O Ray Tracing de Spider Man

O que este jogo nos mostra a nível de Ray Tracing é algo de verdadeiramente impressionante.

Ray Tracing… a maior parte das pessoas não tem a noção do que ele é, e do que ele realmente pesa. Isso porque ao longo da vida nunca lidaram com ele!

Recordo-me na altura em que me iniciei com o RT, em que render duas simples bolas refletoras sobre um piso retangular era trabalho (ao estilo da imagem de topo) para três a quatro horas de rendering. E essa realidade continuou durante anos e anos, ainda se aplicando hoje.

Cito por exemplo, esta imagem:

Este foi um trabalho realizado em 2005. O carro foi modelado em Autocad e 3D Studio Max. Na foto encontram 4 renderizações simplistas, e uma mais complexa (canto inferior esquerdo).

E perguntam vocês: Porque motivo o render mais detalhado não ocupa o lugar central? Pois… por um motivo simples, a sua menor resolução! É que render aquela imagem demorou cerca de uma semana… e isso numa resolução de 1024×512, ao passo que a imagem central está numa resolução de 3K, realizado num render de algumas horas, sem grandes luzes e sem cenário envolvente.

Daí que a imagem, pura e simplesmente não tinha resolução para o poster de 2 metros de largura que ocupa actualmente a parede sobre o computador, na minha antiga sala em casa dos meu pais.

Mas lá está a tal coisa… para quem nunca trabalhou com Ray Tracing essa questão não é compreendida, e diga-se que atualmente, apesar de criar renders com qualidade e relativamente rápidos no meu PC em alguns segundos ou minutos, render algo de maior qualidade é trabalho ainda moroso.

Daí que as RTX me surpreenderam quando mostravam RT a 1080p 30 fotogramas por segundo, sendo que a RTX 2080 consegue mesmo os 1440p.

Nesse sentido não posso deixar de ficar realmente fascinado como uma consola de 500 euros, que inclui um conjunto de componentes de última geração, consegue fazer Ray Tracing a 4K, seja a 30 ou 60 fps. É, para mim, que assisti ao crescimento do Ray Tracing algo de fascinante!

E este é um sentimento que, mesmo quem nunca lidou com Ray Tracing, mas acompanha os computadores desde os primódios, seja ela uma era anterior ao ZX Spectrum, era ZX Spectrum, era 16 bits, ou algo assim, percebe. Porque ver o que se faz actualmente e comparando com aquilo que era a realidade anterior, dá a perceber a evolução gigante que as máquinas tiveram e consegue apreciar as pequenas subtilezas gráficas de alguns jogos, tendo a noção do que foi necessário o hardware evoluir para se conseguir aquilo que temos hoje.

E isto é algo que a maioria da malta jovem não tem consciência, tomando as coisas como garantidas, e esperando mundo e fundos do hardware, o que dá origem a muitos dos comentários disparatados que lemos.

Para falarmos um bocadinho sobre o RT vamos falar primeiro das várias técnicas que são usadas para simular um dos principais efeitos do Ray Tracing, os reflexos.

E para isso vamos voltar a 1991, e ao jogo Duke Nukem! (note-se que o efeito já apareceu antes disso, mas este foi o único caso que encontrei em video).

Nessa altura, todos ficavamos admirados quando Duke se deslocava em frente a um espelho… e o que viamos? Tudo! Tudo estava refletido no espelho! ABSOLUTAMENTE TUDO!

Eis um video que mostra um bocado disso, sendo que, apesar de o vídeo não mostra, garanto que se disparassem uma arma, viam a mesma no ecrã a ser disparada, com todos os efeitos de luz que existiam.

Bem, na realidade… nada estava refletido! O Ray Tracing não era pura e simplesmente possível de ser feito em tempo real na altura!

O que se passava era apenas um dos truques mais simples! O cenário estava criado em duplicado e invertido. E o espelho não era mais do que uma textura transparente que mostrava alguns supostos reflexos ou sujidades. Assim, o que viam era geometria repetida/espelhada e uma cópia do personagem que repetia os mesmíssimos movimentos que fazíamos, mas de forma invertida/espelhada.

Esta era a forma mais simples de se simular reflexos, e que se usa ainda hoje em muitos casos.

Mas note-se que esta situação tinha um inconveniente para a altura. Apesar de não ser RT, mesmo assim era pesada! E em muitos sistemas eles chegavam a abrandar!

Este tipo de “reflexos” tinha esse inconveniente. Duplicava a geometria da cena. E nesse aspecto, eles não era muito usados. Daí que para muitos dos reflexos aparecem os cubemaps e as screen space reflections.

Basicamente esta era outra forma simplista de contornar o problema dos reflexos. Basicamente nos cubmaps a imagem que se pretendia ver refletida era colocada numa imagem com a forma de um cubo:

Este cubo, era depois envolvido, sem estar fixo, na superfície que se pretendia mostrar reflexão, com um determinado nível de transparência para atenuar o efeito e simular reflexo, simulado a reflexão.

