Se você deu uma olhada nas notícias de jogos e gráficos^{(gaming and graphics news)} ultimamente, então você ouviu a última e melhor palavra da moda: ray tracing . Você também pode ter ouvido uma palavra semelhante chamada rastreamento de caminho^{(path tracing)} . E você pode ser totalmente perdoado por não entender completamente o que é qualquer um dos processos.

Uma explicação simples é que tanto o traçado de caminho quanto o traçado de raios^{(ray tracing)} são técnicas gráficas que resultam em imagens com aparência mais realista ao custo de um poder computacional significativamente maior. Há um vídeo do Minecraft^{(Minecraft video)} no YouTube que demonstra os aspectos particulares do ray tracing de maneira clara, mas também ilustra o estresse que ele coloca em um sistema.

Se essa é a única explicação que você precisa, ótimo! Mas se você quiser se aprofundar e descobrir como cada técnica funciona e por que as empresas de hardware de GPU^{(GPU hardware)} estão cobrando uma pequena fortuna por placas com capacidade de rastreamento de raios, continue lendo.

Rasterização e Computação Gráfica

Qualquer imagem que você vê exibida na tela do computador^{(computer screen)} não começou como essa imagem. Começa como uma imagem raster ou vetorial^{(vector image)} . Uma imagem raster^{(raster image)} é composta por uma coleção de pixels sombreados.

Uma imagem vetorial^{(vector image)} é baseada em fórmulas matemáticas que significam que a imagem pode ser aumentada em tamanho quase indefinidamente. A desvantagem das imagens vetoriais^{(vector image)} é que detalhes mais precisos são difíceis de obter. As imagens vetoriais^(Vector) são melhor usadas quando apenas algumas cores são necessárias.

A principal força da rasterização é sua velocidade, especialmente em comparação com técnicas como ray tracing. Sua GPU , ou unidade de processamento gráfico, dirá ao jogo para criar uma imagem 3D a partir de pequenas formas, geralmente triângulos. Esses triângulos são transformados em pixels individuais e depois colocados em um sombreador para criar a imagem que você vê na tela.

A rasterização tem sido a opção para gráficos de videogame por um longo tempo devido à rapidez com que pode ser processada, mas à medida que a tecnologia atual começa a colidir com seus limites, técnicas mais avançadas são necessárias para avançar para o próximo nível. É aí que entra o Ray Tracing.

O rastreamento de raios^(Ray) parece muito mais realista do que a rasterização, como ilustra a imagem abaixo. Olhe para os reflexos no bule^{(tea pot)} de chá e na colher.

O que é Ray Tracing?

No nível da superfície^{(surface level)} , ray tracing é um termo abrangente que significa tudo, desde uma única interseção de luz e objeto até o fotorrealismo completo. No contexto mais comum usado hoje, no entanto, o ray tracing refere-se a uma técnica de renderização^{(rendering technique)} que segue um feixe de luz (em pixels) de um ponto definido^{(set point)} e simula como ele reage ao encontrar objetos.

Pare um momento e olhe^{(moment and look)} para a parede da sala em que você está. Há uma fonte de luz na parede ou a luz é refletida na parede por outra fonte? Os gráficos traçados por raios^(Ray) começariam em seu olho e seguiriam sua linha de visão até a parede e, em seguida, seguiriam o caminho da luz da parede de volta à fonte de luz.

O diagrama acima ilustra como isso funciona. A razão para os “olhos” simulados (a câmera neste diagrama) é diminuir a carga na GPU .

Por quê? Bem, o ray tracing não é novo em folha^{(t brand-new)} . Na verdade, já existe há algum tempo. A Pixar^(Pixar) usa técnicas de ray tracing para criar muitos de seus filmes, mas gráficos de alta fidelidade, quadro a quadro, nas resoluções que a Pixar alcança, levam tempo.

Muito^{(A lot)} tempo. Alguns quadros na Universidade de Monstros^{(Monsters University)} levaram 29 horas cada. Toy Story 3 levou uma média de 7 horas por quadro, com alguns quadros levando 39 horas de acordo com uma história de 2010 da Wired.

Como o filme ilustra o reflexo da luz de todas as superfícies para criar o estilo gráfico que todos^{(style everyone)} conhecem e amam, a carga de trabalho^{(work load)} é quase inimaginável. Ao limitar as técnicas de rastreamento de raios apenas ao que os olhos podem ver, os jogos podem utilizar a técnica sem causar um colapso (literal) do processador gráfico.

