Cos’è il ray tracing? La tecnica di computer grafica in parole semplici!

Il ray tracing è una tecnologia di computer grafica che calcola in modo realistico i raggi luminosi visibili e non visibili. Rende anche possibile un’illuminazione realistica nei videogiochi e nelle grafiche animate in 3D ed è utilizzata come caratteristica hardware sotto forma di ray tracing in tempo reale. Ma che cos’è precisamente questo ray tracing?

La funzione del ray tracing è fondamentalmente semplice: creare una grafica in 3D con oggetti tridimensionali con l’aiuto di un software di modellazione 3D (per esempio, Blender o Cinema 4D) e animarla come scena. Per simulare un’illuminazione vicina al reale in paesaggi realistici in 3D, si posizionano le fonti luminose per rendere “visibili” gli oggetti tridimensionali. È qui che entra in gioco il ray tracing. Come in ogni animazione 3D, una camera digitale simula l’occhio dell’osservatore. Grazie alla tecnologia del ray tracing, l’algoritmo estrae i raggi o linee tra gli oggetti e la fotocamera calcolando se questi sono visibili per la fotocamera e il numero di pixel necessari per ciascuna linea.

Inoltre, il ray tracing può distinguere se i raggi luminosi provengono dalle fonti luminose originali o da oggetti riflessi sul campo visivo della fotocamera. L’algoritmo definisce su queste informazioni i colori dei pixel sulla base dei raggi, dei riflessi, delle incidenze di luce e delle texture delle superfici tracciate. Nel processo di rendering sono inseriti anche gli oggetti e le fonti luminose non visibili. Ne risulta un modello d’illuminazione realistico con effetti complessi di luce e ombra in tempo reale. Inoltre, la tecnologia RTX di Nvidia lavora con un sistema di intelligenza artificiale chiamato “Deep Learning Super Sampling” per creare una risoluzione e una frequenza dei fotogrammi ottimale.

L’effetto totale che il ray tracing può esercitare sul realismo di una grafica in 3D dipende dai rispettivi processi di ray tracing. Qui in basso faremo una differenza tra i seguenti metodi di ray tracing in base alle prestazioni necessarie e allo sviluppo storico:

1. Determinazione della superficie nascosta: in questo processo di calcolo rudimentale non convergono nell’animazione né gli effetti d’ombra né gli effetti di luce.
2. Simulazione delle ombre: si applicano le fonti luminose dirette e le ombre nette, gli effetti di riflesso non sono però calcolati.
3. Ray tracing ricorsivo: oltre alle fonti luminose dirette e alle ombre nette, il ray tracing si applica per i riflessi a specchio sugli oggetti trasparenti o riflettenti.
4. Ray tracing diffusivo: oltre all’illuminazione e alla rifrazione diretta, per le simulazioni realistiche di ombra si fa il render anche di ombre assolute/penombre e altre linee di ombra.
5. Path tracing: il modello di illuminazione include e comprende solo le fonti luminose, i riflessi e le rifrazioni visibili e non visibili provocate da oggetti illuminati, creando simulazioni di ombre realistiche in base alla proiezione.

Il ray tracing si utilizza soprattutto nella grafica 3D per computer ed è sempre più diffuso nel settore dei videogiochi dalla nascita della generazione di schede grafiche RTX di Nvidia nel 2018. La tecnologia del ray tracing, attivata o supportata già dall’hardware, permette di rappresentare gli effetti di illuminazione nei giochi in modo ancora più realistico. In questo modo rientrano negli effetti grafici della rappresentazione non soltanto gli effetti di luce presenti nel campo visivo (i cosiddetti effetti Screenspace), ma anche i riflessi, le luci e le ombre al di fuori del campo visivo (incluso un sole virtuale globale). Poiché tutto questo richiede grandi prestazioni negli hardware dotati di ray tracing, si tratta di una caratteristica che finora si utilizza solo in pochi giochi.

Il ray tracing è ancora agli esordi nel mondo delle tecnologie di rendering. Al momento la serie RTX 3000 di Nvidia (la seconda generazione di schede grafiche RTX di Nvidia) rappresenta il prossimo passo nella tecnologia del ray tracing poiché offre maggiori unità. A causa delle diverse dotazioni dei PC e delle enormi prestazioni richieste, però, l’utilizzo di questa tecnologia resta per ora relegato in una nicchia della grafica. Le nuove generazioni di console come la Xbox Series X o la Playstation 5 stanno muovendo i primi passi nel supporto globale del ray tracing grazie a un’unica dotazione.

Finora, soltanto pochi sistemi hardware e software sono stati in grado di supportare la tecnologia di ray tracing. Per avere rappresentazioni fluide di giochi e animazioni con il ray tracing, è necessario avere un computer efficiente e una scheda grafica RTX. È quasi inevitabile dover potenziare il proprio PC spendendo dei soldi per disporre delle prestazioni necessarie. Tra le varie schede grafiche che supportano il ray tracing troviamo la prima e la seconda generazione di RTX di Nvidia (per esempio, GeForce RTX 2070 e GeForce RTX 3070). Anche alcune schede grafiche sporadiche di AMD della generazione Radeon RX 6000 sono già compatibili con il ray tracing.

Diversi videogiochi per PC e console supportano il ray tracing.

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

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