Ray tracing : à quoi ressembleront vraiment les graphismes des jeux de demain ?
Avec les annonces faites cette année par les constructeurs, les prochaines consoles de salon commencent à prendre forme.
Qu'est-ce que le ray tracing ?
Le ray tracing fait partie des techniques de rendu graphique. Votre jeu vidéo a beau être en trois dimensions, l'écran sur lequel vous jouez n'est qu'en 2D. Et le rôle de la carte graphique de l'ordinateur est faire passer l'un à l'autre. De nos jours, on utilise majoritairement le rendu rastérisation, qui consiste à peindre l'image comme un tableau en commençant par les éléments les plus proches de la caméra.
La méthode rastérisation est rapide, mais elle n'est pas toujours très réaliste, particulièrement dans le rendu de la lumière. Il faut en effet ajouter séparément de nombreux effets de lumière, comme la réflexion, la réfraction ou la diffusion. Le ray tracing, lui, simule réellement le comportement de la lumière. Son principe a été mis au point en 1979 par Turner Whitted, qui travaille aujourd'hui dans la division recherche de NVIDIA.
Voici le principe : dans la vraie vie, les photons sont émis d'une source lumineuse, rencontrent des objets, puis rebondissent, dévient ou sont absorbés de différentes manières... avant d'arriver jusqu'à la caméra (vos yeux). En ray tracing, on va décrire le mouvement des rayons dans le sens inverse, en partant de la caméra. Cela à l'avantage d'économiser des ressources, puisque les rayons qui ne rebondissent pas jusqu'aux yeux ne sont alors pas pris en compte.
https://www.youtube.com/watch?v=J3ue35ago3Y
Une démonstration des possibilités du ray tracing. Tous les effets de réflexion de la lumière de cette démo sont calculés en temps réel par une carte graphique Nvdia. C'est ce à quoi devraient ressembler les jeux de demain.
Quand le rayon touche un objet, il peut être réfléchi (comme dans un miroir), réfracté (en un halo diffus), ou causer de l'ombre (considéré comme un "rayon noir" en tant que tel). Concrètement, les effets lumineux sont modélisés de manière beaucoup plus fidèle qu'avec les techniques actuelles, avec des reflets bien plus sophistiqués et des jeux d'ombre et de lumière difficilement atteignable en rendu scanline.
Ray tracing : quelles différences ?
Pour bien comprendre la différence une fois le ray tracing activé dans les jeux, nous avons capturé plusieurs séquences de différents jeux, avec et sans ray tracing.
Sur les vidéos comparatives ci-dessous, la séquence de gauche comprend des effets de ray tracing, tandis que sur la séquence de droite, il a été désactivé. Vous pouvez cliquer sur les boutons RTX actif et RTX actif pour voir la différence, ou tout simplement passer votre souris sur ces comparateurs pour voir la différence.
Minecraft
La version RTX de Minecraft ne sortira pas avant l'année prochaine. Mais NVIDIA a déjà montré à quoi ressemblera le jeu une fois l'option activée.
Sans conteste ici, il s'agit d'un autre jeu (un pack de texture spécial a toutefois été appliqué à la version RTX). Il faut dire que Minecraft utilise une version avancée du ray tracing, le path tracing. Les lumières sont ici entièrement gérées en temps réel et la différence est flagrante.
Sur Control
Control est un jeu d'action/aventure à la troisième personne sorti sur PC et console il y a quelques semaines. C'est actuellement l'un des jeux qui tire le mieux parti du Ray Tracing.
Control est l'un des jeux les plus parlants quand il s'agit de ray tracing. C'est particulièrement visible sur la réflexion de la lumière sur les traces d'eau au sol ou sur les vitres, sur les éclairages à travers les fenêtres et sur les sources de lumière, gérées très finement.
Battlefield V
Battlefield V -- faut-il vraiment le présenter ? -- a été l'un des tous premiers jeux à supporter le ray tracing en 2019.
Dice, son développeur a essentiellement travaillé sur les reflets, visibles dans les flaques d'eau. La gestion des éclairages dans le sous-sol est également bien plus fine avec le ray tracing activé.
Metro Exodus
Metro Exodus, un FPS d'ambiance sorti au milieu de l'année est également l'un des premiers jeux à tirer parti du ray tracing.
