A Evolução dos Gráficos em Jogos: Rasterização, Ray Tracing e Path Tracing

O mundo dos gráficos em videogames evoluiu bastante. Da técnica tradicional de rasterização ao surgimento do ray tracing e, agora, ao path tracing mais avançado, os desenvolvedores se esforçam continuamente para entregar visuais mais realistas. Neste artigo, exploramos as principais diferenças entre rasterização, ray tracing e path tracing, além de destacar os benefícios do path tracing nos gráficos de jogos.

Os Fundamentos: Rasterização

Tradicionalmente, os desenvolvedores utilizavam uma técnica chamada rasterização para renderizar gráficos em jogos. A rasterização envolve transformar formas vetoriais matemáticas em pixels, permitindo que sejam exibidas em monitores de computador ou em displays baseados em pixels. Enquanto a rasterização era eficaz na aproximação do comportamento da luz em jogos usando iluminação pré-renderizada com fontes de luz estáticas, suas limitações se tornaram evidentes à medida que a demanda por gráficos fotorrealistas cresceu.

O Surgimento do Ray Tracing

O ray tracing, ao contrário da rasterização, tem como objetivo simular o comportamento da luz na realidade para cada quadro do jogo ou aplicativo. À medida que a luz interage com vários objetos, ela pode refletir, refratar ou ser absorvida. O ray tracing calcula o mesmo comportamento para cada pixel individual, resultando em milhões de raios simulados por quadro. Essa técnica computacionalmente exigente se tornou acessível aos jogadores com o avanço da tecnologia.

O ray tracing em si não é um conceito novo, mas tem sido utilizado por estúdios de cinema desde a década de 1970. No entanto, o ray tracing em tempo real em jogos é um desafio completamente diferente. Isso requer executar esses cálculos complexos em um ambiente em constante mudança para cada quadro. Para mitigar a carga computacional, a maioria dos jogos com ray tracing o combina com rasterização, aproveitando sua aceleração de hardware para elementos como reflexos e sombras.

A Introdução do Path Tracing

Agora, vamos mergulhar no path tracing. Em essência, o path tracing é uma versão modificada do ray tracing. Em vez de rastrear o caminho de cada raio de luz individual, seja primário ou secundário, o path tracing calcula apenas o caminho mais provável que a luz tomaria ao percorrer a cena. Desenvolvido na década de 1980, o path tracing envolve matemática mais complexa, com múltiplos raios por pixel, mas resulta em uma carga de hardware menor, ou seja, em sua GPU.

O 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 em que a previsão precisa é impossível. Ele produz uma iluminação mais realista em jogos amostrando um maior número de pontos de dados. Ao contrário do ray tracing, que envia vários raios de luz para cada pixel, o path tracing amostra apenas um subconjunto deles para alcançar o resultado final. Esse algoritmo, auxiliado pelo denoising Nvidia DLSS, permite sombras, reflexos e iluminação global mais bem definidos.

As Vantagens do Path Tracing

Então, se o path tracing é apenas uma aproximação do ray tracing, por que é considerado melhor? O resultado não deveria ser pior do que o ray tracing?

De modo algum. O debate path tracing vs. ray tracing é mais complexo. O path tracing, às vezes referido como ray tracing completo, na verdade produz uma iluminação mais realista em jogos. Títulos recentes como Cyberpunk 2077 e Alan Wake 2 mostraram o que o ray tracing completo, com a ajuda do path tracing, pode alcançar.

O path tracing até foi implementado em jogos mais antigos como Quake 2, Portal, The Elder Scrolls V: Skyrim e Half-Life, transformando-os de gráficos desatualizados em vitrines tecnológicas.

A capacidade do path tracing de produzir uma iluminação mais realista deriva do aumento da quantidade de dados amostrados. Ao contrário do ray tracing, que apenas amostra um subconjunto dos raios de luz disponíveis, o path tracing envia vários raios de luz para cada pixel, resultando em sombras, reflexos e iluminação global mais definidos.

Tecnicamente falando, o path tracing também é mais fácil de ser manipulado em GPUs. Apesar dos cálculos mais complexos, do denoising e dos truques relacionados à IA envolvidos no path tracing, ele teoricamente se mostra menos exigente para a GPU.

O Futuro dos Gráficos nos Jogos

Os jogos desenvolvidos desde o início usando path tracing se beneficiarão mais da carga de hardware reduzida. No entanto, essa prática ainda é rara hoje em dia. O path tracing está sendo gradualmente introduzido em diferentes jogos como atualizações, muitas vezes anos após o lançamento inicial.

Mesmo os “jogos totalmente ray traced” como Alan Wake 2, que a Nvidia promove, não utilizam extensivamente o path tracing. Ainda assim, esses jogos oferecem visuais estonteantes, mesmo no PS5.

Atualmente, rodar esses títulos com taxas de quadros jogáveis, mesmo com as GPUs mais potentes, continua sendo um desafio. As futuras placas da série RTX 40 da Nvidia terão que aproveitar os recursos de inteligência artificial para renderizar esses jogos em resoluções mais baixas e dimensioná-los para resultados aceitáveis.

Mas, em alguns anos, graças aos avanços na tecnologia de IA, implementar path tracing se tornará significativamente mais fácil em GPUs disponíveis para todos os jogadores.

FAQs

1. Quais são as principais diferenças entre rasterização, ray tracing e path tracing?

A rasterização é a técnica tradicional para renderizar gráficos em jogos, transformando vetores matemáticos em pixels. O ray tracing simula o comportamento da luz na realidade e calcula os caminhos de luz para cada pixel. O path tracing calcula o caminho mais provável da luz para cada pixel.

2. Como funciona o ray tracing?

O ray tracing calcula o comportamento dos raios de luz em uma cena de jogo, considerando reflexões, refrações e absorção de luz por objetos. Ele analisa cada raio de luz para cada pixel, exigindo uma grande potência computacional.

3. Como funciona o path tracing?

O path tracing calcula o caminho mais provável que a luz tomaria ao percorrer a cena. Ele emprega vários raios de luz por pixel, mas a amostragem é aplicada para reduzir a carga computacional.

4. Quais são as vantagens do path tracing?

O path tracing produz uma iluminação mais realista com uma quantidade maior de dados de amostragem. Ele pode fornecer sombras, reflexos e iluminação global mais definidos. Tecnicamente falando, o path tracing é menos exigente para a GPU em comparação com o ray tracing.

5. O path tracing é usado em jogos?

O path tracing está sendo introduzido em alguns jogos como atualizações, mas normalmente é praticado anos após o lançamento inicial do jogo. Jogos mais recentes como Cyberpunk 2077 e Alan Wake 2 empregam o path tracing para alcançar gráficos mais realistas.