Qual a diferença entre Ray Tracing e Path Tracing?

Você já se perguntou como os filmes de animação de grandes estúdios conseguem ter cenas tão realistas que quase podemos sentir a textura dos objetos apenas olhando? Ou como os jogos de videogame estão cada vez mais imersivos, com efeitos de luz e sombra que nos transportam para dentro da própria aventura?

A magia por trás dessas experiências visuais tem muito a ver com duas técnicas poderosas: Ray Tracing e Path Tracing. Mas o que são essas tecnologias e como elas diferem uma da outra?

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Neste artigo, vamos explicar as diferenças e peculiaridades que tornam o Ray Tracing e o Path Tracing ferramentas essenciais na criação de jogos e de demais conteúdos audiovisuais. Vamos explorar juntos as diferenças, vantagens e aplicações de cada método e entender como eles estão moldando o futuro do entretenimento visual.

Dando um passo atrás e entendendo a técnica de Rasterização

Antes de falarmos especificamente sobre as diferenças entre Ray Tracing e Path Tracing, precisamos entender o conceito de rasterização.

A rasterização é o método mais usado para criar luz em jogos. Quase todos os jogos que você jogou usam essa técnica. No entanto, a composição de imagens desta técnica se baseia em um único ponto de vista.

Imagine-se jogando um FPS e daí você se depara com uma poça d’água à frente e o sol iluminando. Ao mover seu personagem para olhar a poça sob o sol, verá o reflexo do seu personagem, tal como na vida real quando o sol reflete na água.

Na rasterização, são os desenvolvedores do jogo que determinam o reflexo exibido. Seu personagem na poça, ao se mover, pode não mostrar o reflexo do ambiente e da luz solar, pois a rasterização apresenta imagens apenas de um ponto fixo. Na prática, não passa de uma projeção 2D em um ambiente 3D.

A rasterização é rápida e simples, usada desde os primeiros jogos 3D dos anos 90 com gráficos primitivos. Com o tempo, evoluiu graças a melhores placas de vídeo, tornando polígonos quase invisíveis e melhorando texturas e shaders. Contudo, para aumentar o realismo dos jogos, é essencial o uso do Ray Tracing e do Path Tracing para simular o comportamento da luz.

Entendendo o Ray Tracing

O Ray Tracing, ou Traçado de Raios em português, é uma técnica que combina rasterização com alguns processos exclusivos. Por exemplo, ela usa inteligência artificial e os RT Cores das placas de vídeo para criar luzes e sombras mais realistas em jogos. Com isso, os cenários ficam mais interativos. Vidros, água e superfícies que brilham mostram o que está ao redor de verdade. Antes, essas superfícies só mostravam uma imagem fixa, aquela que tinha sido programada pelo desenvolvedor.

A ideia do Ray Tracing é fazer você sentir como se estivesse olhando pela janela de casa, não para um monitor. Como é feito em tempo real, essa tecnologia precisa de muita força de processamento. Em outras palavras, o Ray Tracing é um método realista de modelar a iluminação em uma cena.

Originalmente concebido no final da década de 1960, só a partir de 2018 foi trazido para os jogos, pois para ser calculado em tempo real exige um grande poder de processamento.

O Ray Tracing funciona lançando um raio em uma cena através do ponto de vista do jogador. Cada vez que o raio interage com um objeto, o efeito desse objeto no raio é calculado, incluindo sua cor, transparência e orientação. Esse raio continua sendo rastreado enquanto ele se move pela cena até se intersectar com uma fonte de luz. Esse cálculo é feito para cada pixel em uma cena, resultando em uma técnica de iluminação incrivelmente realista, mas também incrivelmente pesada.

O Ray Tracing tem sido usado em CGI de filmes por anos, muitas vezes levando horas ou até dias para renderizar frames individuais. No entanto, à medida que a potência de computação melhorou e com o lançamento das placas gráficas RTX da Nvidia, aceleradores de ray tracing tornaram possível a implementação da técnica em tempo real em jogos. Embora inicialmente restrito a sombras e reflexos nos primeiros lançamentos, ele foi posteriormente estendido para a iluminação global em alguns títulos.

Entendendo o Path Tracing

O Path Tracing, por sua vez, é um método mais moderno para modelar a iluminação em tempo real em uma cena. Digamos que esta técnica é uma evolução do Ray Tracing. Desenvolvido em meados dos anos 1980, ela adota uma abordagem diferente do Ray Tracing. Lembra que o Ray Tracing rastreia um raio de luz por cada pixel na cena? Então, o Path Tracing envia centenas ou até milhares de raios de uma vez a partir de uma fonte de luz, e então os rastreiam enquanto eles quicam aleatoriamente ao redor de uma cena.

Como você pode imaginar, isso é muito mais complicado de calcular à primeira vista. No entanto, resultado final é uma renderização mais fácil para a GPU, pois em vez de rastrear cada raio de pixel para a fonte, ele rastreia apenas uma amostra desses raios com base no caminho mais provável que a luz seguiria.

