O que é Ray Tracing? (E o que isso significa para jogos de PC)
Publicados: 2022-01-29Notou seus olhos se arregalando muito mais quando você joga ultimamente? Se sim, pode ser por causa de uma nova técnica que está se espalhando lentamente pela esfera do jogo. Os aprimoramentos visuais mais recentes e espetaculares em jogos para PC são oferecidos como cortesia do ray tracing, algo que só recentemente se tornou possível em tempo real com hardware especializado.
Embora o ray tracing seja comumente referenciado em jogos para PC, o Xbox Series X da Microsoft e o PlayStation 5 da Sony também possuem o hardware necessário e uma biblioteca crescente de jogos que o suportam. Este artigo aborda como o ray tracing difere da rasterização tradicional, por que é importante para o futuro dos jogos e, claro, se o ray tracing deve influenciar a compra do seu próximo PC para jogos (seja um desktop para jogos ou um laptop para jogos) ou console.
Noções básicas de rastreamento de raios
Ray tracing é uma técnica que funciona bem para iluminar uma cena gerada por computador. O conceito não é novo; o que há de novo é ter ao alcance o músculo da computação para retirá-lo com eficiência.
Imagine disparar um raio de luz em um objeto e traçar como ele ricocheteia na superfície, quase como entrar em um quarto escuro e apontar uma lanterna. Então imagine disparar muitos raios, usando aqueles que retornam (e não retornam) para descobrir como a cena deve ficar. Por exemplo, os raios que não retornaram provavelmente foram bloqueados por um objeto, criando assim uma sombra. (Pensar no conceito da mesma forma que o radar funciona não está longe.)
Essa explicação básica destaca como o traçado de raios é paralelo à iluminação do mundo real: a luz que atinge seu olho diz ao seu cérebro o que você está vendo. Os filmes animados usam o ray tracing há décadas; Toy Story da Pixar, por exemplo, o trouxe para o centro das atenções em 1995, e grandes avanços na renderização foram feitos desde então.
Por mais ou menos o mesmo tempo que a indústria cinematográfica usa o ray tracing, no entanto, os videogames contam com uma técnica diferente, a rasterização, para renderizar mundos 3D. Mas, antes de chegarmos às razões por trás disso, vamos contrastar ray tracing com rasterização.
Os Fundamentos: Ray Tracing versus Rasterização
A rasterização é uma abordagem baseada em objetos para renderização de cenas. Cada objeto é pintado com cores primeiro, então a lógica é aplicada para mostrar apenas os pixels que estão mais próximos do olho. Por outro lado, o ray tracing colore os pixels primeiro e depois os identifica com os objetos. Simples... isso explica tudo, certo?
Bem, não exatamente , então pense assim. A rasterização requer técnicas especiais e ajustes para criar visuais realistas. Por exemplo, o pipeline de renderização de um jogo pode ser adaptado e otimizado para aplicar um determinado efeito, onde os pixels em um objeto têm um determinado padrão. Naturalmente, esse tipo de lógica varia de objeto para objeto e de cena para cena. Requer esforço por parte do desenvolvedor para tirar proveito disso, mas pode compensar em eficiência, já que o computador pode renderizar uma cena complicada sem quantidades proporcionais de poder de processamento.
O rastreamento de raios tende a ser aplicado de maneira mais geral do que a rasterização, pois é baseado no disparo de raios de luz. Como resultado, as técnicas para obter resultados visuais com ele são baseadas em como esses raios são usados. Sombras e reflexos mais suaves, por exemplo, exigem o disparo de mais raios, enquanto os efeitos de movimento e desfoque podem exigir a alteração do tempo dos raios ou do ponto de origem dos raios.
Ao todo, rasterização e traçado de raios podem ser usados para obter o mesmo resultado (ou, pelo menos, próximo a ele). Então agora vamos explorar por que um seria usado em detrimento do outro.
Jogos convencionais, conheça o Ray Tracing
Décadas atrás, a rasterização ganhou seu lugar nos videogames porque o hardware necessário para fazê-lo era acessível o suficiente para os principais compradores acessarem, ao contrário do que era necessário para o rastreamento de raios. Isso ainda é amplamente verdade; placas gráficas de jogos são otimizadas para rasterização e serão por muitos anos.