Metro Exodus se prête très bien aux jeux de lumière. C'est particulièrement probant lorsque le briquet est allumé et sur la façon dont la lumière se réfracte sur les différentes couches humides des tuyaux de cette vidéo.
Le ray tracing dans le jeu vidéo
En termes de graphismes, le jeu vidéo a fait beaucoup de progrès sur les dernières années. Il suffit de comparer un jeu de 2019 comme Sekiro : Shadows Die Twice avec le premier Dark Souls de 2011. La technologie en est pratiquement arrivée à produire des images photoréalistes : par exemple, la bande-annonce d'un Death Stranding n'a pas grand-chose à envier au cinéma.
Ces jeux ont beaux avoir des rendus poussés, ce qui manque aujourd'hui pour arriver à un réalisme parfait, c'est la gestion fine et réaliste de la lumière. Le ray tracing se place donc comme un bon candidat pour l'avenir des jeux vidéo côté graphisme. Chez les consoles de nouvelle génération, on sait déjà que les constructeurs de consoles se préparent également à accueillir la technologie en fin d'année prochaine. Celle-ci est déjà présente sur PC avec les cartes graphiques RTX de NVIDIA, annoncées en août 2018.
Le ray tracing pointe doucement le bout de son nez sur des titres concrets. Il a d'abord été inauguré sur les trois jeux Battlefield V, Shadow of the Tomb Raider et Metro Exodus. On l'a ensuite vu débarquer sur le jeu d'action-aventure Control, puis Call of Duty: Modern Warfare ainsi que sur le thriller de science-fiction Deliver Us The Moon, ou encore Wolfenstein: Youngblood. Il sera disponible sur Minecraft dans le courant de l'année.
https://www.youtube.com/watch?v=tue5ZwcOVkU
Lors de son lancement, l'année prochaine, Cyberpunk 2077 supportera le ray tracing. Mais seules les versions PC seront capables de l'afficher.
Au courant de l'année 2020, le ray tracing devrait agrémenter de nouvelles sorties comme Cyberpunk 2077 , Doom Eternal, Atomic Heart ou Mechwarrior V: Mercenaries. Mais à côté de tous ces jeux aux graphismes dernier cri, le ray tracing a aussi fait son apparition sur des titres plus étonnants.
Quake II et Minecraft : le path tracing
Sur l'année 2019, NVIDIA a pu proposer une version ray tracing du célèbre Quake II, jeu de tir à la première personne sorti en 1997. Puis de même avec Minecraft et ses blocs de construction pixélisés, grâce à un partenariat avec Microsoft. Sur ces graphismes vintage, c'est en fait du path tracing qui a été implémenté. Mais qu'est-ce donc que cette variante améliorée du ray tracing ?
Quand le premier algorithme de ray tracing a été proposé par Turner Whitted en 1979, celui-ci avait un gros défaut pratique. À chaque fois qu'un rayon de lumière touchait un objet, plusieurs rayons repartaient dans toutes les directions, et quand chacun d'entre eux touchait un autre objet, cela générait encore d'autres rayons... et ainsi de suite de façon exponentielle.
Du point de vue de la puissance de calcul requise, cela devenait très vite ingérable. En 1984, la variante du distributed ray tracing a introduit des techniques de flou pour pallier un peu au problème. Aujourd'hui, le distributed ray tracing est devenu suffisamment rapide pour être utilisé en jeu vidéo, mais il garde d'autres faiblesses. Il ne parvient pas à rendre compte de certains effets, comme la caustique, que l'on peut observer en mettant un verre d'eau sous le soleil.
C'était pour résoudre le côté exponentiel de l'algorithme de Whitted que James Kajiya a proposé en 1986 ce qui allait devenir le path tracing. Au lieu de faire repartir plusieurs rayons à chaque objet touché, on en fait rebondir un seul de manière aléatoire. La méthode a fini par s'avérer plus lente que ce que l'on pensait du fait de subtilités géométriques, mais elle reproduit très fidèlement des effets dont le ray tracing distribué est incapable.
Quake II RTX est aujourd'hui l'un des rares jeux à supporter le path tracing nativement.
De fait, bien exécutée, une image en path tracing donne exactement le même résultat qu'une photographie. Si on envoie peu de rayons sur votre scène, l'image aura du grain, comme quand vous essayez d'utiliser la caméra de votre smartphone par une nuit noire. Et plus on enverra de rayons, plus il faudra de puissance de calcul, mais meilleure sera la qualité de l'image.
