O que é Ray Tracing?

Se você é ligado em jogos de videogame já deve ter ouvido falar bastante em Ray Tracing. Mas, afinal de contas, o que é essa tecnologia? Ray Tracing, em tradução literal, significa “traçado de raios”. Na prática, é uma tecnologia que tem por objetivo gerar melhores e mais realistas efeitos de luzes e sombras nos jogos. Tudo em tempo real.

O Ray Tracing não é algo novo. Na verdade, ele já é usado no cinema há décadas. A diferença é que os estúdios de Hollywood possuem máquinas super potentes para trabalhar com essa tecnologia. Além disso, eles lidam com imagens não-interativas e, portanto, não precisam calcular os raios de luz em tempo real. Mesmo assim, um único frame de um filme da Pixar, por exemplo, leva alguns dias para ser renderizado.

Nos próximos parágrafos você vai entender como funciona o Ray Tracing adaptado aos jogos e como as fabricantes de placas de vídeo conseguiram burlar as limitações técnicas dessa tecnologia. Vamos lá!

NVidia foi a pioneira

A primeira empresa a trazer o Ray Tracing para os jogos foi a NVidia. As placas de vídeo da série GeForce RTX Série 20 foram as primeiras a oferecer suporte ao Ray Tracing. Baseadas na nova arquitetura Turing, elas possuem os RT Cores, que são núcleos de processamento dedicados ao Ray Tracing. Eles calculam os efeitos de luzes em tempo real e com mais resolução.

As outras placas de vídeo da empresa rodam o Ray Tracing por emulação, como é o caso das GPUs da família GTX. Depois foi a vez da AMD de lançar as suas placas de vídeo com suporte ao Ray Tracing. E, por último, Sony e Microsoft trouxeram o Ray Tracing para os seus novos consoles: PlayStation 5 e Xbox Series X e S.

Afinal de contas, o que é o Ray Tracing?

O Ray Tracing é uma tecnologia que usa inteligência artificial e os RT Cores para criar efeitos de luz e sombras mais realistas nos jogos. O resultado é um game com cenários mais interativos, onde vidros, corpos de água e superfícies reflexivas refletem exatamente o que está acontecendo em volta. Antes, tais superfícies não refletiam em tempo real o que está em volta, exibiam apenas uma imagem estática.

A ideia do Ray Tracing é fazer com que a sensação de olhar para um monitor seja a mesma de olhar pela janela de casa. Por ser processada em tempo real, essa tecnologia exige uma alta capacidade de processamento.

Um dos fatores que possibilitou a implementação dessa tecnologia nas placas de vídeo foi a arquitetura Turing, que tem um desempenho 6 vezes maior que a arquitetura anterior, Pascal. Com isso ela consegue rodar jogos em 4K a 60 quadros por segundo. Além disso, os sombreadores podem ser concentrados em áreas físicas com muito mais detalhes.

Rasterização

Mas antes do Ray Tracing, que ainda não está amplamente difundido nos videogames, nós já tínhamos gráficos hiper realistas. Como isso é possível? Através da técnica de rasterização. Essa é a técnica usada para gerar os gráficos realistas que vemos nos jogos atuais. Mas, na prática, não passa de uma projeção 2D em um ambiente 3D.

A vantagem da rasterização é que este é um processo bem rápido e que gera imagens de forma mais simples. Os primeiros jogos com gráficos em 3D, ainda na década de 90, tinham gráficos bem quadradões, com os polígonos bem à mostra. Já as técnicas de iluminação também eram bem rudimentares. Basicamente havia apenas uma mudança nos tons das cores para passar a ideia de sombreamento e profundidade de campo.

Obviamente que com o avanço da tecnologia e com o surgimento de placas de vídeo mais potentes, a técnica de Rasterização foi sendo aprimorada. Os polígonos agora são quase imperceptíveis, texturas de alta resolução ajudam a dar realismo às superfícies e shadders programáveis ajudam a maquiar o cenário geral dos jogos.

