O que é Ray Tracing? Saiba como funciona o Ray Tracing

A evolução da tecnologia traz avanços na experiência visual, mas também dos gráficos para a vida, a  nova tecnologia Ray Tracing da nvidia  é a resposta para esse desenvolvimento quando a empresa  lança a linha de placas gráficas Gráficos de nova geração baseados em sua arquitetura Turing. Então, o que é Ray Tracing ? Por que dizer que esta é a tecnologia do futuro? Vamos descobrir com WebTech360 neste artigo

O que é Ray Tracing?

Ray Tracing  é uma técnica de renderização (renderização) de luz seguindo raios de luz (traço significa perseguir, raio significa raios de luz). Você pode imaginar essa técnica como você olha para o sol, rastreando onde seus raios atingem, quais objetos eles atingem e como ele brilha nos objetos ao redor. O rastreamento de raios recria esse processo, mas em um ambiente digital.

Em outras palavras, o traçado de raios rastreia a luz absorvida, refletida, espalhada e espalhada por cada objeto no ambiente e se aplica não apenas a um feixe de luz do sol, mas a qualquer outra fonte de luz (por exemplo: 2 lâmpadas na sala de jogos, o fogo bruxuleante da lareira no jogo, a fonte de luz artificial é fixada ao renderizar 3D...).

Atualmente, a arquitetura Turing com Ray Tracing ainda é um grande ponto de interrogação, espera-se que seja um ponto de virada revolucionário no mercado de GPUs, tais produtos provavelmente serão vistos na maioria dos PCs no futuro. ou não, ou o preço é tão alto que poucas pessoas podem possuí-lo e usá-lo?

É difícil responder, porque embora tenha havido artigos e análises para as duas séries GeForce RTX 2080 FE e GeForce RTX 2080 Ti FE, ainda temos que esperar, mesmo para jogos que suportam alta tecnologia. rastreamento. Além disso, as placas gráficas profissionais Quadro também estão equipadas com esta nova tecnologia: Quadro RXT 8000, Quadro RXT 6000, Quadro RXT 5000, Quadro RXT 4000.

Como funciona o Ray Tracing

O objetivo do ray tracing é criar iluminação mais realista e sombreamento mais natural, e a série RTX da NVIDIA alcançou resultados impressionantes, pelo menos nas demonstrações de lançamento. Uma sala de madeira com uma janela aberta iluminará quase toda a sala ao usar a iluminação tradicional e, quando o ray tracing estiver ativado, os locais com luz direta ficarão mais claros do que nos cantos escuros da sala. A NVIDIA também mostrou como as chamas no Battlefield V podem assombrar um personagem do jogo e queimar as portas dos carros de forma muito realista.

A luz não afeta apenas a iluminação, mas também a cor, a profundidade e as sombras. Assim, quando a iluminação é simulada de forma próxima da vida real, o restante dos elementos também fica bem feito. Os shaders no jogo atual parecem bastante duros e claros, sem a leve transição entre as manchas claras e escuras, e o ray tracing é a peça que torna isso possível.

Algoritmo de Ray Tracing 

Criar uma simulação do mundo real é uma tarefa muito complexa. Inclui muitos fatores, como um número infinito de feixes de luz, superfícies refletivas, passagem por objetos, tudo baseado nas propriedades moleculares de cada objeto, sem falar na gravidade e nas interações físicas. Simular uma coisa tão "infinita" usando apenas os recursos finitos do computador atual é completamente desproporcional e impossível.

Chamamos uma solução para o problema acima de "rasterização", ao invés de lidar com um número infinito de fótons, o processamento começa com polígonos. Mais polígonos significa maior velocidade de processamento, e a rasterização está aqui para transformar esses milhões de polígonos em uma imagem específica.

Resumindo, ele cria protótipos 2D e os renderiza em um mundo 3D pré-construído. Nele, imagens 2D feitas de polígonos podem cobrir toda a tela quando vistas de perto, mas podem cobrir apenas alguns pixels quando vistas de longe, criando assim pixels, texturas e princípios. Claro, uma técnica não pode cobrir todo o trabalho.

Várias técnicas como Z-buffer (um buffer secundário que rastreia a profundidade de cada pixel) aceleram o processo, criando uma ferramenta que torna os milhões de polígonos gerados visíveis, classificáveis ​​e manipulados da maneira mais eficiente possível. Isso pode exigir milhões ou até bilhões de cálculos por quadro que apenas as GPUs modernas com velocidades de processamento de teraflops podem lidar.

Ray tracing , aborda o problema acima de forma diferente da Rasterização , historicamente já existe há cerca de 50 anos. Turner Whitted atualmente trabalha para a NVIDIA , no passado esboçando como calcular o rastreamento recursivamente, resultando em visuais impressionantes, incluindo sombras, reflexos e muito mais. Claro, vai ser muito mais complicado do que a rasterização.

O rastreamento de raios envolve a detecção da direção de um raio (geralmente um raio de luz) ao projetá-lo no mundo 3D. Suponha que você queira construir um objeto, a primeira coisa é determinar os raios de luz que seguem o polígono que compõe o objeto, depois levar em consideração as possíveis fontes de luz, as propriedades do polígono, como material, superfície plana ou curva , em suma, adicionar ou subtrair raios de luz.

Este processo é então repetido para quaisquer outras fontes de luz, incluindo a luz refletida de objetos na cena. É tão complexo que muitas fórmulas são necessárias para possibilitar o rastreamento de raios, mesmo para superfícies transparentes e semitransparentes, por exemplo, vidro ou água . Tudo deve ter um limite de reflexão artificial, porque mesmo um raio não pode detectar todo o número infinito de fótons.

