Qu’est-ce que le Path Tracing ? L’arme secrète de NVIDIA que peu de personnes connaissent

Beaucoup parlent de moteurs graphiques, mais pas tant de Path Tracing. Cette technologie est le successeur du Ray Tracing et pourrait faire l’histoire.

NVIDIA le sait et lui a consacré un article en 2022, qu’est-ce que ça frame ? Ils ont fait beaucoup de bruit avec le Ray Tracing depuis 2018, mais il semble que le défi de son utilisation ait déjà été relevé par les RTX 4000. Le prochain pas est donc de développer une technologie révolutionnaire qui apporte une offre ajoutée, laquelle ? Le Path Tracing est en cours.

Qu’est-ce que le Path Tracing

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Le Path Tracing est une technique utilisée en infographie pour produire une scène 3D avec un éclairage global ultra-précis, offrant une qualité vidéo ou une image incroyable. Son créateur est Jim Kajiya, et voici une explication très résumée de ce que c’est vraiment, mais nous allons contextualiser un peu tout cela.

Disclaimer : à la fois le Ray Tracing et le Path Tracing sont des technologies qui sont d’abord arrivées au cinéma. L’idée de les implémenter dans les jeux vidéo repose sur l’offre d’une expérience réaliste, le jeu de lumière et d’ombres est essentiel. En fait, le premier film à utiliser le Path Tracing a été Monster House, en 2006.

Savez-vous ce qu’est la rasterisation ? Il s’agit de la technique qui génère une image à partir d’un point de vue, et une GPU normale d’aujourd’hui est capable de générer plus de 100 milliards de pixels rasterisés par seconde (ou du moins c’est ce que évoqué NVIDIA). Avant l’arrivée du Ray Tracing, nous avions la rasterisation comme technique de rendu principale, c’est pourquoi NVIDIA a décidé d’implémenter le RT dans les jeux.

Eh bien, le Ray Tracing était l’évolution de la rasterisation car nous pouvions générer des images à partir de plusieurs points de vue, et, non seulement cela, mais aussi à partir de différentes directions. En termes de calcul, cela nécessitait beaucoup de hardware pour le faire correctement, mais le défi semble avoir été relevé depuis l’arrivée du DLSS 3.

Ray Tracing

Je ne veux pas trop m’étendre sur les mathématiques, mais tout cela repose sur de nombreuses équations et statistiques. Même si vous ne le croyez pas, l’idée du Ray Tracing a déjà été présentée en 1525 par Dürer : « comment la lumière éclaire le monde que nous voyons autour de nous ». Transposé en informatique, c’est Arthur Apple en 1969 qui a décidé d’introduire le Ray Tracing dans les graphismes, en particulier pour jouer avec les ombres.

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Monster House, le premier film à utiliser le Path Tracing

Cependant, la contribution la plus intéressante du XXe siècle est venue de LucasFilm, le studio derrière des franchises comme Star Wars ou Indiana Jones. Ils voulaient l’intégrer en 1984 dans les films, flou de mouvement, translucidité, etc. Et c’est en 1986 que Jim Kajiya présente « L’équation de rendu », à l’origine du Path Tracing tel que nous le connaissons aujourd’hui.

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Revenons en arrière en 1940, où Kajiya a commencé à étudier comment la chaleur se propage dans l’environnement (transfert de chaleur radiatif) pour arriver à la célèbre équation décrivant comment la lumière traverse l’air et se disperse. Le problème de cette équation est sa résolution, pourquoi ?

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Jim Kayiya, l’un des pères du Path Tracing

Imaginez une scène 3D avec des milliards de polygones, la complexité est évidente et Kajiya l’a envisagée. Il a donc choisi d’utiliser des techniques statistiques pour résoudre l’équation, mais que se passe-t-il si nous ne pouvons pas la résoudre directement ? Il faut faire appel à chaque rayon individuellement.

Le Ray Tracing était la clé pour résoudre cette équation le long d’une trajectoire en un rayon. Et c’est ainsi que sont nées les célèbres techniques des algorithmes de Monte Carlo. Aujourd’hui, le défi consiste à développer des algorithmes qui améliorent ces techniques de manière efficace car le hardware informatique nécessaire est énorme.

Jeux intégrant le Path Tracing

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En 2024, les jeux qui ont introduit le Path Tracing sont principalement Cyberpunk 2077, Portal with RTX et Justice Online. Cependant, il ne s’agit pas d’un Path Tracing complet, mais ils affirment l’avoir introduit « partiellement ».