Une fois activé le ray tracing, Minecraft est un tout autre jeu.
C'est ce principe qui est utilisé dans les versions RTX de Quake II et de Minecraft. Les effets de lumière réalistes et les décors en pixels s'accordent de manière étonnante et avec un certain charme. On vous laisse juger du résultat. En tout cas, c'est sûr, vous ne trouverez pas un tel style graphique ailleurs.
Les offres actuelles
Est-ce que ça tourne bien actuellement ? La technologie est encore jeune mais déjà les performances sur Battlefield V ont été améliorées de prêt de 40% entre le lancement du jeu en 2018 et maintenant. À l’heure actuelle, elle tourne parfaitement sur des cartes Nvidia RTX 20 à condition de faire attention à la définition du jeu. Les performances s’améliorent constamment avec les nouveaux drivers des cartes graphiques et les jeux sont de plus en plus optimisés pour supporter le ray tracing. Aujourd’hui, une carte comme la RTX 2080 Super permet de traiter plus de 10 Giga Rays par seconde (Millions de rayons). Ce qui permet à la carte un rendu du ray tracing en temps réel des objets et des environnements avec des ombres, des reflets, des réfractions et une illumination très réaliste.
Pourquoi NVIDIA a une longueur d'avance sur le sujet et quelles sont ses offres actuellement ? Le fait est incontestable : NVIDIA domine le marché de la carte graphique. La marque a ainsi été la première à avoir présenté, le 20 août 2018, des cartes dédiées spécifiquement au ray tracing sous la nouvelle gamme RTX. D'abord la GeForce RTX 2080, puis ses soeurs RTX 2080 Ti, RTX 2070, et la RTX 2060 sortie en janvier 2019.
Entre-temps, NVIDIA a présenté en juillet 2019 une seconde génération de cartes graphiques parées pour le ray tracing, les GeForce RTX 2080, 2070 et 2060 "Super". La marque a également annoncé en mars que toutes les cartes graphiques à partir de la GTX 1060 bénéficieraient aussi du ray tracing software grâce aux drivers DXR. Le ray tracing est alors effectué via les cœurs CUDA mais la performance chute de près de 80% et les jeux ne sont pas jouables. Cela permet de mettre en évidence l’impact des cœurs de calcul dédiés (les RT cores) des GeForce RTX sur les performances en ray tracing.
Un PC à la place d'une console de salon ? Il existe de nombreux châssis pour pouvoir utiliser un PC dans son salon (avec des boitiers HTPC par exemple). Il suffit de brancher son PC à son téléviseur via la prise HDMI. Il existe également de nouveaux téléviseurs OLED qui supportent la norme GSYNC. Vous aurez ainsi le meilleur des deux mondes. La performance des GeForce RTX et la convivialité des jeux dans votre canapé.
Le ray tracing disponible pour tous, dès aujourd'hui
Avec les cartes graphiques NVIDIA de dernière génération, il est déjà possible de goûter aux graphismes des consoles de console prochaine génération, avec près d'un an d'avance. L'accès à ces graphismes et rendus de la lumière avancés est aujourd'hui très simple. Que ce soit par l'intermédiaire d'une carte graphique ou par l'achat d'un nouveau PC, il existe de nombreuses façons d'y goûter. Le ray tracing vous attend sur chez LDLC,
Le vendeur français propose de nombreux choix de cartes graphiques NVIDIA de génération 20, à partir de 388 euros :
Une carte graphique MSI GeForce RTX 2060 à 388 euros
Une carte graphique Gigabyte GeForce RTX 2070 Windforce à 446 euros
Ou des PC déjà montés permettant de profiter du ray tracing à 60 images, à partir de 899 euros :
Une tour LDLC PC Bazooka avec un Intel Core i5 de neuvième génération, 16 Go de RAM et une NVIDIA GeForce RTX 2060 SUPER 8 Go
Une tour LDLC PC Perfect avec un Intel Core i5 9600K, 16 Go de RAM et une NVIDIA GeForce RTX 2060 SUPER 8 Go
Un PC portable ASUS TUF565DV de 15 pouces avec AMD Ryzen 7 3750H, 16 Go de RAM et une carte graphique NVIDIA GeForce RTX 2060