Si vous avez jeté le moindre coup d'œil sur l'actualité des jeux et des graphismes^{(gaming and graphics news)} ces derniers temps, alors vous avez entendu le dernier et le plus grand mot à la mode : le lancer de rayons^{(ray tracing)} . Vous avez peut-être également entendu un mot au son similaire appelé path tracing . Et vous pourriez être totalement pardonné de ne pas comprendre pleinement ce qu'est l'un ou l'autre des processus.

Une explication simple est que le traçage de chemin et le traçage de rayons^{(ray tracing)} sont des techniques graphiques qui donnent des images plus réalistes au prix d'une puissance de calcul beaucoup plus importante. Il y a une vidéo Minecraft^{(Minecraft video)} sur YouTube qui montre clairement les aspects particuliers du lancer de rayons, mais illustre également le stress qu'il met sur un système.

Si c'est la seule explication dont vous avez besoin, tant mieux ! Mais si vous voulez approfondir et découvrir comment chaque technique fonctionne et pourquoi les fabricants de matériel GPU^{(GPU hardware)} facturent une petite fortune pour les cartes compatibles avec le lancer de rayons, lisez la suite.

Rastérisation et infographie

Toute image que vous voyez affichée sur un écran d'ordinateur^{(computer screen)} n'a pas commencé comme cette image. Il commence par une image raster ou vectorielle^{(vector image)} . Une image raster^{(raster image)} est composée d'un ensemble de pixels ombrés.

Une image vectorielle^{(vector image)} est basée sur des formules mathématiques qui signifient que la taille de l'image peut être agrandie presque indéfiniment. L'inconvénient des images vectorielles^{(vector image)} est qu'il est difficile d'obtenir des détails plus précis. Les images vectorielles^(Vector) sont mieux utilisées lorsque seules quelques couleurs sont nécessaires.

La principale force de la rastérisation est sa rapidité, en particulier par rapport à des techniques telles que le lancer de rayons. Votre GPU , ou unité de traitement graphique, dira au jeu de créer une image 3D à partir de petites formes, le plus souvent des triangles. Ces triangles sont transformés en pixels individuels, puis soumis à un shader pour créer l'image que vous voyez à l'écran.

La rastérisation est depuis longtemps l'option de choix pour les graphismes de jeux vidéo en raison de la rapidité avec laquelle elle peut être traitée, mais à mesure que la technologie actuelle commence à se heurter à ses limites, des techniques plus avancées sont nécessaires pour passer au niveau suivant. C'est là qu'intervient le lancer de rayons.

Le lancer de rayons^(Ray) semble beaucoup plus réaliste que la rastérisation, comme l'illustre l'image ci-dessous. Regardez les reflets sur la théière^{(tea pot)} et la cuillère.

Qu'est-ce que le Ray Tracing ?

Au niveau de la surface^{(surface level)} , le lancer de rayons^{(ray tracing)} est un terme générique qui signifie tout, d'une seule intersection de lumière et d'objet au photoréalisme complet. Dans le contexte le plus couramment utilisé aujourd'hui, cependant, le lancer de rayons^{(ray tracing)} fait référence à une technique de rendu^{(rendering technique)} qui suit un faisceau de lumière (en pixels) à partir d'un point défini^{(set point)} et simule sa réaction lorsqu'il rencontre des objets.

Prenez un moment et regardez^{(moment and look)} le mur de la pièce dans laquelle vous vous trouvez. Y a-t-il une source de lumière sur le mur ou la lumière est-elle réfléchie par le mur à partir d'une autre source ? Les graphiques tracés par rayons^(Ray) commenceraient à votre œil et suivraient votre ligne de mire jusqu'au mur, puis suivraient le chemin de la lumière du mur jusqu'à la source lumineuse.

Le diagramme ci-dessus illustre comment cela fonctionne. La raison des "yeux" simulés (la caméra dans ce schéma) est de réduire la charge sur le GPU .

Pourquoi? Eh bien, le lancer de rayons n'est pas nouveau^{(t brand-new)} . Il existe en fait depuis un certain temps. Pixar utilise des techniques de lancer de rayons pour créer bon nombre de ses films, mais les graphismes haute fidélité image par image aux résolutions atteintes par Pixar prennent du temps.

Beaucoup^{(A lot)} de temps. Certaines images de Monsters University ont pris 29 heures chacune. Toy Story 3 a pris en moyenne 7 heures par image, certaines images prenant 39 heures selon une histoire de 2010 de Wired.

