Ray Tracing: o que é e como funciona?

Ray Tracing é um termo que se popularizou em 2020 por conta dos lançamentos da nova geração de placas de vídeo da Nvidia: a linha RTX. Muitos acham que o Ray Tracing é uma tecnologia recente criada para as placas (o que não está completamente errado), mas na verdade não é bem assim. Neste artigo, você vai ver como e quando esse termo surgiu, bem como essa tecnologia funciona.

Surgimento do Ray Tracing

O conceito de Ray Tracing começou a ser discutido na década de 60, e o primeiro a falar sobre isso foi Arthur Appel, que publicou em seu artigo "Some Techniques for Shading Machine Renderings of Solids" em 1968. Lá, ele descreveu os métodos iniciais de traçado de raios para a renderização de imagens.

Mas foi em 1980 que o Ray Tracing começou a ser implementado em computadores mais potentes. A obra de Jim Blinn, "Computation of Light Reflection from Surfaces in Computer Graphics", foi fundamental para o desenvolvimento da técnica.

O que é o Ray Tracing?

Trazendo para sua tradução literal, teríamos o "traçado de raios", que nada mais é do que uma técnica de renderização usada em computação gráfica com o objetivo de criar imagens extremamente realistas.

A técnica simula o comportamento da luz na realidade, possibilitando a geração de efeitos de iluminação, sombras, reflexos e refrações altamente precisos e naturais.

O Ray Tracing trabalha considerando os seguintes elementos:

Sombreamento: Ele calcula como a luz é bloqueada por objetos e gera áreas de sombras realistas.

Reflexões: Modela a reflexão da luz em superfícies refletivas, criando reflexos precisos de objetos e cenários envolventes.

Refracções: Simula a refração da luz ao passar por materiais transparentes, como vidro ou água.

Efeitos de luz global: Leva em consideração a iluminação indireta, onde a luz refletida em superfícies iluminadas ilumina áreas próximas, criando uma aparência mais realista.

Texturas e materiais: Permite a representação de materiais complexos, como metais, plásticos e tecidos, com base em como eles interagem com a luz.

Transparência: Lida com materiais transparentes e translúcidos, como janelas, com precisão.

O Ray Tracing ficou conhecido por criar imagens altamente realistas, mas é extremamente intensivo em termos computacionais. Por conta disso, historicamente, ele foi mais usado em produções cinematográficas e animações feitas por computadores, onde o tempo de renderização não é uma urgência. No entanto, devido ao avanço tecnológico em hardwares, como as GPUs dedicadas ao Ray Tracing, essa técnica está sendo cada vez mais requisitada em tempo real, sendo usada em jogos e outras aplicações interativas para proporcionar experiências visuais mais realistas.

Como funciona o Ray Tracing?

O Ray Tracing funciona através de certas etapas para gerar uma representação visual realista. Aqui está um resumo desse processo:

Lançamento de Raios (Ray Casting): O processo começa com o lançamento de um raio de luz a partir da câmera virtual em direção à cena virtual. Cada pixel na tela corresponde a um raio de luz que é disparado na direção do objeto virtual.

Interseção com Objetos: Aqui, os raios são testados para verificar se atingem algum objeto na cena. Isso envolve verificar se o raio cruza ou colide com a geometria dos objetos, como triângulos, esferas, cubos, etc.

Cálculo de Iluminação: Uma vez que um raio atinge um objeto, o Ray Tracing calcula como a luz interage com esse objeto (que foram citados anteriormente), incluindo sombreamento, reflexões, refrações, textura e materiais.

Cálculo de Cores:Para cada raio que atinge um objeto e interage com ele, o Ray Tracing calcula a cor resultante naquele ponto da imagem. Isso envolve calcular a contribuição da luz ambiente, luz direta (vinda de fontes de luz), reflexões, refrações e outros efeitos.

Recursão: O processo de calcular reflexões e refrações pode ser recursivo. Por exemplo, quando um raio atinge uma superfície espelhada, ele pode gerar um novo raio refletido que precisa ser rastreado. Isso permite simular múltiplas reflexões e refrações, criando imagens mais realistas.

Composição da Imagem: Os resultados calculados para cada raio são combinados para formar a imagem final que será exibida na tela. Isso envolve a atribuição de cores aos pixels com base nas informações de iluminação e materiais dos objetos.

Repetição: Esse processo de lançar raios, calcular interseções e iluminação é repetido para cada pixel na tela até que a imagem completa seja gerada.

Qual a real importância do Ray Tracing?

Pois bem, a principal importância do Ray Tracing é sua capacidade de produzir imagens visualmente realistas, resultando em imagens que se assemelham muito mais à realidade do que as técnicas de renderização tradicionais.

Nos videogames, o Ray Tracing está se tornando cada vez mais desejado. Ele permite que os jogos tenham gráficos mais impressionantes, o que aumenta a imersão e a qualidade das experiências de jogo. Todo esse realismo contribui para ambientes de jogo mais envolventes.

Em produções cinematográficas e de animação, o Ray Tracing é amplamente utilizado para criar efeitos especiais realistas e ambientes virtuais. Isso economiza tempo e recursos em comparação com a filmagem no mundo real e permite que os cineastas criem mundos fictícios incríveis.

O Ray Tracing também pode ser usado em design industrial e arquitetura para criar visualizações precisas de produtos e edifícios antes de serem construídos. Isso permite que designers e arquitetos avaliem e ajustem seus projetos de maneira mais eficaz.

Em simulações de treinamento, como treinamento de pilotos de avião ou médicos, o Ray Tracing é usado para criar ambientes virtuais realistas que replicam situações do mundo real. Isso melhora a eficácia do treinamento e a segurança dos profissionais.

Na medicina, o Ray Tracing é usado em imagens médicas, como ressonâncias magnéticas e tomografias computadorizadas, para criar imagens detalhadas e precisas do corpo humano. Além disso, é usado em simulações científicas para estudar fenômenos complexos, como o comportamento de partículas subatômicas.

No desenvolvimento de jogos e na animação por computador, o Ray Tracing é uma ferramenta valiosa para criar cenas e personagens com aparência realista, economizando tempo e recursos na renderização e melhorando a qualidade visual.

O Ray Tracing é uma área de pesquisa ativa em computação gráfica, gerando avanços constantes na qualidade e eficiência da renderização. Isso leva a melhorias contínuas em várias aplicações.

Em resumo, o Ray Tracing é importante porque permite que a tecnologia gere imagens e ambientes virtuais que se assemelham muito mais à realidade, o que é essencial em uma variedade de campos, desde entretenimento até treinamento, design, medicina e ciência. À medida que a tecnologia continua a evoluir, podemos esperar que o Ray Tracing desempenhe um papel ainda maior na criação de experiências visuais realistas e na melhoria de várias aplicações.