Dê uma olhada na imagem abaixo.

Isso não é uma fotografia, apesar de parecer real. É uma imagem traçada por raios. Tente imaginar quanta energia é necessária para criar uma imagem parecida com esta. Um raio pode ser rastreado e processado sem muita dificuldade, mas e quando esse raio ricocheteia em um objeto?

Um único raio pode se transformar em 10 raios, e esses 10 podem se transformar em 100 e assim por diante. O aumento é exponencial. Após um ponto, os saltos e reflexões além do terciário e do quaternário exibem retornos decrescentes. Em outras palavras, eles exigem muito mais poder para calcular e exibir do que valem. Para renderizar uma imagem, um limite deve ser traçado em algum lugar.  

Agora imagine fazer isso de 30 a 60 vezes por segundo. Essa é a quantidade de energia necessária para usar técnicas de rastreamento de raios em jogos. É certamente impressionante, certo?

A capacidade de obtenção de placas gráficas capazes de ray tracing aumentará com o passar do tempo e, eventualmente, essa técnica se tornará tão prontamente disponível quanto os gráficos 3D. Por enquanto, porém, o ray tracing ainda é considerado a vanguarda da computação gráfica. Então, como o rastreamento de caminho entra em jogo?

O que é rastreamento de caminho?

O rastreamento de caminho^{(Path tracing)} é um tipo de rastreamento de raio^{(ray tracing)} . Ele se enquadra nesse guarda-chuva, mas onde o traçado de raios^{(ray tracing)} foi originalmente teorizado em 1968, o traçado de caminho não entrou em cena até 1986 (e os resultados não foram tão dramáticos quanto os de agora).

Lembre-se do aumento exponencial de raios mencionado anteriormente? O rastreamento de caminho^(Path) fornece uma solução para isso. Ao usar o traçado de caminho para renderização, os raios produzem apenas um único raio por salto. Os raios não seguem uma linha definida^{(set line)} por salto, mas disparam em uma direção aleatória.

O algoritmo de rastreamento de caminho então faz uma amostragem aleatória de todos os raios para criar a imagem final. Isso resulta na amostragem de uma variedade de diferentes tipos de iluminação, mas especialmente a iluminação global.

Uma coisa interessante sobre o rastreamento de caminho^{(path tracing)} é que o efeito pode ser emulado através do uso de shaders. Um patch de shader^{(shader patch)} apareceu recentemente para um emulador de Nintendo Switch^{(Nintendo Switch emulator)} que permitia aos jogadores emularem a iluminação global de caminhos traçados em títulos como The Legend of Zelda: Breath of the Wild e Super Mario Odyssey. Embora os efeitos pareçam bons, eles não são tão completos quanto o rastreamento de caminho^{(path tracing)} verdadeiro .

O rastreamento de caminho^{(Path tracing)} é apenas uma forma de rastreamento de raios. Embora tenha sido aclamado como a melhor maneira de renderizar imagens, o rastreamento de caminho vem com suas próprias falhas.

Mas, no final, tanto o traçado de caminho quanto o traçado de raios^{(path tracing and ray)} resultam em imagens absolutamente lindas. Agora que o hardware em máquinas de consumo atingiu um ponto em que o ray tracing é possível em tempo real em videogames, a indústria está pronta para fazer um avanço quase tão impressionante quanto a passagem de gráficos 2D para 3D.

No entanto, ainda levará algum tempo - vários anos pelo menos - antes que o hardware necessário seja considerado "acessível". A partir de agora, mesmo as placas gráficas necessárias custam bem mais de US $ 1.000.

What is Path Tracing and Ray Tracing? And Why do They Improve Graphics?

If you’ve taken even the slightest glance towards gaming and graphics news latеly, then you’ve heard the latеst and greatest buzzword: ray tracing. Yoυ might also havе heard a similar-soundіng word called path tracing. And you could be totally forgiven for not fully understаnding what either one оf the processes is.

A simple explanation is that both path tracing and ray tracing are graphical techniques that result in more realistic-looking images at the cost of significantly more computational power. There is a Minecraft video on YouTube that demonstrates the particular aspects of ray tracing in a clear way, but also illustrates the stress it puts on a system.

If that’s the only explanation you need, great! But if you want to dig deep and find out how each technique works and why GPU hardware companies are charging a small fortune for ray tracing-capable cards, read on.