É uma combinação de Ray Tracing com a simulação de Monte Carlo. Caso você não conheça, a simulação de Monte Carlo é uma maneira de prever resultados executando muitas simulações aleatórias. Isso ajuda a estimar a probabilidade de diferentes resultados em sistemas complexos. Essa combinação permite que o jogo use um número gerenciável de caminhos para rastrear até uma fonte de luz.

Isso permite efeitos de iluminação semelhantes aos obtidos pelo Ray Tracing “puro”, mas com menos poder de processamento. O Path Tracing deixa os detalhes do jogo bem melhores. Claro que isso depende do quão bom é o sistema e das configurações que você escolhe. Um tamanho de amostra maior significa mais demanda na GPU que renderiza a cena, mas também entrega mais detalhes. Amostras menores tornam o Path Tracing mais gerenciável, porém com queda na qualidade das imagens.

É importante salientar que os resultados finais do path tracing não são perfeitos. Por isso, eles são combinados com algoritmos de remoção de ruído (denoising) para limpar a imagem resultante. Depois dessa etapa de remoção de ruído é que as imagens ficam realmente impressionantes.

Existem certas cenas e objetos, como objetos reflexivos e refrativos — um copo de água, por exemplo — para os quais o algoritmo de path tracing precisa ser ajustado para evitar perda indevida de informações em amostras menores. É possível que, com esses objetos, o algoritmo simplesmente faça um traçado de raios por força bruta para garantir precisão.

O resultado final, porém, é uma cena que parece tão realista quanto uma feita com Ray Tracing, ou até mais. E isso pode exigir bem menos esforço da GPU, especialmente se os detalhes estiverem configurados no máximo. O Path Tracing também é considerado mais eficaz para cenas bem iluminadas, pois tem mais dados para trabalhar, enquanto o Ray Tracing pode ser mais eficaz na renderização de cenas com muitas sombras, pois conhece o caminho real que os raios de luz seguiriam.

Qual técnica é melhor?

O Ray Tracing é uma técnica precisa para modelar a iluminação em tempo real, pois segue o caminho natural de como a luz pode se propagar ao redor de uma cena. No entanto, o grande número de cálculos necessários para utilizar o Ray Tracing de forma eficaz é absurdo. Mesmo com todo o hardware moderno e suas GPUs potentes, como a RTX 4090, pode ser difícil lidar com jogos fortemente baseados em Ray Tracing. Por isso, muitos dos jogos que suportam esta técnica na verdade usam o traçado de raios apenas para alguma parte da cena: sombras ou reflexos, geralmente.

Por outro lado, o Path Tracing pode produzir visuais igualmente impactantes, ou até melhores, enquanto demanda menos do hardware de renderização. É o modelo usado em alguns dos jogos “ray traced” mais impressionantes até agora, como Quake II RTX, Portal RTX e a atualização do modo Overdrive para Cyberpunk 2077. Também está sendo modificado em jogos mais antigos, como Half-Life 2, com ótimos resultados.

O Path Tracing oferece uma forma de iluminação dinâmica com melhor aparência e menos intensa, sendo, no geral, possivelmente a melhor solução. No entanto, o Ray Tracing é útil em situações onde há poucas amostras de path tracing, podendo causar erros na imagem. Existem também muitos exemplos modernos de jogos tradicionalmente rasterizados onde a iluminação por Ray Tracing ou Path Tracing adiciona muito pouco à experiência, enquanto derruba completamente as taxas de quadros, como em Hogwarts Legacy.

É provável que até que as placas gráficas se tornem poderosas o suficiente para que o Ray Tracing ou Path Tracing sejam renderizados tão facilmente quanto a rasterização, veremos uma combinação de efeitos de iluminação em jogos futuros, já que cada técnica tem seu lugar.

O que esperar do Ray Tracing e Path Tracing para a próxima geração de games?

À medida que avançamos para a próxima geração de games, podemos esperar que o Ray Tracing e o Path Tracing continuem a evoluir e a se tornar mais acessíveis. As melhorias no hardware das GPUs permitirão que mais jogos aproveitem essas técnicas sem comprometer o desempenho.

Os desenvolvedores estão sempre buscando maneiras de otimizar seus jogos. Com isso, é provável que vejamos novos algoritmos e métodos para tornar o Ray Tracing e o Path Tracing mais eficientes. Por exemplo, há rumores de que o PS5 Pro terá uma renderização de ray tracing 4 vezes mais rápida que o modelo base. Isso significa cenas ainda mais realistas, com reflexos e sombras que reagem dinamicamente ao ambiente e às mudanças de luz.

Além disso, à medida que mais jogadores adquirem monitores e TVs com altas taxas de atualização, a demanda por gráficos que possam acompanhar essas capacidades também aumenta. O Ray Tracing e o Path Tracing são fundamentais para atender a essa demanda, oferecendo visuais impressionantes sem sacrificar a suavidade do gameplay.

O futuro dos games também pode trazer uma integração mais profunda do Ray Tracing e Path Tracing com outras tecnologias, como a realidade virtual (VR) e a realidade aumentada (AR). Esses ambientes imersivos se beneficiariam enormemente da iluminação realista proporcionada por essas técnicas, aumentando a sensação de realidade em mundos virtuais.