Afinal, o que é o Ray Tracing e como ele funciona nos games?

Saiba como funciona a principal aposta tecnológica para revolucionar o futuro dos gráficos in-game

Com o lançamento das placas RTX da Nvidia no começo do ano, o recurso visual conhecido como Ray Tracing (RT) se tornou uma das principais apostas para a evolução gráfica que devemos esperar nos próximos anos para os jogos. Apesar da empresa não ter dito em nenhum momento que essa tecnologia era proprietária, muito do marketing feito em cima dos primeiros títulos que receberam o recurso davam a entender que somente os consumidores das GPUs Nvidia vão desfrutar desta aplicação. Entretanto não é bem assim que funciona. 

Depois da revelação dos primeiros detalhes sobre os consoles da próxima geração, com o Playstation 5 e o Xbox Scarlett, foi confirmado que a APU utilizada para equipar ambos será da AMD e, além disso, os dois vão ter suporte a tecnologia de traçado de raios. O que significa que o ray tracing também poderá ser habilitado em jogos para consoles a partir do ano que vem. 

Esta confirmação não só deixou muitas dúvidas sobre a funcionalidade do RT como também levantou algumas questões quanto ao poder computacional necessário para conseguir rodar a tecnologia em tempo real sem afetar o desempenho dos jogos. Então para acabar com todas as perguntas sobre o ray tracing, elaboramos esse artigo para falar sobre o impacto da tecnologia nos games e como sua chegada vai afetar o hardware mais modesto de quem não pretende mudar o setup tão cedo ou pretende comprar um console next-gen em seu lançamento. 

O que é o Ray Tracing?

Apesar da recente popularização do termo “ray tracing” no meio gamer, neste último ano, muitas pessoas ainda não sabem o que é ou como funciona essa tecnologia. Basicamente, ray tracing significa “traçado de luz” e é um método de simulação de iluminação em ambientes virtuais - mais precisamente, em animações digitais. 

Este recurso é composto por um algoritmo que pode ser aplicado em renderizações de imagens e cenários, buscando representar da forma mais fiel possível o trajetos dos raios de luz provenientes de uma fonte natural ou artificial. Isso pode parecer complexo quando falamos em termos digitais, mas é muito fácil de se entender quando comparamos essa tecnologia com a forma que o corpo humano trabalha para fazer com que enxerguemos.

Para que nossos olhos possam “ver” é preciso que tenhamos ao menos um foco de luz que vai iluminar o ambiente ou mesmo algum objeto que esteja em nosso campo de visão. A luz emitida por essa fonte contém fótons que definem os milhares de caminhos que ela vai seguir até chegar aos nossos olhos. Quando se tem um objeto neste percurso, a luz bate nele e é refletida para o observador que só então consegue enxergá-lo, assim como toda a composição do ambiente.

Ray Tracing é um método de simulação de iluminação usado em animações digitais

Dependendo das características do objeto a luz pode ser refletida, refratada ou até mesmo absorvida. Além disso, as propriedades individuais de cada superfície como sua cor e material podem afetar a forma como a luz chega até os nossos olhos, fazendo com que a gente consiga distinguir o que é cada coisa e sua cor.

Com isso em mente é muito mais fácil entender como funciona o ray tracing, justamente porque ele funciona praticamente da mesma forma. O que esse recurso busca criar é uma representação similar ao que temos no mundo real em uma renderização tridimensional, entregando assim mais fidelidade na iluminação de ambientes e até mesmo na criação de sombras mais suaves e que acompanham o movimento do observador - no caso dos games a câmera do jogador. 

 

Como Funciona?

Como disse anteriormente, o ray tracing procura ao máximo “imitar” os efeitos da luz que temos no mundo real na criação de um ambiente virtual com propriedades similares. Entretanto, a luz que temos de verdade consegue percorrer milhares e até milhões de trajetos diferentes até chegar à nós, e para reproduzir isso digitalmente é necessário um grande poder computacional proveniente das melhores e mais robustas estruturas de processamento, o que torna essa aplicação extremamente limitada para o usuário comum e casual.