Mas todas essas técnicas não passam de ilusões e maquiagens para deixar os jogos mais bonitos. Para deixar tudo mais realista mesmo, é necessário utilizar o Ray Tracing e entender como os raios de luz se comportam no ambiente. No vídeo abaixo você pode ver uma explicação de como a Disney trabalha com isso já há décadas.

Adaptando o Ray Tracing para os jogos

Trazer o Ray Tracing para os jogos é uma tarefa muito desafiadora. Afinal de contas, todo o trajeto dos raios de luz devem ser calculados em tempo real. E, em um jogo, é comum haver explosões, movimentação intensa, mudança de cenários e demais coisas que mudam constantemente a perspectiva e geram luzes e sombras diferentes.

Se uma desenvolvedora quiser fazer um jogo hiper realista, ela deve ficar atenta a várias coisas. Por exemplo, as sombras devem ser projetadas corretamente, não podem demorar muito tempo para desaparecer e os objetos e demais superfícies devem refletir corretamente a luz. Caso contrário eles ficarão parecendo serem feitos de cera. Tudo isso traz uma sensação de realismo para os gráficos dos jogos.

A técnica de Ray Tracing resolve todos esses problemas, resultando em gráficos incrivelmente lindos e realistas. Porém, tudo isso tem um preço: um alto poder de processamento. Tanto é que no cinema vários super computadores são usados em conjunto para conseguir renderizar tudo. E mesmo assim eles levam horas para renderizar um único frame.

Daí já conseguimos ter uma ideia de quão difícil foi levar o Ray Tracing para os computadores. No entanto, depois de anos de pesquisa e um trabalho intenso de engenharia de software, foi encontrado uma forma de adaptar o Ray Tracing para as placas de vídeo. Por exemplo, todas as placas de vídeo GeForce RTX contam com um super acelerador de raios integrado.

Os engenheiros tiveram que criar maneiras inteligentes e eficientes de usar o Ray Tracing nas placas de vídeo. Estava claro que usar a força bruta de processamento das placas de vídeo estava fora de questão. Por isso, ao invés de tentar fazer com que uma única placa processasse a rota de bilhões de raios de luz em tempo real, os engenheiros decidiram usar uma abordagem diferente.

Eles fizeram com que um único raio de luz fosse produzido por pixel. Então, cada pixel corresponde a um raio de luz. A partir daí a inteligência artificial assume e calcula o resultado final da imagem levando em consideração o caminho dos raios de luz.

Outra função da inteligência artificial é reduzir o ruído da imagem. Quando você usa poucos raios de luz, é comum que esses ruídos apareçam. Daí a inteligência artificial retira todos eles, gerando uma imagem com a mesma qualidade que se tivesse sido feita com bilhões de raios de luz, como ocorre no cinema.

Além disso, a utilização da inteligência artificial permite que os efeitos de iluminação, sombras e reflexos sejam feitos até mesmo fora do quadro. Ou seja, em locais onde a câmera não está filmando. Um exemplo disso é poder enxergar a movimentação de um inimigo que está atrás de você através do reflexo da porta de um carro. Sem o Ray Tracing isso não é possível.

Ray Tracing: vale a pena?

É inegável que o Ray Tracing traz um ganho de qualidade gráfica incomparável. Os gráficos realmente ficam muito bonitos e fazem brilhar os olhos. Mas é importante levar em consideração que o uso do Ray Tracing requer um poder de processamento muito alto. E em decorrência disso é comum haver perda de desempenho.

Mesmo que a sua máquina seja capaz de rodar jogos em 4K a 60 FPS, ao ativar o Ray Tracing é natural que a taxa de frames caia para menos de 40 FPS. Então é preciso ponderar: você prefere qualidade gráfica ou desempenho?

Ainda nesse assunto, atualmente, a plataforma que oferece o melhor custo x benefício para utilização do Ray Tracing são os consoles, como o PlayStation 5 e o Xbox Series X. Eles conseguem aliar muito bem qualidade gráfica com desempenho, mesmo com o Ray Tracing ativado.