Vi siete mai chiesti come fanno i film e le serie TV a creare quelle scene incredibilmente realistiche, con navicelle spaziali che si scontrano in galassie lontane o draghi che sorvolano regni incantati? Non stiamo parlando di magia, ma di una delle tecniche di rendering più avanzate e affascinanti: il Ray Tracing. È la spina dorsale di ogni immagine generata al computer (CGI) e degli effetti speciali che amiamo, e oggi scopriremo insieme come funziona, svelandone i segreti più profondi.
Il Path Tracing: lo standard dell’industria per un realismo mozzafiato
Quando si parla di realismo estremo in film e serie TV, c’è un nome che spicca sopra tutti: Path Tracing. È l’algoritmo che l’industria utilizza come standard per rendere le scene CGI così vere da sembrare reali. Immaginate: artisti 3D modellano le navi, le texturizzano, le posizionano nella scena con luci e una telecamera virtuale. Poi entra in gioco il rendering, un processo computazionale che simula il modo in cui i raggi di luce rimbalzano e illuminano ogni modello, trasformando semplici modelli 3D in ambienti vibranti e credibili.
Il Path Tracing non è una novità di oggi; il concetto è stato ideato nel lontano 1986. Eppure, ci sono voluti circa trent’anni e l’impiego di farm di server con migliaia di computer (che impiegavano mesi!) per rendere film come *Zootropolis*, *Oceania*, *Alla ricerca di Dory* e *Coco* con questa tecnica. Vi dà un’idea dell’enorme quantità di calcoli necessari: pensate che per una singola scena, se l’intera popolazione mondiale facesse un calcolo al secondo, ci vorrebbero dodici giorni per completarla! È un’impresa titanica che, per decenni, è stata ritenuta possibile solo per i supercomputer.
Creare una scena CGI: dal modello alla realtà virtuale
Mettere in piedi una scena CGI è un vero e proprio atto di creazione artistica e tecnica. Si inizia con la modellazione: l’artista impiega mesi per costruire ogni singolo elemento, dalle isole ai castelli, dalle case agli alberi, fino, ovviamente, al drago protagonista. Anche se possono apparire curvilinei, tutti questi modelli sono in realtà scomposti in milioni di piccoli triangoli. Le GPU, infatti, lavorano quasi esclusivamente con scene 3D fatte di triangoli; una scena complessa può contenerne oltre 3,2 milioni.
Una volta definiti i modelli, si passa alla texturizzazione. Non si tratta solo di dare un colore, ma di attribuire proprietà ai materiali: la superficie è ruvida, liscia, metallica, vetrosa, acquatica o fatta di chissà quale altro materiale? Ogni dettaglio conta.
Poi, i modelli finiti vengono posizionati con cura nella scena. L’artista aggiunge le luci, come il cielo e il sole, regolando intensità e direzione per simulare un momento specifico della giornata. Infine, viene inserita una telecamera virtuale e la scena è pronta per il rendering, per prendere vita. Il risultato? Ombre morbide che accarezzano gli edifici o il modo in cui la luce si riflette sull’acqua, creando riflessi brillanti.
Il Path Tracing in azione: luce diretta e indiretta
Il cuore del Path Tracing è la sua capacità di simulare l’interazione e il rimbalzo della luce su ogni superficie della scena. Nel mondo reale, i raggi di luce partono dal sole e, quando colpiscono una superficie (diciamo, un tetto rosso), una parte viene assorbita e la luce rossa viene riflessa, colorando il raggio in base al colore dell’oggetto. Questi raggi, ora colorati, rimbalzano fino a raggiungere la nostra pupilla, formando l’immagine che vediamo.
Con le CGI, calcolare un numero infinito di raggi luminosi sarebbe impossibile. Ecco il trucco del Path Tracing: invece di inviare raggi dalla sorgente luminosa, li si invia dalla telecamera virtuale nella scena. Si determina quali oggetti vengono colpiti dai raggi e come vengono illuminati dalle sorgenti luminose. L’immagine 2D finale è rappresentata da un “piano di visualizzazione” davanti alla telecamera, con lo stesso numero di pixel dell’immagine finale (un’immagine 4K ne ha 8,3 milioni!).