Entretanto a utilização do RT em animações e efeitos especiais é algo que já acontece há bastante tempo na indústria cinematográfica para criação de cenários, personagens e outras estruturas digitais semelhantes às que são vistas de verdade (no mundo real). É claro que as corporações que produzem esse tipo de conteúdo tem o “poder aquisitivo” necessário para realizar grandes projetos, mas mesmo assim, existem alguns recursos que são aplicados durante a tarefa que fazem com que o trabalho de processamento seja bem mais leve.

Para simular o trajeto da luz em um ambiente virtual o ray tracing faz o cálculo inverso do caminho dos fótons até o objeto ou superfície em questão. Ou seja, ao invés de calcular a rota que a luz traça até chegar ao observador, ele define os caminho que a luz vai seguir partindo dos objetos observados até o foco de luz no cenário. 

A primeira vista essa mudança pode não significar tanto para quem está consumindo o conteúdo, mas ao realizar essa inversão, o ray tracing consegue calcular apenas a luz necessária para compor a cena (somente aquilo que o observador está olhando) e pode eliminar todo o resto que seria calculado e desperdiçado por nem estar dentro da cena. 

Esse recurso é capaz de reduzir os milhões de traçados criados pela luz e, consequentemente, diminuir o processamento computacional requerido. Em seguida a aplicação de filtros como o “AI denoiser”, baseado em inteligência artificial e usado para reduzir o ruído causado pela pouca quantidade de traçados calculados, são capazes de criar um cenário com o ray tracing aplicado em tempo real. 

Para entender melhor, dê uma olhada no vídeo produzido pelos estúdios de animação da Disney que explica com muitos detalhes como o traçado de luz é calculado no RT. 

 

Como Funciona nos jogo?

O ray tracing tem muitos benefícios que vão além da beleza gráfica que proporciona e que vamos falar mais para frente, contudo há apenas um motivo para ele não ter sido aplicado mais cedo nos games: a necessidade de um grande desempenho de processamento dedicado para funcionar.

Pegando as animações da Disney como exemplo sabemos que sua qualidade gráfica só é possível graças às suas “render farms” que dispõe do melhor poderio computacional para processar as cenas dos seus filmes, curtas e outros conteúdos. Os computadores que fazem esse trabalho podem passar dias renderizando uma única cena sem apresentar os problemas que a maioria dos computadores domésticos teriam simplesmente ao abrir um arquivo desses. 

Animação 'Operação Big Hero 6' exigiu renderização em supercomputador de 55 mil núcleos.

Depois de renderizar todo esse material e criar o filme, não é mais preciso um hardware poderoso para reproduzir o conteúdo. E é assim que grandes produções conseguem apresentar uma qualidade imensa sem exigir que o consumidor esteja assistindo em um computador da NASA - tudo já está renderizado. Essa técnica também é usada em muitas cutscenes e cinemáticas de games, mas quando alternam para o jogo em tempo real, ganham um downgrade significativo na maioria dos casos. 

Para aplicar o ray tracing nos games em tempo real da forma como vimos neste ano foi preciso combinar as técnicas e redução de processamento, filtros de inteligência artificial e um hardware potente que ao mesmo tempo fosse “acessível” para o consumidor. E foi aí que a Nvidia entrou apresentando suas novas placas de vídeo RTX.

 

Ray Tracing e a Nvidia

Atualmente o desenvolvimento de games aplica majoritariamente outras técnicas gráficas para trazer mais realismo e beleza aos seus jogos sem comprometer o desempenho em computadores domésticos. Uma delas está ligado ao processo chamado de Rasterização, um método de gerar gráficos 3D em uma projeção 2D para “economizar” desempenho dos componentes.

Graças a Rasterização foi possível criar novos recursos como o Shaders, que não só ajuda a suavizar os polígonos criados no plano bidimensional com efeitos visuais avançados, como também combina texturas de alta resolução e cria mais realismo à cena. 

