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Enquête sur le lancer de rayons, la prochaine grande nouveauté dans les graphismes de jeu – High-teK.ca

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Le lancer de rayons est une technique de rendu qui a plané juste au-dessus de l’horizon pendant des décennies. Il a pris de l’importance (et une énorme controverse) quand Intel a annoncé Larrabee en 2007 et
a proclamé que la puce fournirait un Saint Graal numérique – le traçage de rayons en temps réel (RTRT) à des fréquences d’images jouables dans les jeux modernes. Beaucoup a été écrit. AMD et Nvidia se sont en fait mis d’accord sur quelque chose pour la première fois de mémoire d’homme et ont publiquement dénoncé l’idée (à Nvision 2008, un analyste a déclaré que Larrabee était « comme un GPU de 2006 ». Quand Intel a annoncé qu’il annulait Larrabee et recentrait le projet sur les charges de travail HPC, le lancer de rayons s’est estompé dans l’ombre.

Mais pas entièrement. Peu à peu, l’idée refait surface, dans les contextes professionnels et grand public, et est principalement menée par Nvidia. Côté professionnel, Nvidia a construit ses propres solutions logicielles (OptiX, iray) et aidé au développement de plusieurs autres (Arion, Lightworks et Octane Render). Certains plug-ins de rendu, comme V-Ray RT, ont ajouté la prise en charge du lancer de rayons basé sur GPU en plus de leurs capacités de rendu CPU. Du côté consommateur de l’équation, Epic’s Moteur irréel 4 prend en charge une nouvelle technique d’éclairage, appelée voxel cone tracing, qui offre certains des avantages du ray tracing tout en évitant ses points faibles.

Nvidia a commencé à parler du traçage de rayons GPU comme une technologie disponible pour les développeurs et pouvant être déployée parallèlement jeu en nuage. Nous avons décidé d’approfondir le problème, d’examiner les capacités actuelles et d’explorer où la technologie pourrait nous mener

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De rayons et de trames

La grande majorité des infographies d’aujourd’hui sont dessinées à l’aide d’une technique appelée pixellisation. Dans ce contexte, la rastérisation est le processus de rendu d’une scène 3D sur un moniteur 2D en dessinant des polygones (formes). L’éclairage et les ombres sont appliqués en évaluant chaque pixel et en calculant sa visibilité à partir d’une source lumineuse donnée. Une quantité extraordinaire de calculs entre dans ces modèles, mais ce sont finalement des simulations. Dans un jeu avec un cycle jour/nuit, le soleil et la lune sont là pour le bénéfice du joueur, pour rendre le jeu réaliste ; il n’y a pas de rayons lumineux réels projetés depuis l’étoile au-dessus.

Réflexions par lancer de rayons

Le lancer de rayons excelle dans la création de certains types d’images. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Wikipédia

Le lancer de rayons, en revanche, modélise les rayons lumineux eux-mêmes. Lorsque les rayons frappent un objet dans la scène, ils peuvent être absorbés, réfléchis, réfractés ou l’objet peut devenir fluorescent. Les rayons peuvent être tirés des yeux du spectateur, d’autres objets lumineux ou des deux. L’avantage de cette approche est que des réflexions/réfractions sont naturellement créées dans le cadre de la simulation ; des réflexions très complexes de réflexions peuvent être générées en permettant à un rayon de rebondir plusieurs fois après avoir intersecté une surface.

L’un des problèmes avec l’algorithme de lancer de rayons d’origine est qu’il crée des lignes nettes et aliasées qui ne peuvent pas être traitées de manière normale. De plus, le test pour savoir si un pixel est éclairé ou ombré est binaire, un problème qui laisse l’image finale d’une netteté et d’une définition irréalistes. D’autres techniques de traçage de rayons ont été inventées pour traiter certains de ces problèmes tels que le traçage de faisceau, le traçage de cône et le traçage de rayons distribué/stochastique.

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Larrabee d’Intel a mis le traçage de rayons au premier plan, mais l’argument qui a suivi sur quelle approche était la meilleure a fondamentalement déformé la situation. La pixellisation est peut-être un «truc», mais toute l’histoire des effets spéciaux sur les films et dans les jeux est l’histoire du développement d’illusions qui trompent l’œil. Souvent, la réalité est tout simplement trop chère à modéliser. Les partisans de la rastérisation ont nivelé cette charge au lancer de rayons dans le passé, affirmant que les niveaux de détail de type lancer de rayons peuvent être reproduits en une fraction du temps.

Considérez le modèle suivant, rendu à l’aide du lancer de rayons et d’une technique d’occlusion ambiante (AO) de nuage de points (rastérisation). À première vue, vous ne verrez peut-être pas de différence.

Traçage de rayons vs occlusion ambiante

Image reproduite avec l’aimable autorisation de http://www.jorgepimentel.com

À y regarder de plus près, il est clair que les deux sont ombragés différemment. Le modèle à lancer de rayons a un avantage de qualité sur la version AO, mais ce n’est pas énorme – du moins, pas à l’œil humain. Voici la différence technique entre une comparaison au pixel près des deux modèles, comme le montre l’outil The Compressonator d’AMD :

Comparaison des textures

Le point ici est que la différence réelle entre les deux modèles est nettement plus petite pour l’œil humain que pour l’analyse informatique. Cela peut sembler laisser le traçage de rayons toujours en retard sur la rastérisation, en particulier compte tenu du différentiel de performances et du degré de recherche qui a été consacré à ce dernier.

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Écrire le lancer de rayons, cependant, est une grave erreur. Premièrement, il y a le fait que le lancer de rayons crée naturellement certains effets, comme la réfraction, qui sont extrêmement coûteux à modéliser de manière réaliste à l’aide de la rastérisation. Deuxièmement, toute comparaison entre les deux implique qu’ils sont à des stades de développement égaux. Ce n’est tout simplement pas vrai – des entreprises comme Nvidia ont investi des centaines de millions de dollars dans la construction de rastériseurs accélérés par le matériel et la conception de logiciels pour les exécuter. Le matériel de traçage de rayons dédié, en revanche, en est à ses balbutiements.

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