A jornada do Ray tracing para os jogos convencionais começou em 2018 com o lançamento da linha de placas de desktop GeForce RTX da Nvidia, na forma da GeForce RTX 2080. A Nvidia apresentou sua segunda geração de placas da série GeForce RTX 3000 em 2020 (encabeçada pela GeForce RTX 3080) , e a rival AMD rapidamente seguiu o exemplo com sua série Radeon RX 6000. (Veja nossa análise do carro-chefe Radeon RX 6800 XT.)
Em resumo, demorou tanto para o ray tracing entrar no cenário dos jogos porque os recursos de computação para executá-lo eram inatingíveis a preços que permitiriam a adoção do mainstream. É verdade que o custo inicial ainda é relativamente alto - nem a AMD nem a Nvidia oferecem uma placa gráfica de desktop de baixo custo com ray tracing de hardware ainda. No momento, a placa de vídeo "nível de entrada" capaz de ray tracing em hardware é a GeForce RTX 2060, lançada em 2019 por um preço não muito caro de US$ 349 e vende bem mais do que a maioria das fontes atualmente, devido a a alta demanda (e baixa oferta de) placas de vídeo.
Principais placas gráficas de rastreamento de raio que testamos...
Ainda assim, em algum momento, os preços se estabilizarão. E o cenário está pronto para a adoção contínua do mainstream, especialmente desde que os consoles de jogos mais recentes se juntaram à festa.
Melhorias visuais com Ray Tracing
É importante perceber que o ray tracing apenas colocou o pé na porta dos gráficos de jogos. Isso porque renderizar um jogo inteiro em ray tracing em tempo real ainda está muito além das capacidades do hardware atual. Jogos que suportam ray tracing o usam apenas para certos efeitos, principalmente aqueles relacionados a sombras e iluminação, enquanto todo o resto ainda é rasterizado.
Primeiro, uma rápida introdução à terminologia. As placas da marca RTX da Nvidia - a GeForce RTX 2060 ou RTX 3080, por exemplo - utilizam uma implementação proprietária de renderização de gráficos que a Nvidia chama amplamente de "RTX". Essa implementação pode usar o DirectX 12 e, mais especificamente, sua API DirectX Raytracing (DXR) para renderizar caminhos de luz no mecanismo do jogo.
O DXR, por sua vez, é uma API de rastreamento de raios que pode operar independentemente do hardware da Nvidia ou em conjunto com ele. Por exemplo, os desenvolvedores do jogo Crysis mostraram uma demonstração de seu próprio mecanismo Crytek há vários anos que executava reflexões ray-traced em uma placa da série AMD Radeon RX 5000 (uma GPU sem núcleos RT integrados), embora o desempenho fosse lento. . Se você executar a mesma demonstração em uma placa AMD Radeon RX 6000 Series, completa com núcleos RT integrados, ela processará a cena DXR significativamente mais rápido.
Os núcleos RT (que são especializados para processar a matemática dos raios de luz) ajudam qualquer placa gráfica, da marca AMD ou Nvidia, a executar o DXR mais rápido, mas o DXR não precisa de núcleos RT para ser executado.
Vamos ver como o ray tracing pode melhorar visualmente um jogo. Tirei os seguintes pares de capturas de tela no Shadow of the Tomb Raider da Square Enix para PC, que suporta sombras ray-traced em placas gráficas Nvidia GeForce RTX. Especificamente, olhe para as sombras no chão.
Aqui está outro par de cenas de Shadow of the Tomb Raider...
E vamos ver um set final...
As sombras ray-traced são mais suaves e realistas em comparação com as versões rasterizadas mais duras. Sua escuridão varia dependendo da quantidade de luz que um objeto está bloqueando e até mesmo dentro da própria sombra, enquanto a rasterização parece dar a cada objeto uma borda dura. As sombras rasterizadas ainda não parecem ruins, mas depois de jogar o jogo com sombras traçadas por raios, é difícil voltar atrás.
Atualmente, o suporte ao rastreamento de raios em jogos é um pouco polarizador porque o recurso deve ser implementado separadamente para placas AMD e Nvidia. Mais jogos suportam placas Nvidia principalmente porque a Nvidia era a única que produzia placas gráficas com capacidade de rastreamento de raio até 2020, mas mais jogos estão começando a oferecer suporte a ambos os sabores. Exemplos deste último incluem Cyberpunk 2077, Dirt 5, Godfall e World of Warcraft: Shadowlands.