Esse procedimento é muito usado nos jogos atuais e sempre recebe novidades para melhorar ainda mais suas propriedades. Um dos principais “truques” feito com a Rasterização é o efeito de reflexo criado a partir de uma duplicata invertida da imagem, que é colocada em uma estrutura reflexiva e consegue gerar a impressão de reflexo. Esse procedimento requer menos processamento gráfico, mas também apresenta algumas limitações em detalhes na prática. 

Falamos mais sobre isso no vídeo feito com base no Resident Evil 2 Remake, dando exemplos de como as produtoras fazem para criar mais realismo e imersão nos jogos usando a Rasterização. Confira!

Certo, mas o que a Nvidia tem a ver com isso? Bom, acontece é que a empresa de tecnologia americana vêm trabalhando há anos na criação de métodos mais efetivos para conseguir processar os gráficos com o traçado de raios em tempo real sem inviabilizar o gameplay. E neste ano, com o lançamento das RTX e os avanços da engenharia dedicada às melhorias gráficas, a companhia foi capaz de lançar em parceria com a Microsoft o DirectX Raytracing (DXR), uma extensão do extensão do DirectX 12 que permite aplicar o traçado de luz em tempo real nos jogos. 

As placas RTX foram pensadas justamente com o propósito de atender os requisitos básicos para rodar as aplicações com o ray tracing e, por esse motivo, foram adicionados os RT cores  - núcleos dedicados a acelerar etapas dos cálculos do traçamento de luz.

Em resumo, apesar do DXR ter sido lançado em uma parceria entre Nvidia e Microsoft, qualquer GPU com suporte ao DirectX é capaz de processar o ray tracing, ou seja, você não precisa necessariamente ter uma placa de vídeo específica da fabricante para poder jogar com a tecnologia. Vale ressaltar que depois de alguns meses no mercado, o DXR também foi liberado para algumas GPUs GTX - e para a surpresa de 0 pessoas, teve um desempenho bem ruim, já que não possuem estruturas dedicadas a acelerar esse tipo de fluxo de trabalho.

Entretanto, na prática, as RTX são as únicas capazes de alcançar esse nível de desempenho sem impossibilitar o gameplay, o que faz o RT ser algo “exclusivo” da Nvidia - e com isso conseguir parceria com desenvolvedores para aplicar o recurso em seus games. 

Além disso a integração com outras tecnologias próprias como o OptiX, que ajuda a otimizar a aplicação do RT nos jogos, fazem com que o lado verde da força ganhe mais renome com o recurso no mercado.

 

Como o Ray Tracing é aplicado nos jogos?

É claro que o principal objetivo do ray tracing é dar mais beleza ao jogo, criando principalmente imagens foto-realistas mais detalhadas e complexas, mas esse não é a única vantagem da tecnologia. 

Para entender mais a fundo  como o game muda ao usar o recurso na prática é preciso saber diferenciar os três tipos de traçados que contemplam o ray tracing, Raios refletidos, Raios refratados e Raios de sombra, cada um com um propósito diferente. 

Os Raios refletidos servem para construir o efeito de reflexo em objetos, sendo muito usado em materiais que tenham as características de espelhar luz e objetos, substituindo técnicas de Screen Space. Uma das suas principais aparições nos games foi em Battlefield V, onde é possível admirar as melhorias gráficas em diversos pontos do cenário e objetos.

Por sua vez, os Raios refratados são usados na oclusão ambiental e servem para desviar o caminho da luz refletida em objetos, sendo muito útil para compor a Iluminação Global de um jogo, criando não somente efeitos de luz mais realistas como também mais densidade nas sombras. Um ótimo exemplo do seu uso e combinação com os Raios refletidos foi em Metro Exodus como você pode conferir abaixo. 