Pensate a una scena interna, come un barbiere con 8 milioni di triangoli. Per creare l’immagine finale, vengono sparati ben 8,3 miliardi di raggi (mille per pixel) dalla telecamera virtuale. Questi sono i raggi primari, che colpiscono gli oggetti e attribuiscono al pixel il colore base dell’oggetto.
Ma un’immagine con solo i colori base sarebbe piatta. Qui entra in gioco l’illuminazione. Il Ray Tracing deve determinare l’illuminazione diretta (quella che arriva direttamente dalle sorgenti luminose) e l’illuminazione indiretta (quella che rimbalza su altri oggetti). Insieme, queste formano la Global Illumination, fondamentale per il realismo.
Per l’illuminazione diretta, dal punto in cui il raggio primario colpisce un oggetto, vengono generati raggi ombra verso ogni sorgente luminosa. Se non ci sono ostacoli, quel punto è direttamente illuminato. Per l’illuminazione indiretta, dal punto di impatto del raggio primario si genera un raggio secondario che rimbalza su una nuova superficie. Da lì, altri raggi ombra vengono inviati alle sorgenti luminose. Questo processo di rimbalzi multipli dei raggi secondari, ognuno dei quali trova “percorsi” per cui la luce illumina indirettamente il punto originale, è ciò che dà il nome all’algoritmo: Path Tracing. Un beneficio aggiuntivo è il *color bleeding*: il colore di un oggetto può “rimbalzare” e tingere leggermente una superficie vicina, come un palloncino rosso che tinge di rosa una parete bianca.
Le proprietà del materiale sono cruciali: una superficie liscia si comporterà come uno specchio, riflettendo i raggi in una direzione perfetta. Una ruvida, invece, disperderà i raggi in direzioni casuali, creando una superficie opaca. E per il vetro? Vengono generati raggi di rifrazione che attraversano il materiale, modificando il colore e la luminosità in base a ciò che incontrano. Impressionante, vero?
Sconfiggere le sfide computazionali: BVH e GPU moderne
Abbiamo visto quanto il Path Tracing sia intensivo in termini di calcolo. Un’animazione di venti minuti, con ventiquattro fotogrammi al secondo, può richiedere oltre un quadrilione di raggi! Per decenni, questo ha reso il Path Tracing “impossibile” per la produzione di massa.
Una delle sfide principali era capire quale, tra milioni di triangoli in una scena, venisse colpito per primo da un raggio. La soluzione a questo rompicapo si chiama Bounding Volume Hierarchy (BVH). In pratica, i triangoli della scena vengono raggruppati in “scatole” (bounding volumes) sempre più piccole, formando una struttura ad albero binario. Un raggio che attraversa la scena esegue semplici calcoli di intersezione con queste scatole, “attraversando” i rami della BVH fino a raggiungere una scatola finale che contiene solo pochi triangoli. A quel punto, il calcolo dell’intersezione raggio-triangolo viene eseguito solo su quei pochi triangoli, riducendo drasticamente il numero di operazioni necessarie.
Ma una singola immagine richiede comunque centinaia di miliardi di raggi. La vera svolta è arrivata con le GPU (Graphics Processing Unit) di nuova generazione. Aprendone una, si scoprono migliaia di core CUDA (o shading core) e, soprattutto, i RT Cores (Ray Tracing Cores). Questi ultimi sono progettati e ottimizzati specificamente per eseguire il Ray Tracing. I core RT gestiscono l’attraversamento BVH in nanosecondi e calcolano rapidamente l’intersezione raggio-triangolo. Lavorando in parallelo, i core RT possono gestire miliardi di raggi al secondo, rendendo possibile renderizzare scene complesse in pochi minuti.
Basti pensare che il supercomputer più potente del 2000 costava 110 milioni di dollari e faceva 12,3 trilioni di operazioni al secondo. Oggi, una GPU Nvidia 3090, che costa poche migliaia di euro, ne esegue 36 trilioni al secondo! È incredibile come tale potenza di calcolo si sia miniaturizzata in una scheda grafica, rendendo la CGI di alta qualità accessibile anche da un computer desktop.