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Ray Tracing: o impacto no desempenho
Quando se trata de gráficos para PC, tudo tem um preço, e os recursos visuais do ray tracing não são exceção. Habilitá-lo geralmente resulta em uma penalidade de desempenho que varia em seu impacto de jogo para jogo.
Vamos pegar, por exemplo, o benchmark embutido no jogo Shadow of the Tomb Raider. Eu o executei em um desktop pronto para jogos com um processador AMD Ryzen 9 5900X, uma placa gráfica GeForce RTX 3080 e 32 GB de memória. Os números apresentados abaixo, testados em duas resoluções, são a média de quadros por segundo (fps). Pelo menos 60fps é necessário para uma jogabilidade suave.
Os acertos de desempenho de dois dígitos do ray tracing são significativos e observe que isso ocorre com o recurso DLSS de aprimoramento de desempenho ativado. DLSS é um recurso específico da Nvidia suportado em certos jogos que pode ajudar a reduzir o impacto nas taxas de quadros da carga computacional do ray tracing. (Para muito mais sobre DLSS, veja nosso recurso Testando o DLSS 2.0 da Nvidia: Taxas de quadros mais altas de graça?) O DLSS é uma grande promessa, mas o jogo precisa suportá-lo. Embora esteja ganhando força nos dias de hoje, seu apoio está longe de ser universal.
Lembre-se, essa troca de desempenho vem apenas da aplicação de efeitos de sombra e iluminação, então a tecnologia de hoje está muito longe de usar ray tracing para renderizar um jogo inteiro. Dito isto, os acertos na performance são o pior cenário neste caso, já que este jogo tem configurações de sombra ray-traced com menos impacto negativo na performance.
A otimização do jogo merece uma menção. Os desenvolvedores, sem dúvida, aprenderão a otimizar melhor o ray tracing da mesma forma que fizeram a rasterização, portanto, deve ser possível obter mais efeitos de ray tracing do hardware atual. (Mais uma vez, veja até que ponto a rasterização chegou.)
Principais jogos de rastreamento de raios que analisamos
O DLSS é uma abordagem que também ajudará, e esperamos refinamento e expansão do DLSS com o passar do tempo. A AMD também está trabalhando em sua própria alternativa de economia de desempenho no estilo DLSS, apelidada de "Super Resolução". Super Resolution está sendo desenvolvido em conjunto com a equipe DirectML da Microsoft ("ML" é a abreviação de "machine-learning"). No entanto, a AMD diz que a tecnologia ainda está longe, e provavelmente não veremos nenhum jogo rodando com ela até 2022, no mínimo.
Um futuro traçado por raios: ganhando força lentamente
Apesar das aplicações limitadas do ray tracing nos jogos de hoje, ele veio para ficar. A escrita está na parede desde que a AMD seguiu a Nvidia ao introduzir as placas gráficas Radeon com suporte ao rastreamento de raios de hardware. O suporte ao rastreamento de raio de hardware no Xbox Series X e no PlayStation 5 impulsiona ainda mais esse ponto para casa.
Nessa nota, a escolha de adotar o ray tracing foi feita para os jogadores de console. Também foi feito para jogadores de PC que compram placas gráficas modernas de médio a alto padrão, pois todos os modelos mais recentes suportam ray tracing de hardware, mas a questão permanece se os jogadores com placas gráficas mais antigas ou de baixo custo devem atualizar ou aqueles no mercado deve se levantar.
Em resumo, não há necessidade de investir em uma placa gráfica que suporte ray tracing de hardware, a menos que você determine que as diferenças visuais valem o dinheiro. Atualmente, o rastreamento de raios oferece poucas outras vantagens para os jogos, por isso se resume ao simples prazer.
A disponibilidade limitada atual e os altos preços das placas gráficas tornam o ray tracing um investimento ainda maior do que deveria ser, portanto, a menos que você tenha tido a sorte de conseguir uma placa GeForce RTX ou Radeon RX 6800, pode fazer sentido manter o ray tracing ativado a lista de desejos e use o dinheiro para jogos. Essa estratégia pode funcionar ainda melhor a longo prazo, pois você poderá experimentar novamente qualquer jogo que comprou com suporte adicional ao rastreamento de raios enquanto esperava.