Column: Wat is ray tracing?

Mijn favoriete game op de Nintendo Switch is een visual novel met de naam Choices That Matter: And The Sun Went Out. In het verhaal valt de zon uit en neemt duisternis de wereld over. De zon is zo’n belangrijke bron van licht en warmte, dat het ondenkbaar is te leven zonder deze gigantische bal waterstof en helium. De gevolgen van het wegvallen van de zon zijn niet te overzien. Eén van de belangrijkste redenen waarom dit is, komt door het feit dat de zon de grootste bron van licht is en zonder licht kun je niets zien en is leven voor de mens nagenoeg niet mogelijk.

Ook in games is licht een zeer belangrijk onderdeel van de ervaring. Een game die slecht om gaat met licht gaat het niet redden, omdat het absurd aanvoelt. Vanaf het begin van 3D games wordt er gebruikgemaakt van een techniek die rasterization heet. Dit is een techniek die minder intensief is voor de computer, maar ook kwalitatief minder mooie plaatjes maakt en wat meer afhankelijk is hoe de ontwikkelaar ermee om gaat.

Wanneer je in de afgelopen jaren een PlayStation 5 of Xbox Series X hebt gekocht, kan het je niet ontgaan zijn dat je bij games vaak kunt kiezen of je Ray Tracing wil gebruiken of meer frames per seconde. Op de PC is de term al wat langer een item. Ray Tracing is bijzonder arbeidsintensief en je hebt serieuze hardware nodig om het te kunnen gebruiken. Als je echter de juiste apparatuur hebt, dan zien games er vaak stukken beter uit. Maar waarom is dit? Wat heeft mijn verhaal over licht hiermee te maken? Waarom is het tegenwoordig zo belangrijk? Op deze vragen probeer ik antwoord te geven in deze column.

Een kwestie van perspectief

Stel je voor dat het nacht is. Boven je schijnt een ledlamp. Het licht van een ledlamp is stukken minder fel dan het licht van de zon, maar het houdt de duisternis weg, waardoor je om je heen kunt kijken. Op een tafel staat een plant. De plant zie je alleen maar, doordat de lamp erop schijnt. De bladeren die direct door het licht worden geraakt zijn goed te zien, maar de bladeren aan de onderkant zijn vooral te onderscheiden van elkaar door schaduw.

Wat je dus ziet, is een straal licht naar een object, namelijk de plant. Jij kijkt naar de plant, maar de plant is alleen maar zichtbaar door het licht. Een weerkaatsing van een lichtstraal die straling die jouw ogen bereikt en ervoor zorgt dat je kunt zien.

Probeer nu in je fantasie dit stukje logica om te draaien. Dat de straal niet via het licht naar je ogen gaat, maar dat jouw ogen naar het object gaan. De straal vanaf jouw kijkers berekent vervolgens hoe het object eruit moet zien ten opzichte van de lichtbron. Ook kan op die manier worden berekend waar schaduw is. Dit is in heel grote lijnen wat ray tracing doet. Het is simpelweg de realiteit van alledag omdraaien, zodat de computer de berekening kan maken.

Het houdt hier echter niet op. Behalve licht en schaduw wordt met ray tracing ook reflectie en deflectie uitgerekend. Van ieder object wordt bekeken hoeveel reflectie het heeft. Een plant reflecteert totaal niet. Maar de stalen eetlepel die ernaast ligt wel. Het is geen zuivere spiegel en het spiegelbeeld dat ray tracing zal laten zien is niet messcherp, maar er is een wazige afbeelding te zien die overeenkomt vanuit welke hoek je ernaar kijkt. Deflectie laat licht door, maar verbuigt het, waardoor het licht net anders doorkomt.

De bovenstaande afbeelding laat een prachtig voorbeeld van reflectie en deflectie door elkaar zien. De glazen bal verbuigt niet alleen het licht, maar weerspiegelt het ook. De bol is niet van glas, hij weerspiegelt het oppervlak, maar ook dan wordt het licht afgebogen.

NVIDIA RTX

Ray Tracing is al een oude techniek die vooral werd toegepast bij animatiefilms en 3D-afbeeldingen. Een computer kreeg een een hele hoop lijnen en instructies door. Vervolgens moest hij uren of zelfs dagen doorploeteren en er kwam een plaatje uit waarbij het licht, kleur en weerspiegeling er zo mooi mogelijk uit kwam.

De bekende fabrikant van grafische kaarten NVIDIA was het eerste particuliere bedrijf dat het aandurfde om ray tracing live te laten gebeuren, zodat het gebruikt kan worden tijdens het gamen. Om dit voor elkaar te krijgen maakte zij een grafische kaart die een aparte chip heeft, ook wel de RT core genoemd, die het zware werk die deze technologie vereist op zich neemt. Deze techniek wordt tegenwoordig door PC gamers vaak RTX genoemd, naar de namen die deze grafische kaarten krijgen.

Om te laten zien hoe bijzonder deze techniek is, werd er een video gepubliceerd van Star Wars, waarbij live ray tracing werd toegepast. Het resultaat is verbluffend. Kijk zelf en bedenk je dat de weerspiegeling en belichting tijdens de video niet gegenereerd is, maar door een aparte kaart live in de video is gestopt.

Niet veel later werd aangekondigd dat er een mod uitkwam die een oude game, Quake 2, volledig van path tracing voorzag. Aan de klassieke shooter zelf was niets veranderd, maar hij zag er opeens stukken beter uit. Path tracing is een geavanceerde variant van ray tracing, waarbij de techniek veel meer op zijn rekening neemt. Dit is echter zo intensief voor de hardware, dat het momenteel niet realistisch is dat moderne games deze techniek toepassen, tot voor kort.

Ray tracing als het nieuwe normaal

Hoewel de techniek zeker veelbelovend is, kwamen er diverse geluiden dat het een typische niche was voor PC gamers met te veel geld. Het soort mensen dat duizenden euro’s stopte in een blokje techniek om obscure spellen te spelen met een technologie die niet beschikbaar is voor de gewone consolegamer. Maar het duurde niet al te lang voor Sony en Microsoft aankondigden dat hun volgende generatie consoles sterk genoeg was om ray tracing te ondersteunen. En ze hebben niet gelogen. De PlayStation 5 en Xbox Series X hebben flinke spierballen en kunnen ray tracing aan. Je betaalt er wel een prijs voor. Bij de meeste games kun je kiezen voor een hogere framerate of voor ray tracing.

Toen dit werd aangekondigd stegen de hoeveelheid games die deze technologie gingen gebruiken rap. Inmiddels zijn er meer dan negentig games die gebruikmaken van deze manier hoe licht geïnterpreteerd moet worden en het aantal zal alleen maar sneller stijgen.

Tegenwoordig is het niet meer dan normaal dat een AAA game een vorm van ray tracing ondersteunt. Zeker in combinatie met moderne upscalers als DLSS (NVIDIA) of FSR (AMD) levert de techniek een hoop visueel spektakel op. We kunnen dan ook rustig tot de conclusie komen dat in de nabije toekomst ray tracing het nieuwe normaal zal worden.

Hoe de toekomst eruit komt te zien is altijd lastig te zeggen, maar dat path tracing, de techniek die bij Quake 2 werd toegepast, vaker gebruikt zal worden is een feit. Momenteel is het nog niet realistisch, omdat zelfs met de nieuwste en duurste grafische kaarten deze techniek niet geweldig werkt. In een patch van Cyberpunk 2077 is path tracing toegevoegd en zelfs met de beste hardware levert het een enorme afname in de framerate.