Da mesma forma os Speen Space reflections, comuns ainda hoje de serem vistos em reflexos em poças de água ou vidros, não são mais do que capturas de ecrã devidamente ali coladas, e sobre as quais pode depois ser sobreposta a imagem do personagem ou outras texturas.

Estas técnicas, tão usadas de forma regular, possuem todas elas limitações, nomeadamente o facto de reflectirem imagens estáticas, e apesar de sombras e reflexos poderem ser simulados por outros métodos, luzes dinâmicas, e situações fora do ecrã não podem estar presentes (a não ser que devidamente pensadas e simuladas tambem).

Mas o Ray Tracing vem resolver isso tudo. Com ele não só podemos ter todo o cenário a reflectir de forma realista, como podemos incluir nos reflexos tudo o que quisermos, sendo que os efeitos de luz, por afetarem os raios, são imediatamente refletidos de forma dinâmica. Mais ainda, o efeito é realista e devidamente distorcido de acordo com a realidade do material, a sua inclinação, e outra situações.

E dessa forma, casos como o que vemos no vídeo que se segue, deixam de acontecer:

Basicamente o que aqui vemos é que não só o reflexo não se ajusta à nova posição da personagem (ou seja, ela sobe no edifício em que está, mas é como se face aos edifícios refletidos ela não estivesse a subir), como ainda temos o caso caricato que as torres aqui refletidas são as que foram alvo do ataque de 11 de Setembro, e que por esse motivo foram retiradas do jogo, sendo que a imagem de reflexo préviamente calculada não foi atualizada. E podem ver isso quando chegam ao topo do edifício e o Parker olha para trás, que as torres refletidas não existem no local.

Com o Ray Tracing, dado que o refletido é calculado em tempo real e depende de tudo o que está no mundo, isso não aconteceria, e um edifício, um peão, um pássaro ou outro coisa qualquer, será refletida conforme a sua posição e movimento real, não acontecendo reflexos falsos de coisas não estão lá!

Mas como dissemos no início deste artigo, o Ray Tracing, apesar de uma bênção, não é gratuito… pelo contrário, ele tem um grande peso nas performances. E fazer RT a 30 ou 60 fotogramas por segundo, apesar de algo que agora é possível, é algo que é penalizador nas performances, e que acima de tudo tem de ser gerido de acordo com o tempo disponível para o cálculo (16 ms a 60 fps, 33 ms a 30 fps).

Ora a imagem de cima mostra bem o que se consegue fazer com o Ray Tracing… mas com que limites? Essa é a questão, pois o RT não sendo gratuito e tendo grande impacto nas performances, há um custo a pagar.

Felizmente o jogo em causa não sofre com o seu uso… e as performances são perfeitas e ao nível do Spider Man da PS4, beneficiando ainda do SSD para cargas rápidas. Mas o RT esse teve de ser ajustado de forma a que tudo fosse possível de ser conjugado.

Para percebermos algumas das concessões realizadas, vamos analisar a seguinte imagem:

Como podemos ver há claramente concessões no reflexo. Para começar a resolução do reflexo é inferior, mas sem que, no entanto, a imagem sofra verdadeiramente. Diga-se que até é algo que se torna realista, pois com exceção de verdadeiros espelhos, por norma os reflexos em outras superfícies são relativamente mais grosseiros.

Esta é uma forma de se diminuir o número de raios usados, penalizando assim o mínimo possível as performances, e mantendo o efeito activo.

Depois a vegetação. Apesar de as árvores estarem lá, as folhas não estão todas. Isso deve-se a vários factores, mas o principal e que as folhas são por norma translucidas, o que complica o Ray Tracing. E mais do que isso, sendo muitas, elas requereriam raios para todas elas, o que tornaria o cálculo pesado. Nesse sentido há aqui uma concessão, com o número de folhas a ser bastante mais reduzido no reflexo.

Igualmente notório é que o reflexo do homem aranha não encaixa bem nos pontos de contacto com o vidro. Tal pode ser ajustado e é certamente uma bug, mas não uma bug no RT. É que o homem aranha em si é um Screen Space Reflection invertido da sua própria imagem. Mais uma vez uma forma de se poupar no RT, com um efeito que neste caso não tem grandes concessões visuais.

No global, sendo isto a 4k 30 fps, estamos perante um excelente uso do Ray Tracing, que a Insomniac refere será estendido ao ambient oclusion, mostrando haver ainda orçamento para um pouco mais de realismo.

Para jogos de primeira geração, com motores não otimizados para o RT, o que se pode dizer é que o efeito é excelente.

Eis uma das melhores amostras do que o Ray Tracing pode oferecer neste jogo, que foi mostrada até agora:

Sobre este gif animado de cima, eu nem sei bem o que dizer. É uma amostra fantástica do uso do Ray Tracing neste jogo. Algo que não se fazia até hoje, apesar que muitos podem não ter consciência disso, especialmente pelo uso de técnicas que sempre aldrabaram a situação criando efeitos visualmente similares.

Fiquem estão com um pedaço do jogo onde podem ver o RT em ação.