Il Ray Tracing: la rivoluzione grafica nel mondo del gaming e della grafica 3D

Il ray tracing è una tecnica di rendering grafico che ha rivoluzionato il modo in cui vediamo e percepiamo il mondo virtuale nei videogiochi e nelle animazioni 3D professionali.

Grazie a una combinazione di rasterizzazione, tracciamento dei raggi luminosi e avanzate unità di calcolo specializzate, le immagini create attraverso il ray tracing risultano più realiste, offrendo un’illuminazione accurata, riflessi, ombre e luce indiretta.

In questo articolo esploreremo cos’è il ray tracing, come funziona, le principali tecnologie e hardware che ne supportano l’adozione e l’importanza di questa innovazione nel settore della grafica 3D e dei videogiochi.

Il funzionamento del Ray Tracing

Il ray tracing è basato sul principio della simulazione del comportamento della luce e delle sue interazioni con gli oggetti presenti nell’ambiente virtuale. Per comprendere meglio come funziona il ray tracing, possiamo dividerlo in tre fasi principali:

1. Generazione dei raggi: il sistema genera una serie di raggi luminosi che partono dalla telecamera virtuale (la visuale dell’utente) e attraversano un piano bidimensionale (lo schermo) per entrare nella scena 3D.
2. Interazione con gli oggetti: ogni raggio luminoso interagisce con gli oggetti presenti nella scena, seguendo le leggi della geometria e dell’ottica. Ciò significa che un raggio può essere riflesso, rifratto, assorbito o diffuso a seconda delle proprietà fisiche degli oggetti con cui entra in contatto e dell’angolo di incidenza del raggio stesso.
3. Calcolo dell’illuminazione: infine, il sistema calcola l’illuminazione finale di ogni pixel dello schermo tenendo conto di tutte le interazioni e contributi luminosi che ciascun raggio ha subito durante il suo percorso. Tale informazione viene quindi utilizzata per rappresentare l’immagine finale sullo schermo secondo il modello matematico di shading e colorazione scelto.

Vantaggi e limiti

I principali vantaggi del ray tracing rispetto ad altre tecniche di rendering grafico sono:

• Realismo: le interazioni tra luce e oggetti vengono calcolate in maniera fisicamente accurata, permettendo di ottenere immagini molto più vicine alla realtà rispetto a quelle generate mediante altri metodi.
• Illuminazione globale: il ray tracing tiene conto non solo della luce diretta proveniente dalle sorgenti luminose, ma anche della luce indiretta che si propaga all’interno dell’ambiente per riflessione o trasmissione, contribuendo a creare un’immagine complessivamente più credibile e convincente.
• Riflessi e rifrazioni: il ray tracing permette di simulare con precisione fenomeni ottici più complessi, come i riflessi speculari e le rifrazioni, senza dover ricorrere ad approssimazioni o trucchi visivi.

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Tuttavia, il ray tracing presenta anche alcuni limiti e sfide, tra cui:

• Complessità computazionale: il calcolo dei raggi e delle loro interazioni con l’ambiente richiede una capacità di elaborazione molto elevata, soprattutto se si vogliono raggiungere livelli di dettaglio e realismo elevati.
• Rumore e artefatti: il ray tracing può generare artefatti visivi e rumore nell’immagine se non viene utilizzato un adeguato numero di campioni (ossia raggi) per pixel o se non si implementano tecniche di filtraggio e denoising avanzate.
• Rendering in tempo reale: a causa della sua complessità, il ray tracing puro è difficilmente applicabile in contesti di rendering in tempo reale, come i videogiochi, se non con l’ausilio di hardware e algoritmi di accelerazione specifici.

L’evoluzione del Ray Tracing: l’era delle GPU dedicate

Nel corso degli ultimi anni, il settore dell’hardware grafico ha compiuto importanti progressi nella ricerca e nello sviluppo di soluzioni hardware e software che permettano di superare i limiti del ray tracing e renderlo accessibile a un pubblico sempre più ampio.

NVIDIA e le schede video Ray Tracing

Uno dei principali attori in questo campo è NVIDIA, che nel 2018 ha introdotto la propria serie di schede video GeForce RTX basate sulla nuova architettura Turing.

Queste GPU includono unità di calcolo specializzate chiamate RT Cores, progettate appositamente per accelerare i calcoli del ray tracing e permettere un rendering in tempo reale con un livello di qualità e prestazioni senza precedenti.

Le schede video GeForce RTX supportano il ray tracing attraverso la tecnologia NVIDIA RTX, una piattaforma software che fornisce agli sviluppatori di giochi e applicazioni 3D un insieme di strumenti e librerie per sfruttare appieno le potenzialità delle nuove GPU.

Tra le principali API supportate dalla piattaforma NVIDIA RTX troviamo Microsoft DirectX Raytracing (DXR) e Vulkan Ray Tracing, due standard di programmazione grafica che permettono di integrare facilmente il ray tracing all’interno delle più diffuse piattaforme di sviluppo e motori grafici del settore, come Unreal Engine e Unity.

Ray Tracing su console e la proposta di AMD

Il ray tracing non è una prerogativa esclusiva delle schede video NVIDIA e del mondo dei videogiochi su PC. Anche le principali console di nuova generazione, come PlayStation 5 e Xbox Series X, prevedono il supporto al ray tracing grazie all’adozione di GPU AMD basate sull’architettura RDNA 2.

AMD, in concorrenza con NVIDIA, sta lavorando per migliorare le proprie soluzioni hardware e software per il ray tracing e offrire una valida alternativa ai videogiochi e agli sviluppatori. La prossima generazione di schede video AMD Radeon RX, basate sull’architettura RDNA 3, dovrebbe contenere ulteriori miglioramenti e ottimizzazioni per il ray tracing, portando a una maggiore efficienza e prestazioni in questo ambito.

Il futuro del Ray Tracing

Il ray tracing rappresenta una vera e propria rivoluzione nel campo della grafica 3D e dei videogiochi, con un sempre maggiore numero di titoli che ne supportano l’adozione e offrono effetti grafici sempre più spettacolari e immersivi.

Tuttavia, per sfruttare appieno le potenzialità di questa tecnologia, è necessario investire in hardware adeguato e avere a disposizione strumenti e motori grafici in grado di integrare facilmente il ray tracing all’interno dei propri workflow di sviluppo.

Nonostante le sfide, il futuro del ray tracing appare molto promettente. Con l’avanzamento delle tecnologie hardware e software, possiamo aspettarci ulteriori progressi e innovazioni in questo campo, che continueranno a spingere i limiti del realismo e a trasformare il modo in cui percepiamo e interagiamo con il mondo virtuale.