Parce que le film illustre la réflexion de la lumière sur toutes les surfaces pour créer le style^{(style everyone)} graphique que tout le monde connaît et aime, la charge de travail^{(work load)} est presque inimaginable. En limitant les techniques de traçage de rayons à ce que l'œil peut voir, les jeux peuvent utiliser la technique sans que votre processeur graphique ne s'effondre (littéralement).

Regardez l'image ci-dessous.

Ce n'est pas une photo, malgré son apparence réelle. C'est une image par lancer de rayons. Essayez d'imaginer la puissance nécessaire pour créer une image qui ressemble à ceci. Un rayon peut être tracé et traité sans trop de problèmes, mais qu'en est-il lorsque ce rayon rebondit sur un objet ?

Un seul rayon peut se transformer en 10 rayons, et ces 10 peuvent se transformer en 100, et ainsi de suite. L'augmentation est exponentielle. Après un point, les rebonds et les réflexions au-delà du tertiaire et du quaternaire affichent des rendements décroissants. En d'autres termes, ils nécessitent beaucoup plus de puissance pour calculer et afficher qu'ils n'en valent la peine. Pour rendre une image, une limite doit être tracée quelque part.  

Imaginez maintenant faire cela 30 à 60 fois par seconde. C'est la quantité de puissance nécessaire pour utiliser les techniques de lancer de rayons dans les jeux. C'est certainement impressionnant, non?

L'accessibilité des cartes graphiques capables de lancer de rayons^{(ray tracing)} augmentera avec le temps, et finalement cette technique deviendra aussi facilement disponible que les graphiques 3D. Pour l'instant, cependant, le lancer de rayons^{(ray tracing)} est toujours considéré comme la pointe de l'infographie. Alors, comment le path tracing entre-t-il en jeu ?

Qu'est-ce que le traçage de chemin ?

Le path tracing^{(Path tracing)} est un type de ray tracing . Cela tombe sous ce parapluie, mais là où le traçage de rayons^{(ray tracing)} a été théorisé à l'origine en 1968, le traçage de chemin n'est apparu qu'en 1986 (et les résultats n'étaient pas aussi spectaculaires que ceux d'aujourd'hui).

Vous souvenez-vous de l'augmentation exponentielle des rayons mentionnée précédemment ? Le traçage de chemin^(Path) fournit une solution à cela. Lors de l'utilisation du traçage de chemin pour le rendu, les rayons ne produisent qu'un seul rayon par rebond. Les rayons ne suivent pas une ligne fixe^{(set line)} par rebond, mais partent plutôt dans une direction aléatoire.

L'algorithme de tracé de trajectoire prend ensuite un échantillonnage aléatoire de tous les rayons pour créer l'image finale. Cela se traduit par l'échantillonnage d'une variété de types d'éclairage différents, mais surtout d'un éclairage global.

Une chose intéressante à propos du traçage de chemin^{(path tracing)} est que l'effet peut être émulé grâce à l'utilisation de shaders. Un patch de shader^{(shader patch)} est apparu récemment pour un émulateur Nintendo Switch^{(Nintendo Switch emulator)} qui permettait aux joueurs d'émuler l'illumination globale tracée dans des titres comme The Legend of Zelda: Breath of the Wild et Super Mario Odyssey. Bien que les effets soient beaux, ils ne sont pas aussi complets que le vrai path tracing .

Le path tracing^{(Path tracing)} n'est qu'une forme de ray tracing. Bien qu'il ait été salué comme le meilleur moyen de rendre des images, le traçage de chemin a ses propres défauts.

Mais au final, le path tracing et le ray^{(path tracing and ray)} tracing donnent des images absolument magnifiques. Maintenant que le matériel des machines grand public a atteint un point où le lancer de rayons^{(ray tracing)} est possible en temps réel dans les jeux vidéo, l'industrie est sur le point de faire une percée presque aussi impressionnante que le passage des graphiques 2D aux graphiques 3D.

Cependant, il faudra encore un certain temps - plusieurs années au moins - avant que le matériel nécessaire ne soit considéré comme "abordable". À l'heure actuelle, même les cartes graphiques nécessaires coûtent bien plus de 1 000 $.

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

If you’vе taken evеn thе slightest glance towards gaming and graphics news lately, then you’ve heard the latest and greatest bυzzword: ray tracing. You might also have heard a similar-sounding word called path traсing. And you could be totally fоrgiven for not fully underѕtanding what еither one of 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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