Qu’est-ce que le ray tracing ? Présentation de cette technologie de rendu graphique.

Le ray tracing est une technologie de rendu graphique qui calcule de manière réaliste les rayons lumineux visibles et invisibles. Il permet un éclairage réaliste dans les jeux vidéo et les animations 3D et est de plus en plus utilisé comme une fonction matérielle sous la forme de ray tracing en temps réel. Mais de quoi s’agit-il exactement ?

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Ray tracing : définition

En français, on peut traduire « ray tracing » par « suivi des rayons », plus exactement, des rayons lumineux. En tant que technologie de rendu graphique, le ray tracing permet une simulation fluide des effets lumineux. Un algorithme émet des rayons dans une image 3D, suit les trajectoires des rayons et calcule un modèle d’éclairage réaliste. Les personnes s’intéressant aux jeux vidéo et aux cartes graphiques connaissent à coup sûr le ray tracing, car c’est avant tout dans ces domaines qu’il est utilisé. L’exemple le plus récent, et également le plus connu, est la gamme de cartes graphiques « GeForce RTX » de Nvidia. Les cartes graphiques RTX (RTX étant l’abréviation de ray tracing) prennent en charge le ray tracing en temps réel en tant que fonction matérielle depuis 2018.

Quelles fonctions remplit le ray tracing ?

En principe la fonction du ray tracing est simple : une image 3D comprenant des objets 3D est d’abord conçue à l’aide d’un logiciel de modélisation 3D (par exemple Blender ou Cinema 4D), avant d’être animée sous forme de scène. Afin de simuler un éclairage réaliste dans des paysages 3D, on place les sources lumineuses de façon à rendre les objets 3D « visibles ». C’est à cette étape que le ray tracing entre en jeu. Comme dans toutes les animations 3D, une caméra virtuelle joue le rôle de l’œil du spectateur. Grâce à la technologie de ray tracing, l’algorithme trace des rayons, c’est-à-dire des lignes, entre les objets et la caméra et calcule si ces derniers sont visibles par la caméra et combien de pixels par ligne sont nécessaires.

En outre, le ray tracing reconnaît si le rayon de lumière provient d’une source de lumière primaire ou d’un objet réfléchissant dans le champ de vision de la caméra. L’algorithme définit ensuite la couleur des pixels à l’aide des rayons suivis, des reflets, de la lumière incidente et de la texture des surfaces. Les objets et sources de lumière invisibles sont également intégrés dans le rendering. Il en résulte un modèle d’éclairage réaliste avec des effets de lumières et d’ombres complexes en temps réel. En outre, la technologie Nvidia RTX travaille avec une intelligence artificielle appelée « Deep Learning Super Sampling » pour obtenir une résolution et une fréquence d’images optimales.

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Quelles sont les différentes méthodes de ray tracing ?

L’impact du ray tracing dans le réalisme d’une animation 3D dépend de la méthode de ray tracing utilisée. Les méthodes de ray tracing suivantes sont classées par ordre croissant de puissance de calcul requise et date de développement :

  1. Calcul de la zone couverte : ce processus de calcul basique n’intègre ni les effets d’ombre ni les effets de lumière dans l’animation.
  2. Simulation des ombres : les sources directes de lumière et les ombres dures sont affichées, cependant, les effets de reflets ne sont pas calculés.
  3. Ray tracing récursif : en plus des sources de lumière directes et des ombres dures, le ray tracing est utilisé pour les reflets sur les objets transparents ou réfléchissants.
  4. Ray tracing distribué : en plus de l’éclairage direct et de la réfraction de la lumière, les zones d’ombres, même partielles, et les bordures douces des ombres sont intégrées dans le rendu pour obtenir des simulations d’ombres réalistes.
  5. Path Ray tracing : ce modèle d’éclairage intègre et capture toutes les sources lumineuses visibles et invisibles, les reflets et la réfraction par les objets illuminés. Cela crée une simulation réaliste des ombres qui correspond au jeu de lumière.

Dans quels cas utilise-t-on le ray tracing ?

Le ray tracing est principalement utilisé dans les animations 3D en informatique et, a gagné en popularité parmi les joueurs depuis la génération de cartes graphiques Nvidias RTX apparue en 2018. Lorsque la technologie de ray tracing est activée dans le matériel ou prise en charge par celui-ci, il est possible de représenter les effets de lumière de manière encore plus réaliste dans les jeux. Ainsi, les effets graphiques incluent non seulement les effets lumineux visibles dans le champ de vision (appelés effets screen space), mais aussi les reflets, la lumière et les ombres en dehors du champ de vision, y compris un soleil virtuel global. Comme cela nécessite une énorme puissance de calcul, même pour un matériel doté de la fonction ray tracing, jusqu’à présent, cette fonction n’a été utilisée que dans quelques jeux.

Le ray tracing n’en est qu’à ses débuts en tant que technologie de rendu graphique. La série RTX 3000 de Nvidia (la deuxième génération de cartes graphiques Nvidia RTX) représente la prochaine étape du ray tracing, car elle possède encore plus d’unités de calcul dédiées au ray tracing. En raison des différentes configurations des ordinateurs et de la puissance nécessaire, cette technologie, révolutionnaire dans son approche, reste pour l’instant une niche graphique. Les nouvelles générations de consoles avec leur configuration standardisée, comme la Xbox Series X ou la PlayStation 5, ont fait un premier pas vers la prise en charge généralisée du ray tracing.

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Quels sont les prérequis techniques nécessaires au ray tracing ?

Jusqu’à présent, peu de systèmes matériels et logiciels prennent en charge la technologie ray tracing. Pour afficher de manière fluide des jeux et des animations avec le ray tracing, il est indispensable de disposer d’un ordinateur rapide et performant ainsi que d’une carte graphique RTX. Des mises à niveau coûteuses du PC sont généralement indispensables pour pouvoir faire appel à la puissance de calcul nécessaire. Les cartes graphiques qui prennent en charge le ray tracing sont notamment les cartes graphiques de la première et de la deuxième génération Nvidia RTX (par exemple : la GeForce RTX 2070 et la GeForce RTX 3070). Certaines cartes graphiques AMD de la génération Radeon RX 6000, telles que les RX 6800 et RX 6900 XT, prennent également en charge le ray tracing.

Les jeux vidéo qui utilisent le ray tracing

Plusieurs jeux vidéo sur ordinateur et consoles intègrent déjà le ray tracing.

Jeux pour ordinateur supportant le ray tracing

  • Minecraft RTX
  • Shadow of the Tomb Raider
  • The Witcher 3 : édition complète
  • Call of Duty: Black Ops Cold War
  • Control
  • F1 2021

Jeux pour console supportant le ray tracing

  • Gran Turismo 7
  • Halo Infinite
  • Watch Dogs: Legion
  • Gears 5

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