Ray tracing : quand la lumière rencontre le jeu vidéo

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Il y a maintenant presque deux ans, à l'occasion du SIGGRAPH 2018, NVIDIA présentait sa vision du ray tracing. Une vision concrétisée par la suite avec le lancement de ses nouvelles cartes graphiques « RTX ». Deux ans plus tard, alors que les jeux compatibles se généralisent, le moment nous semble bien choisi pour revenir sur la technologie hybride mise au point par NVIDIA, tout en abordant le cas du traitement DLSS, de plus en plus intéressant — et probant — pour limiter l'impact du raytracing sur les performances d'une GeForce RTX.

Avec sa gamme RTX, NVIDIA signe un tour de force : celui de permettre au grand public l'accès à une technologie jusqu'à présent connue uniquement des professionnels de l'imagerie numérique et de quelques initiés. Mais qu'est-ce que le ray tracing au juste, et comment fonctionne-t-il ? C'est ce que nous allons expliquer le plus clairement possible dans ce dossier.

Le ray tracing, qu'est-ce c'est... et qu'est-ce que ça apporte ?

Le ray tracing n'est pas nouveau et il n'est pas non plus réservé au monde du jeu vidéo. Loin de là. Ce mode de rendu sert en effet depuis des décennies dans le domaine de l'imagerie de synthèse professionnelle, et il est par exemple utilisé massivement dans les films d'animation. Cette technique nécessite toutefois une puissance de calcul colossale... et donc des machines de guerre destinées aux studios professionnels. À cette fin, l'essentiel des calculs était d'ailleurs réalisé par des serveurs comportant plusieurs centaines (voire milliers) de processeurs travaillant ensemble. Il faut également rappeler que le ray tracing n'est pas une technologie propriétaire a NVIDIA. Les GeForce RTX sont la solution de NVIDIA pour accélérer le rendu raytracing, mais le raytracing peut également fonctionner sur les GeForce GTX au détriment des performances.



Si l'on parle beaucoup de ray tracing dans le secteur du gaming depuis deux ans, c'est parce que NVIDIA est parvenu à mettre au point une technique de rendu hybride qui permet d'effectuer certains calculs en ray tracing pur et dur pour la gestion des effets de lumière, et ce sur une simple carte graphique... et surtout en temps réel. Comment diable est-ce possible ? En mettant au placard (tout du moins en partie) le principe de rastérisation.

La rastérisation est la méthode de rendu utilisée dans le jeu vidéo depuis le début des jeux en 3D temps réel dans les années 1980/1990. Simpliste et peu réaliste (mais suffisamment rapide pour le jeu vidéo), cette dernière convertit les triangles ou polygones 3D en surface 2D (votre écran). Les premiers GPU du marché s'affrontaient d'ailleurs sur la puissance de leur moteur de conversion (raster engine). Pour gérer les effets de lumières, après l'application de textures sur les polygones, ce sont les pixel shaders et autres algorithmes propriétaires qui sont chargés d'effectuer un éclairage plausible ou artistique à la scène 3D. Chaque moteur 3D jeux de l'industrie propose d'ailleurs depuis des années des techniques d'éclairage propriétaires (illumination globale, spotlight, réflexion, ombres, etc...) qui nécessitent de nombreux réglages de la part des développeurs de jeux.

De plus, cette méthode oblige depuis des années les développeurs à tricher avec des shaders pour obtenir des reflets et autres effets de lumière « réalistes », ou simplement élégants, en jeu. Il nécessite d'ailleurs de nombreux calculs en amont comme les ombres qui sont en fait des « filtres précalculés » qui sont apposés sur la scène 3D. En un mot, la gestion de la lumière dans un jeu vidéo est extrêmement complexe, chronophage et coûteuse.
Un vrai casse-tête que NVIDIA élimine avec son ray tracing, puisque ce dernier gère nativement les reflets... mais pas seulement et nous y reviendrons un peu plus bas.



Contrairement à la rastérisation, le ray tracing est une simulation physique des rayons (ray) de lumière. Les effets de lumière ne sont plus apposés sur la scène comme sur une peinture, mais sont alors le résultat d'une simulation physique ou chaque rayon “illumine” les pixels comme dans la réalité.
Ainsi, chaque rayon lancé par un moteur graphique gérant le ray tracing poursuit en effet sa route même s'il a rencontré un objet en chemin. Ces rayons tracés quoiqu'il advienne dans les décors des jeux permettent au moteur de retranscrire de manière fidèle les reflets et les effets de transparence de certains matériaux translucides ou de surfaces polies, par exemple.