Rasterization and Computer Graphics

Any image you see displayed on a computer screen did not start out as that image. It begins as either a raster or a vector image. A raster image is composed of a collection of shaded pixels.

A vector image is based on mathematical formulas that mean the image can be increased in size almost indefinitely. The downside of vector images is that more precise details are difficult to achieve. Vector images are best used when only a few colors are needed.

The main strength of rasterization is its speed, especially in comparison to techniques like ray tracing. Your GPU, or graphics processing unit, will tell the game to create a 3D image out of small shapes, most often triangles. These triangles are turned into individual pixels and then put through a shader to create the image you see on screen.

Rasterization has been the go-to option for video game graphics for a long time due to how quickly it can be processed, but as current technology begins to bump against its limits more advanced techniques are needed ot break through to the next level. That’s where ray tracing comes in.

Ray tracing looks far more realistic than rasterization, as the image below illustrates. Look at the reflections on the tea pot and the spoon.

What is Ray Tracing?

At the surface level, ray tracing is an umbrella term that means everything from a single intersection of light and object to complete photorealism. In the most common context used today, however, ray tracing refers to a rendering technique that follows a beam of light (in pixels) from a set point and simulates how it reacts when it encounters objects.

Take a moment and look at the wall of the room you’re in. Is there a light source on the wall, or is light reflected off the wall from another source? Ray traced graphics would start at your eye and follow your line of sight to the wall, and then follow the path of light from the wall back to the light source.

The diagram above illustrates how this works. The reason for the simulated “eyes” (the camera in this diagram) is to lessen the load on the GPU.

Why? Well, ray tracing isn’t brand-new. It’s actually been around for quite some time. Pixar uses ray tracing techniques to create many of its movies, but high-fidelity, frame-by-frame graphics at the resolutions Pixar achieves take time.

A lot of time. Some frames in Monsters University took a reported 29 hours each. Toy Story 3 took an average of 7 hours per frame, with some frames taking 39 hours according to a 2010 story from Wired.

Because the film illustrates the reflection of light from every surface to create the graphical style everyone has come to know and love, the work load is almost unimaginable. By limiting ray tracing techniques to only what the eye can see, games can utilize the technique without causing your graphics processor to have a (literal) meltdown.

Take a look at the image below.

That’s not a photograph, despite how real it looks. It’s a ray-traced image. Try to imagine how much power is required to create an image that looks like this. One ray can be traced and processed without much trouble, but what about when that ray bounces off an object?

A single ray can turn into 10 rays, and those 10 can turn into 100, and so on. The increase is exponential. After a point, bounces and reflections beyond tertiary and quaternary display diminishing returns. In other words, they require far more power to calculate and display than they are worth. For the sake of rendering an image, a limit has to be drawn somewhere.  

Now imagine doing that 30 to 60 times per second. That is the amount of power required to use ray tracing techniques in games. It’s certainly impressive, right?

The attainability of graphics cards capable of ray tracing will go up as time goes on, and eventually this technique will become as readily available as 3D graphics. For now, though, ray tracing is still considered the cutting-edge of computer graphics. So how does path tracing come into play?

What is Path Tracing?

Path tracing is a type of ray tracing. It falls under that umbrella, but where ray tracing was originally theorized in 1968, path tracing didn’t come onto the scene until 1986 (and the results were not as dramatic as those now.)

Remember the exponential increase in rays mentioned earlier? Path tracing provides a solution to that. When using path tracing for rendering, the rays only produce a single ray per bounce. The rays do not follow a set line per bounce, but rather shoot off in a random direction.

The path tracing algorithm then takes a random sampling of all of the rays to create the final image. This results in sampling a variety of different types of lighting, but especially global illumination.

An interesting thing about path tracing is that the effect can be emulated through the use of shaders. A shader patch appeared recently for a Nintendo Switch emulator that allowed players to emulate path traced global illumination in titles like The Legend of Zelda: Breath of the Wild and Super Mario Odyssey. While the effects look nice, they aren’t as complete as true path tracing.

Path tracing is just one form of ray tracing. While it was hailed as the best way to render images, path tracing comes with its own flaws.

But in the end, both path tracing and ray tracing result in absolutely beautiful images. Now that the hardware in consumer-grade machines has reached a point that ray tracing is possible in real-time in video games, the industry stands poised to make a breakthrough that’s almost as impressive as the step from 2D to 3D graphics.

However, it will still be some time—several years at least—before the necessary hardware will be considered “affordable.” As of now, even the necessary graphics cards cost well over $1,000.

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