O que é ray tracing e é realmente o futuro dos jogos?

(Crédito da imagem: Nvidia)

Se você esteve dentro e ao redor da indústria de jogos nos últimos dois anos, já ouviu falar sobre ray tracing. Tem havido muita conversa sobre como o ray tracing representa o futuro dos jogos, e o hardware futuro certamente precisará incorporar recursos dedicados para lidar com isso. Mas o que é o ray tracing, e a enorme bolha de hype se expandindo lentamente em torno dele é justificada?

Uma indicação afirmativa é o anúncio de Mark Cerny em um Recurso com fio que o próximo console da Sony suportará ray tracing por meio de sua GPU AMD Navi personalizada. Ele até introduziu uma ruga interessante - o console será capaz de alavancar o ray tracing não apenas para efeitos visuais, mas também para simular áudio posicional.

Um mundo de luz e sombra

Como qualquer nova tecnologia orientada para o consumidor, o ray tracing é parcialmente ofuscado por todas as palavras-chave de marketing que emanam de pessoas com interesse em vendê-lo. A verdade é que o ray tracing não é realmente novo, é uma técnica que os estúdios de cinema vêm usando há anos em efeitos especiais e animação para iluminar cenas e permitir reflexões adequadas de objetos digitais. Lembra de ver aquelas naves de guerra alienígenas explodindo envoltas em fumaça e fogo refletidas no capacete do Homem de Ferro em Os Vingadores? Isso é traçado de raios no trabalho. A novidade é a promessa de fazer esse tipo de renderização em tempo real. Ele permite que os videogames alcancem em tempo real o que as fazendas de renderização de Hollywood levam dias ou até semanas para realizar, apoiando-se em hardware extremamente caro para calcular o rastreamento de raios para cenas complexas com milhões de feixes de fótons individuais.

O rastreamento de raios funciona simulando raios de luz e as formas como eles interagem com objetos e superfícies. Ele modela como a iluminação afeta a cor ou a oclusão por raio. Anteriormente, a iluminação era tratada durante a rasterização, o processo de conversão de modelos poligonais 3D em uma imagem 2D construída a partir de pixels. Os efeitos de iluminação foram em grande parte 'falsificados', com um mecanismo determinando como as fontes de luz em uma cena teoricamente afetariam as superfícies com base no posicionamento e sombreamento/coloração dos pixels dessa superfície de acordo. É computacionalmente eficiente, por isso não requer o tipo de hardware dedicado ridiculamente poderoso que o ray tracing tradicionalmente possui, mas vem com várias limitações.

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Com o ray tracing, os desenvolvedores podem simular a maneira como a luz opera no mundo real, algo que é impossível em soluções baseadas em raster. Isso significa que as cenas parecem mais naturalmente iluminadas e realistas, e também significa que fontes de luz ou objetos refletivos que não estão no quadro ainda podem ser refletidos com precisão na cena visível. A explosão de uma granada fora da tela ainda pode ser vista refletida no casco de metal brilhante de um tanque Abrams rolando em direção ao seu personagem, por exemplo, e as sombras projetadas por outros soldados atualmente fora do quadro podem ser renderizadas com mais precisão.

O rastreamento de raios funciona seguindo um feixe de luz de um pixel na tela de volta à cena 3D e rastreando onde ou se ele interage com objetos antes de atingir a fonte de luz. Se atingir um objeto, ou se for refletido entre vários objetos, ou mesmo refratado ao passar por vidro ou água, esses dados são representados no pixel em termos de luz e cor.

Também é possível utilizar o ray tracing no design de som, como sugere Mark Cerny, principalmente se você estiver procurando por uma solução mais rápida e limpa do que os métodos mais tradicionais fornecem. Se você tratar as ondas sonoras como raios muito menores, poderá modelá-las da mesma forma que o ray tracing modela a luz, desenhando-as da fonte até o usuário final e julgando onde elas interagem com objetos no ambiente. A dificuldade é que as ondas sonoras são geralmente muito maiores que as ondas de luz, chegando a dez metros ou mais, enquanto o comprimento de onda da luz é medido em nanômetros, então modelá-las como raios inevitavelmente causará imprecisões. É certamente possível, no entanto, e seria computacionalmente mais eficiente que a maioria das soluções alternativas.