O algoritmo de rastreamento de raios mais comumente usado, de acordo com a NVIDIA , é BVH Traversal: Bounding Volume Hierarchy Traversal , que acelera o processo de zoneamento de objetos para processamento, em outras palavras, "dividir e conquistar".

Você pode consultar o modelo de coelho da NVIDIA, que usa o algoritmo BVH, que localiza cada nível, divide as partes em blocos, cada vez menores até que o algoritmo resulte em uma pequena lista de polígonos e, em seguida, o trabalho de rastreamento de raios.

No entanto, a quantidade de trabalho a ser executada ao executar esse trabalho com software na CPU ou GPU é muito alta. Uma alternativa é o núcleo RT, cada núcleo RT possui um algoritmo de estrutura BVH integrado, tornando-o capaz de processar o trabalho 10 vezes mais rápido que o núcleo CUDA.

Além disso, também deve ser mencionado quantos raios de luz são detectados em um pixel, apenas um raio leva a dezenas ou centenas de cálculos, mas quanto mais raios rastreados, o trabalho será mais leve e a produtividade será alta. Empresas como a Pixar também usam a tecnologia de rastreamento de raios para criar animações.

Um filme de 90 minutos com uma taxa de quadros de 60 FPS requer 324.000 imagens, cada uma das quais leva várias horas computando os raios que acompanham cada pixel. Como a NVIDIA alcançará tal equivalente em tempo real? Mencionei a aparência dos núcleos RT acima, mas se isso não for suficiente, a resposta é que os núcleos Tensor estão disponíveis apenas na arquitetura Turing. Para um exemplo simples, considerando uma carga de trabalho de FP16, os núcleos Tensor atingem 114 TFLOPS, enquanto FP32 e CUDA têm apenas 14,2 TFLOPS.

Mas por que o núcleo do Tensor é suficiente para o traçado de raios? É AI e autoaprendizagem, em outras palavras, é o recurso Deep Learning Super Sampling que permite que o jogo seja renderizado em uma resolução mais baixa sem AA, então o núcleo do Tensor herdará e impactará o quadro, anti-aliasing para maior resolução.

Em conclusão, grandes nomes da indústria de renderização entraram no ray tracing, como Epic, UE, Unity 3D, EA Frostbite. A Microsoft até criou o DirectX Ray especificamente para rastreamento de raios. Com RTX, este é realmente um grande salto na indústria de computação gráfica, claro que ainda não está completo e nos próximos dez anos poder colocar o RTX 2080 Ti no mercado como um mainstream é completamente.

Tecnologia Ray Tracing nas placas gráficas mais recentes da NVIDIA

A tecnologia gráfica atual da NVIDIA e de praticamente toda a indústria trata da simulação da luz e do comportamento da luz em uma determinada cena, de uma forma mais simples, chamada Rasterização. Como um pintor pinta, os objetos são renderizados camada por camada, de trás para a frente, de modo que os objetos em primeiro plano obscurecerão os objetos em segundo plano.

Exibe a diferença entre Raster convencional (esquerda) e traçado de raio (direita).

No entanto, essa abordagem será difícil ao renderizar o reflexo, porque a técnica raster não será capaz de rastrear e renderizar a luz. É frequentemente usado em cenas em tempo real porque o hardware atual não é suficiente para simular o movimento de cenas complexas, por exemplo, em videogames ou animações 3D.

Enquanto isso, o traçado de raios reconstrói o comportamento da luz ao atingir superfícies, materiais e objetos em movimento.

A luz ao passar por uma cena pode ser renderizada e tornada mais complexa. Com o traçado de raios, você pode simular como os raios de luz interagem com os objetos, criando reflexos, refrações e efeitos de dispersão realistas em tempo real. O rastreamento de raios pode até detectar e exibir refrators, refletores, visualizar a fonte de luz na cena e até mesmo a cor da luz depois de passar pelo objeto.

Aliás, essa técnica já foi utilizada na prática, com filmes como Universidade Monstros da Pixar, Homem de Ferro da Marvel. Mas antes era usado por usuários profissionais, mas agora foi trazido para usuários gerais – algo que antes era impossível.

Isso merece ser chamado de façanha da NVIDIA porque o traçado de raios requer uma enorme quantidade de poder de computação. O CEO da NVIDIA, Jensen Huang, disse que foi "o maior salto que já demos em uma geração (placas GPU)".

A maneira da NVIDIA de resolver o problema é usar a nova arquitetura Turing nas GPUs recém-lançadas. Essa arquitetura é projetada para resolver o problema de processamento. Os núcleos de ray tracing dedicados também são equipados com Tensor Cores, que são capazes de usar IA para inferir a parte "em tempo real" da imagem - o problema de maior intensidade computacional dessa técnica. Assim, as GPUs são capazes de emular 6x mais rápido que a plataforma Pascal anterior (na GTX 1080Ti).

Este é realmente um grande salto na tecnologia gráfica e é emocionante pensar que estúdios e indivíduos agora poderão estender o uso dessa técnica de traçado de raios para aplicações em animação, jogos científicos e simulações.

Esperançosamente, a tecnologia Ray Tracing será cada vez mais desenvolvida, então teremos uma qualidade de imagem ainda mais bonita, mas no momento é realmente difícil para você experimentar Ray Tracing para outros usuários jogos terríveis porque exigem um software enorme. Se precisar de orientação sobre a configuração de jogos Ray Tracing, entre em contato com a WebTech360 .

Sintetizado de: Genk.vn