En clair un rayon lancé de manière oblique vers les vitraux d'une église sera capable d'interpréter le verre comme étant une surface translucide qu'il faut traverser. Le rayon poursuivra ainsi sa route jusqu'à rencontrer une surface qu'il n'est pas censé traverser (le sol en marbre blanc de l'édifice par exemple) et y appliquer la couleur des vitraux, tout en prenant en compte la couleur et la texture du sol, qui elles ne laissent pas passer la lumière de la même façon. L'arrivée du raytracing dans les jeux a également nécessité un nouveau format pour les textures et les matériaux qui prennent maintenant en charge des coefficients d'opacité,de réflexion, de réfraction ou encore de diffusion.



La chose peut paraître anodine, mais sa capacité à être gérée en temps réel par une simple carte graphique, sans que les développeurs n'aient à tricher avec des shaders trafiqués ou des textures tronquées a tout d'une révolution, avec un seul but : améliorer l'immersion.
Pour le joueur, le rendu est bluffant, avec des décors nettement plus crédibles, des objets criants de réalisme et des reflets à se pâmer. Il suffit d'ailleurs de jeter un œil aux images du dossier pour s'en convaincre. Mais cette méthode permet également aux développeurs de créer des effets inédits comme une action qui se reflète hors de votre champ de vision !

À noter toutefois que le ray tracing peut être utilisé de différentes façons par les développeurs, qui peuvent ainsi plier cette méthode de rendu à leurs désirs artistiques. Exemple concret : le ray tracing de Battlefield V ou de Control sera essentiellement centré sur les reflets (sur les carrosseries des véhicules ou encore les flaques d'eau du premier, et les surfaces en marbre du second entre autres), tandis que celui de Shadow of the Tomb Raider insistera plutôt sur les effets d'ombres de lumière, et celui de Metro Exodus sur l'illumination globale, pour conférer aux différents environnements du jeu des ambiances très marquées.

Le DLSS, l'astucieux traitement de NVIDIA alimenté à l'IA

Si NVIDIA est parvenu à le mettre à la portée du grand public au travers de ses nouvelles cartes graphiques, le ray tracing reste une technologie très gourmande en ressources.

Aujourd'hui une carte graphique RTX 2060 est capable de calculer 5 GigaRays (5 millions de rayons par seconde) et une RTX 2080 Ti , 10 Gigas rays.

Activer ce dernier en jeu aura par conséquent un impact notable sur le framerate. Ce n'est d'ailleurs pas pour rien que la marque a ajouté à ses cartes graphiques RTX des unités de calcul dédiées uniquement au traitement du ray tracing : les RT cores, qui permettent de ne pas trop empiéter sur les performances « brutes » du GPU.

Pour limiter au maximum l'impact du ray tracing sur le framerate (mais aussi remplacer efficacement un traitement anti-aliasing) NVIDIA compte aussi sur le DLSS. Qu'est-ce que c'est ? Une technologie de calcul qui met à contribution à la fois les serveurs du groupe, mais aussi les Tensor cores : un autre type d'unités de calcul présentes sur les GeForce RTX, mais cette fois très douées en intelligence artificielle et en accélération matérielle.


Technologie développée et exploitée uniquement par NVIDIA, le DLSS (Deep Learning Super Sampling) consiste pour faire simple à entraîner, au fur et à mesure des parties jouées sur un jeu donné, un gros réseau neuronal installé sur les serveurs en IA de NVIDIA. À force d'analyse et de traitement continu, ces serveurs et leur IA parviennent à obtenir des images de très haute qualité (approchant une définition 4K) permettant de constituer des modèles propres à chaque jeu qui sont ensuite réinjectés dans les pilotes diffusés par l'utilitaire GeForce Experience.

Ces modèles sont enfin exploités par les Tensor cores des GeForce RTX, et leur accélération matérielle, jusqu'à se rapprocher du grand principe de super sampling. C'est cette surabondance de pixels permet à la fois d'éliminer en grande partie le crénelage (ou aliasing) et de soulager le GPU lorsque le DXR (ray tracing) est activé en jeu. À la clé ? Un gain notable d'images par seconde et une fluidité améliorée sans avoir besoin de faire de grosses concessions en termes de qualité d'affichage et de réglages.



Le DLSS a par ailleurs un autre intérêt : être basé sur l'intelligence artificielle lui permet d'être évolutif et surtout de se perfectionner avec le temps. Il suffit d'ailleurs d'utiliser aujourd'hui le DLSS pour se rendre compte qu'il est encore plus efficace qu'il ne l'était au lancement des premières GeForce RTX. Une belle prouesse porteuse de très belles promesses pour l'avenir.