Cela évoqué, le premier jeu à intégrer le Path Tracing a été Quake II RTX, ce qui a été un grand changement par rapport au jeu original.

Et quels sont les jeux futurs qui mettront en œuvre le Path Tracing ? Très probablement, nous verrons un Half-Life 2 RTX avec Path Tracing. C’est ainsi qu’il a été présenté lors du CES 2024 en tant que projet RTX Remix.

La clé pourrait être l’intelligence artificielle

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Espérons que ça ne dérape pas

Jusqu’à présent, l’IA existait, mais l’IA générative n’avait pas été pleinement introduite, comme c’est le cas avec le Deep Learning. Nous avons vu les avantages d’introduire un logiciel de mise à l’échelle « intelligent » comme le DLSS et son évolution DLSS 3, équipé par des cœurs spécifiques appelés Tensor Cores.

Ne parlons pas seulement de techniques de mise à l’échelle, parlons aussi d’Unreal Engine 5 et d’autres projets de moteurs graphiques qui intègrent l’IA de manière importante dans leur développement. Je sais qu’ils sont encore en développement et que la seule chose enthousiasmante a été une démo qu’ils ont présentée, mais le niveau graphique est là.

J’étais l’un des détracteurs de l’IA et je disais qu’il y avait beaucoup de marketing derrière, mais la réalité est qu’ils m’ont convaincu avec les faits.

Path Tracing vs Ray Tracing

Fondamentalement, les équations pour concevoir le comportement de la lumière dans une scène sont les mêmes, tout comme la structure des données et l’utilisation des Tensor Cores. Cependant, le Path Tracing se concentre sur le fait de ne pas suivre de nombreux rayons dans une scène, mais que son algorithme trace la trajectoire la plus probable.

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Avec le Ray Tracing traditionnel, nous calculons un chemin exact où chaque rayon rebondit, afin de les tracer dans certaines sources de lumière. En revanche, dans le Path Tracing, de nombreux rayons sont générés dans chaque pixel, rebondissant de manière aléatoire dans de nombreuses directions ; cet événement se répète lorsque le rayon frappe un objet.

Pourquoi le Path Tracing consomme-t-il autant de ressources ? Parce que suivre les rayons et effectuer tous ces calculs représente une charge de travail énorme pour le GPU. Disons que le Ray Tracing est un compromis entre la rasterisation originale et le Path Tracing.

Implémenter cette technologie complètement entraîne une baisse brutale des FPS, et il y a des mods « non officiels » sur Internet pour d’anciens jeux où, avec une RTX 4080, on passe facilement de 800 FPS à 50 FPS après avoir activé le Path Tracing.

Néanmoins, en termes d’efficacité, le Ray Tracing est plus viable et permet de jouer à une performance décente, d’autant plus avec le DLSS !

Comment implémenter le Path Tracing dans un jeu

Les outils existants pour implémenter le Path Tracing dans un jeu vidéo sont principalement d’AutoDesk : Arnold, 3ds Max et Maya. Sans oublier le SDK NVIDIA RTX Path Tracing, qui est essentiel pour les développeurs.

Quand pouvons-nous voir des jeux à 100% avec Path Tracing?

Répondre à cette question relève de la spéculation, mais je pense que nous verrons un début du Path Tracing dans les jeux à partir de 2026. Il faut rappeler qu’ils lancent de nouvelles GPUs tous les 2 ans et qu’en 2024, nous verrons les prochaines NVIDIA RTX 5000 et AMD Radeon RX 8000.

Ce qui est certain, c’est que cela viendra de la part de NVIDIA, tout comme cela s’est produit avec le Path Tracing. Nous ne savons pas si cela viendra avec le DLSS 5 à ce moment-là, car l’équipe verte lancera sa nouvelle version avec Blackwell, l’architecture qui sera présente sur les RTX 5000.

Maintenant, que évoqué la communauté Reddit ? J’aime toujours naviguer sur les forums pour lire les opinions des autres car on peut toujours apprendre. Eh bien, les opinions les plus courantes sont :

  • Nous le verrons dans 10 ans ou jamais « complètement », seulement partiellement.
  • Avec les prochaines RTX 6000.
  • Cela dépend de la technologie GPU et de son évolution.
  • Dans le cas de rendus hybrides, de dénoiseurs et d’une mise en œuvre de l’apprentissage automatique… cela pourrait arriver sur la PS6 et la prochaine génération de Xbox.

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