU deve calcular, mais superfícies ela irá refletir, refratar e espalhar, mais brilhante será a Luz.

Este não é um método totalmente novo. O Ray Tracing tem sido usado em CGI há décadas, embora no início o processo exigisse fazendas de computadores para fazer um filme inteiro, já que um único quadro pode levar horas ou até dias para ser renderizado. Gráficos com Ray Tracing agora podem ser emulados em tempo realtempo em PCs domésticos, graças à aceleração de hardware e métodos de iluminação sofisticados que mantêm o número de raios no mínimo.

O seguinte é realmente revelador: cenas em animação CGI são frequentemente “filmadas” de vários ângulos, assim como em qualquer filme ou programa de TV. Você pode mover uma câmera para capturar a ação, aumentar, diminuir o zoom ou deslocar uma região inteira para cada quadro. Para simular movimento, você deve ajustar tudo quadro a quadro, como uma animação. Ao juntar todas as filmagens, você terá uma história que flui.

Gerenciar uma única câmera envolve mover e alterar continuamente os pontos de vista, especialmente em jogos de ritmo acelerado. A GPU em jogos CGI e ray tracing deve calcular não apenas como a luz reflete e refrata em qualquer cena, mas também como ela é registrada pela lente – sua perspectiva. Para um único PC ou console, isso representa uma enorme quantidade de trabalho de processamento.

Infelizmente, ainda não temos PCs para consumidores que possam realmente renderizar gráficos com Ray Tracing em altas taxas de quadros. Em vez disso, agora temos hardware que pode trapacear de forma eficaz.

Como é diferente do que vimos antes?

Quando você observa como a luz funciona nos videogames atuais, parece que todos os elementos estão presentes: reflexos, sombras, brilho e reflexo de lente, para citar alguns. Tudo isso, por outro lado, é um estratagema inteligente. Os efeitos de luz podem ser pré-renderizados(mesmo com ray tracing), mas eles estão embutidos na imagem e são apenas animações compactadas que sempre funcionam da mesma maneira. Embora esses efeitos pareçam convincentes, eles são, na verdade, estáticos.

“O problema é que é completamente estático”, diz Tamasi. “A menos que você renderize em tempo real, a iluminação ficará errada.

Se um jogador alterar o ambiente, por exemplo, abrindo um buraco em uma parede, a Luz na cena não se ajustará para permitir que a Luz passe pelo buraco, a menos que os criadores tenham se preparado explicitamente para isso. Com o ray tracing em tempo real, a Light se adaptaria automaticamente.

Como funciona o rastreamento de raios?

Na vida real, a Luz chega até você. Ondas de muitos fótons minúsculos surgem de uma fonte de luz, saltam através de várias superfícies e, finalmente, atingem você. Seu cérebro então une esses diferentes raios de luz em uma única imagem.

O Ray Tracing é idêntico a este, exceto que tudo se move na outra direção. A luz traçada por raio começa no visualizador (ou, mais precisamente, na lente da câmera). Ele se move para fora, traçando um caminho que passa por vários objetos, às vezes até assumindo sua cor e propriedades reflexivas, até que o software determine a(s) fonte(s) de luz apropriada(s) para aquele raio específico. Esta forma de simular a visão reversa é muito mais eficiente para um computador do que seguir