Attention par contre, il est important de noter que si la majeure partie des jeux compatibles avec les nouvelles technologies de NVIDIA prennent à la fois en charge le ray tracing et le DLSS, certains titres ne proposent qu'une seule de ces deux technologies, qui n'ont pas uniquement pour vocation de se compléter l'une l'autre. Il existe également des jeux qui proposent d'activer le DLSS individuellement, sans recourir pour autant au ray tracing (c'est par exemple le cas de l'infortuné Anthem).

Le DLSS se montre alors utile, là aussi, pour améliorer les performances et gommer le crénelage en substitution à d'autres traitements comme le FXAA ou le TXAA, qui auront dans un cas comme dans l'autre tendance à compromettre la netteté de l'image tout en amputant légèrement le framerate.

Ray-tracing, DLSS : fort bien, mais pour quels jeux ?

Avec l'introduction des interfaces de programmation DirectXR et VulkanRT en 2018, de plus en plus de développeurs ont basculé vers des jeux compatibles avec le ray tracing. Outre une simplification pour la gestion des lumières, le raytracing leur donne une plus grande liberté visuelle.

Si le catalogue de titres « RTX friendly » était au départ relativement restreint, les choses ont admirablement progressé au fil des mois et des sorties... à tel point qu'il devient désormais difficile pour les studios de lancer un titre non compatible. Un signe, s'il en fallait, que le PC et les GPU restent le moteur de l'innovation pour les joueurs et que l'arrivée du raytracing dans le jeu vidéo est une étape nécessaire et fondamentale vers des jeux photo-réalistes.


Au-delà des jeux sur lesquels NVIDIA a bâti la réputation de son rendu hybride et du DLSS, les fameux Battlefield V, Metro Exodus ou encore Shadow of the Tomb Raider, des studios comme Remedy, Mojang, Ubisoft, Techland, ou encore Infinity Ward, ont rejoint le train en marche avec des productions variées allant de Control à Call of Duty: Modern Warfare, en passant par Watch Dogs : Legion, ou Dying Light 2.

Il serait par ailleurs fort mal avisé d'omettre le jeu le plus attendu de 2020 : le récemment repoussé CyberPunk 2077 des Polonais de CD Projekt, qui sera lui aussi bardé de reflets, d'ombres et d'effets en tous genres sur les dernières cartes graphiques des verts. Un soft si exigeant que son report serait dans les faits dû au manque de puissance des consoles actuelles. Inutile de préciser que les GeForce RTX, quelles qu'elles soient, ne seront pas confrontées à ce problème.

Bouclons ce dossier en évoquant enfin le cas des moteurs graphiques. Pour permettre à un maximum de jeux d'embrasser le ray tracing, NVIDIA a travaillé avec les équipes à l'origine de moteurs ultra-populaires comme l'inévitable Unreal Engine (développé par Epic Games), mais aussi les moteurs 3D Frostbite (par les papas de Battlefield, bien évidemment), Unity ou encore 3D Northlight (le moteur maison de Remedy, le studio finlandais à l'origine de l'excellent Control). De quoi nous réserver de très belles surprises pour les prochaines années !

Acheter une GeForce RTX, c'est aussi s'équiper pour l'avenir et profiter dès maintenant d'une technologie qui fait avancer le jeu vidéo dans le bon sens. Mais encore faut-il savoir quelle carte graphique choisir. De ce côté l'offre est simple, NVIDIA propose actuellement un total de cinq cartes capables de gérer le ray tracing de manière optimale (les RTX 2060 SUPER, 2070 SUPER, 2080 SUPER, 2080 Ti et RTX Titan). Pour des raisons évidentes de prix, nous vous recommandons les trois premières.







Technologie d'avenir, le ray tracing en temps réel à enfin trouvé sa voie dans le monde du jeu vidéo... et s'y installe pour y rester. Preuve s'il en fallait, les consoles de nouvelle génération, attendues en fin d'année prochaine seront compatibles. Les utilisateurs exigeants, et surtout soucieux d'investir dans des machines faites pour durer, auront donc tout intérêt à s'intéresser à l'offre de NVIDIA.

Disponible dès maintenant, le ray tracing ne nécessite pas nécessairement d'acheter une carte graphique à mille euros, et heureusement. Une solide RTX 2060 SUPER fera le job et le fera même très bien pour moins de 450 euros. Un tarif raisonnable pour se mettre à la page et appréhender sereinement les prochaines années.