E para fechar com chave de ouro temos os Raios de sombra que fazem o uso da luz para criar ambientes escuros mais imersivos, com maior densidade de sombras, bordas mais suaves e poucos focos de luz que ajudam a dar uma atmosfera mais sombria à cena. Neste caso, o cálculo para o RT é feito de um modo “inverso”, pois a produção das sombras é feita com o retorno da luz, que identifica objetos na composição do cenário e o ilumina conforme a sua proximidade com o foco de luz. O efeito também pode ser um substituto para as técnicas de Shadow Maps atuais. Isso foi feito em Shadow of Tomb Raider e o resultado, apesar de modesto, ficou bem bacana também. 

Os diferentes raios podem ser usados separadamente ou combinados, o que vai depender da implementação do recurso pelos desenvolvedores. Mas vale lembrar que essa divisão foi feita porque não é muito viável aplicar o ray tracing em toda a cena, pois é preciso mais poder de processamento do hardware conforme a complexidade do ambiente tridimensional. 

Sabemos que as aplicações do RT ainda precisam de melhorias e otimizações para não afetar tanto o desempenho dos jogos. Contudo, o nível de detalhes se mostra completamente diferente ao ligar a tecnologia e a imersão do jogo consegue ser ainda maior com seu uso, entregando mudanças gráficas em todo o cenário e sem precisar de efeitos “improvisados” como o da rasterização invertida que falamos anteriormente - o que torna o ray tracing um ótimo recurso para os desenvolvedores também que não vão precisar se preocupar em criar efeitos de luz e reflexos limitados, além de simular a luz de forma idêntica ao mundo real. 

Assim como saltos gráficos das gerações anteriores de console, o ray tracing promete ser o futuro da estética dos games daqui para frente, recebendo melhorias e otimizações constantemente até se tornar algo natural, como diversas outras tecnologias já foram um dia. E isso abre novas possibilidades de uso também. 

 

O Futuro nos games

A esse ponto já temos certeza de que o Ray Tracing é uma das principais apostas da nova geração de games que estamos entrando. O que começou com apenas com BF V, Shadow of Tomb Raider e Metro Exodus agora pode ser visto em Quake II, Minecraft, Control, Wolfenstein: Youngblood e vai chegar em títulos como Call of Duty Modern Warfare, Watch Dogs: Legion, Dying Light 2, Doom Eternal, Vampire: The Masquerade - Bloodlines 2 e o super aguardado Cyberpunk 2077, em breve. 

Lista de jogos com RTX da Nvidia

Muito desses jogos também vão ter suas versões para os consoles da próxima geração e, tanto a Sony quanto a Microsoft já confirmaram que o SoC desenvolvido pela AMD para ambos vai suportar a tecnologia de traçado de raios. Isso significa que todos vão poder ter uma experiência com o ray tracing em breve, não importando a plataforma que prefere jogar. 

Aliás, essa declaração também reforça os rumores de que a AMD está preparando novas placas de vídeo mais potentes do que as Radeon RX 5700, lançadas recentemente, para poder entrar na briga de mercado com a Nvidia e, quem sabe, apresentar soluções mais acessíveis com desempenhos similares (fica nossa torcida).

Tudo isso comprova que o ray tracing vai ser uma coisa “natural” nos games logo menos e deve ficar mais popular ainda conforme as GPUs começarem a ter quedas de preço - principalmente as RTX que até o momento são as únicas capaz de processar a tecnologia em tempo real nos jogos.

Outro fator que vai ajudar bastante na popularização do traçado de raios nos games é a presença da tecnologia em motores gráficos como a Unreal, Unity, CryEngine e sua chegada em em APIs como a Vulkan. Com isso vamos ver muito mais jogos, de diferentes estilos, com ray tracing em breve - podendo até ser ruim, mas será bonito.

 

O que vai mudar com o Ray Tracing?

Ainda é difícil falar com certeza sobre todas as possibilidades e impactos do ray tracing no mercado de games nos próximos anos. Tudo indica que conforme a indústria aprende a usar a tecnologia em novos jogos (ou até mesmo antigos como em Quake) melhorias e otimizações serão feitas para diminuir o impacto dos cálculos processados pelo hardware, permitindo uma fluidez maior no game e maior estabilidade de quadros por segundo.