A narrativa do hardware

Ray tracing em Metro Exodus; ativado na imagem à direita, é mais evidente em reflexos na neve e na água

É provável que você tenha ouvido falar de ray tracing pela primeira vez (apesar de vê-lo na tela em filmes por anos) quando a Nvidia começou a divulgar os recursos de ray tracing de suas placas da série RTX 20. A Nvidia fez muito barulho sobre como seus núcleos RT permitiriam que a próxima geração de GPUs trouxesse pela primeira vez um incrível rastreamento de raios em tempo real para videogames. Em grande parte, foi um estratagema para justificar os preços extremamente altos dos novos cartões, mas nem tudo foi hype de marketing - representou uma incrível conquista técnica incrível, permitindo PCs para jogos para fazer em tempo real o que levou esses estúdios de Hollywood várias ordens de magnitude a mais.

A recepção desses cartões da série 20 foi mista e as vendas foram mornas, mas talvez o mais importante, o domínio da Nvidia na narrativa de 'ray tracing nos jogos' começou a cair. Houve uma série de obstáculos, o primeiro e mais importante dos quais é como poucos jogos atualmente suportam ray tracing e como, mesmo nos títulos que o fazem, não causa um impacto gritante e imediatamente perceptível nos gráficos e na apresentação. Isso não é uma grande surpresa, é claro - a maioria das novas tecnologias gráficas, como o recente renascimento do HDR, leva algum tempo para ser lançada e implementada corretamente, mas parece que a Nvidia estava um pouco à frente do curva e começou a perder sua proeminência ray tracing nesse ínterim.

Primeiro veio a notícia de que os cartões RTX não eram necessários para o ray tracing, como demonstrado por um Demonstração do CryEngine . Então, a própria Nvidia anunciou que estava aumentando a linha GTX com tecnologia Turing, mas sem hardware dedicado de rastreamento de raios e, finalmente, que estava trazendo suporte de rastreamento de raio para placas GTX através de uma atualização de driver. E agora, circulam amplamente rumores de que a AMD em breve começará a lançar suas próprias placas com suporte dedicado ao rastreamento de raios que poderia igualar ou exceder a linha RTX em termos de desempenho. Com a AMD supostamente trabalhando com a Sony e a Microsoft na próxima geração de consoles (provavelmente fornecendo versões discretas e personalizadas de sua arquitetura Navi), a notícia de que os chips AMD em breve incluirão hardware dedicado para suportar ray tracing significa que a próxima geração de consoles provavelmente também estar saltando no movimento RT.

Iluminando o caminho a seguir

Ray tracing no motor Northlight da Remedy

Tudo isso não é uma ótima notícia para a Nvidia, pelo menos no curto prazo, mas uma ótima notícia para os entusiastas do ray tracing. Suporte de hardware mais amplo significa que fazer o trabalho para construir a tecnologia de rastreamento de raios em jogos parecerá muito mais atraente para os desenvolvedores, porque haverá um público capaz de apreciar os resultados. E mesmo para a Nvidia, à medida que o ray tracing se torna mais onipresente, o mesmo acontece com as vendas de seu hardware RTX, especialmente se a empresa for capaz de comprimir os preços para acelerar as vendas convencionais.

Também é uma boa notícia para os jogadores em geral. O rastreamento de raios pode não estar causando grandes ondas em um sentido prático agora, em grande parte porque o suporte atual parece um pouco apressado ou preso, mas à medida que vemos jogos construídos desde o início com o suporte de rastreamento de raios em mente, os produtos finais começarão a parecer muito mais impressionante. Em inúmeras demos, primeiro da Nvidia e agora da CryEngine e Unity (a engine de jogos que recentemente incorporou ferramentas de ray tracing), vimos o potencial do ray tracing e, implementado corretamente, é tão impressionante quanto o marketing quer que você acredite.

A conclusão é que o ray tracing é mais HDR do que 3D. Não é uma tecnologia enigmática e rápida que não conseguirá se firmar e sair da conversa em menos de um ano. É realmente uma parte importante do futuro dos jogos, garantir que a próxima geração de jogos pareça mais próxima da realidade do que nunca, e poder entregá-la em tempo real é realmente uma inovação impressionante. É uma inevitabilidade, e a principal questão em torno do traçado de raios é menos 'se' do que 'quando'.