Il Ray Tracing nei videogiochi: scorciatoie per il tempo reale
Se il Path Tracing è il re della resa cinematografica, nei videogiochi l’applicazione del Ray Tracing richiede compromessi per garantire un’esperienza fluida in tempo reale. Esistono diverse tecniche:
Una di queste è simile al Path Tracing, ma con delle scorciatoie. Per un ambiente di gioco, si crea una copia a bassissima risoluzione di tutti i modelli. Su questa copia si applica il Path Tracing per calcolare l’illuminazione diretta e indiretta, salvando i risultati in una light map. Questa light map viene poi applicata ai modelli ad alta risoluzione, simulando illuminazione e ombre realistiche. Questo metodo è ottimo per approssimare l’illuminazione indiretta ed è utilizzato in motori come l’Unreal Engine con il suo Lumen Renderer.
Un’altra tecnica completamente diversa è il Screen Space Ray Tracing. Questo metodo non usa la geometria della scena intera, ma si basa sui dati già generati dalla pipeline di rendering grafico del videogioco per creare l’immagine 2D sullo schermo. Utilizzando una depth map (che indica la distanza di ogni pixel dalla telecamera) e una normal map (che mostra la direzione in cui è rivolto ogni pixel), si può ottenere un’approssimazione delle coordinate 3D degli oggetti e della loro orientazione.
Con questa “scena semplificata” si possono simulare effetti come i riflessi. Ad esempio, per capire cosa si riflette su un lago, i raggi vengono fatti rimbalzare dai pixel del lago usando la normal map, attraversando la geometria semplificata fino a colpire gli alberi dietro, creando così il riflesso. Il limite del Screen Space Ray Tracing è che può usare solo i dati visibili sullo schermo. Se un oggetto esce dalla visuale della telecamera, non sarà più visibile nel riflesso. Inoltre, non permette riflessi di oggetti che si trovano dietro la telecamera. Questa tecnica, insieme ad altri algoritmi, è impiegata in giochi come *Cyberpunk*.
Il Ray Tracing è un vero e proprio melting pot di discipline: dalla fisica della luce alla trigonometria, dai vettori agli algoritmi e all’ingegneria hardware. È una tecnologia che continua a evolversi, spingendo i confini di ciò che è possibile in termini di realismo visivo, sia sul grande schermo che nei nostri videogiochi preferiti.
Domande Frequenti
Cos’è il Path Tracing e in cosa differisce dal Ray Tracing?
Il Ray Tracing è un’ampia categoria di algoritmi che simulano il percorso dei raggi luminosi. Il Path Tracing è una tecnica specifica e avanzata di Ray Tracing, considerata lo standard industriale per il rendering iperrealistico in film e TV. La sua peculiarità è la capacità di calcolare l’illuminazione globale (diretta e indiretta) simulando i rimbalzi multipli dei raggi luminosi da una telecamera virtuale, anziché da una sorgente di luce, per catturare effetti di luce e ombra estremamente dettagliati e naturali.
Quali sono le principali fasi per creare una scena CGI realistica?
La creazione di una scena CGI passa attraverso diverse fasi: modellazione (costruzione degli oggetti in 3D, spesso scomposti in triangoli), texturizzazione (applicazione di colori e proprietà dei materiali), posizionamento delle luci (per definire intensità e direzione dell’illuminazione), aggiunta di una telecamera virtuale (per stabilire il punto di vista) e infine il rendering (il processo computazionale che simula l’interazione della luce per trasformare i modelli in un’immagine o animazione realistica).
Come vengono risolte le immense sfide computazionali del Path Tracing?
Le enormi sfide computazionali del Path Tracing sono affrontate principalmente in due modi: con l’uso di algoritmi ottimizzati come la Bounding Volume Hierarchy (BVH) e grazie all’hardware specializzato delle GPU moderne. La BVH organizza la geometria della scena in una struttura ad albero, riducendo notevolmente il numero di calcoli necessari per determinare quale oggetto viene colpito da un raggio. Le GPU attuali, in particolare quelle dotate di RT Cores, sono progettate specificamente per eseguire il Ray Tracing in modo parallelo ed efficiente, gestendo miliardi di raggi al secondo e rendendo il rendering di scene complesse un processo molto più rapido di quanto fosse in passato.