No futuro provavelmente vamos ter a combinação do ray tracing com recursos como TAA / TXAA, SSAA/SMAA e outros tipos de filtros gráficos que não vamos nos estender por hora, mas que podem ajudar muito no processamento e qualidade dos games.

Vale lembrar que já existem recursos como o DLSS da Nvidia que ajudam a dar uma melhorada no desempenho dos jogos com ray tracing, entretanto em muitos casos a queda de resolução é um dos sacrifícios necessários para se jogar com o recurso. O que significa que mesmo pagando caro numa placa potente, você não poderá combinar beleza e desempenho por enquanto. 

Quando a AMD conseguir implementar a tecnologia em suas GPUs teremos ao menos uma concorrência para que a Nvidia considere abaixar o preço das RTX, mas até lá, o alto custo de uma placa high-end com suporte à tecnologia de é bastante caro - tanto no sentido monetário quanto na perda de qualidade que o jogador deve abrir mão para conseguir jogar com o ray tracing ligado - então é difícil indicar o uso do recurso no momento. 

Além do alto custo das placas o jogador paga caro em reduzir a qualidade do game

Mas um bom sinal é o de que a indústria está caminhando para melhorar todas essas questões. Recentemente Control foi lançado e trouxe um resultado incrível para o portfólio de jogos com RT, com mais diversidade no uso das aplicações e até mesmo possibilidades de combinações diferentes. Explicamos melhor no vídeo dedicado ao game que você pode conferir em seguida. 

Apesar de não ser uma prioridade no momento, o uso do ray tracing em jogos pode trazer diversos benefícios aos games que vão além da estética. Dentre eles temos maior imersão de áudio e até mesmo na inteligência artificial dos personagens. Isso é possível graças aos recursos que conseguem calcular a propagação de som dentro do jogo.

Basicamente o traçado é feito da mesma forma que os raios de luz, mas ao invés permitir que o personagem veja um objeto ou cenário, os traçados ajudam a identificar a composição da cena e reagir de formas diferentes dependendo do que há ao seu redor. Por exemplo, em uma sala aberta terá mais eco, já em um corredor estreito o som vai “bater” nas paredes e ter uma propagação menor.

Uma simulação feita pelo canal Two Minutes Papers consegue nos dar uma ideia mais aprofundada sobre como o RT pode evoluir nos próximos anos.

Essa imersão de áudio estará presente em Call of Dut:  Modern Warfare e será o pontapé inicial para mais uma funcionalidade bacana da tecnologia, que vai ser melhorada com o tempo e trará uma gama de novas possibilidades para a indústria de games. Será interessante ver como o stealth, por exemplo, pode ser afetado por essas novas condições de som do game.

Conclusão

Há muita coisa para melhorar no ray tracing, o custo ainda é bastante proibitivo para a maioria das pessoas e estamos vendo os primeiros jogos da história dos games a receberem esse recurso em tempo real. Então mesmo que a tecnologia seja bastante promissora, tem várias coisas para serem acertadas antes de levar em consideração desembolsar uma grana a mais para ter jogos mais bonitos. 

Mas esse é o futuro dos games. Este é o caminho iminente da indústria e resta à nós torcer pelas melhorias o mais rápido possível e, quem sabe, não venhamos ser impactados com gráficos de forma negativa, da mesma forma como aconteceu na transição de Playstation 1 e Playstation 2.

  • Redator: Lucas Alvaro Araujo

    Lucas Alvaro Araujo

    Lucas Alvaro virou jornalista pelo amor aos games e o desejo de escrever seus próprios roteiros para jogos com nota máxima no Metacritic. Apesar de ter atuado como designer e desenvolvedor de jogos durante dois anos, a paixão pela redação o trouxe para "os bastidores", onde está adquirindo experiência e aprendizado nos mais diversos segmentos da tecnologia. E é dessa forma que pretende se tornar especialista na área e descobrir o que fazer quando os robôs começarem a dominar o mundo.

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