Unreal Engine 5: um vislumbre do que a nova geração tem a oferecer

Em agosto de 2020, quando os novos consoles ainda nem haviam chegado ao mercado, a Epic Games anunciou seu novo motor gráfico para desenvolvimento de jogos: o Unreal Engine 5. O anúncio foi feito através de uma demo técnica, um trecho de jogo que rodou em tempo real no PlayStation 5 e deixou todos boquiabertos por mostrar uma qualidade gráfica e um nível de realismo nunca antes vistos.


A qualidade da iluminação e a quantidade absurda de polígonos na tela, beirando a qualidade de um filme pré-renderizado, foram as características que mais chamaram a atenção naquela apresentação. "Lumen in the Land of Nanite", nome daquela tech demo, apresentou as duas maiores inovações tecnológicas trazidas pelo Unreal 5: o Lumen e o Nanite.

Vamos conhecer agora um pouco sobre o Lumen e sobre o Nanite: o que são, como funcionam e qual impacto deverão ter na nova geração de videogames.

Lumen: uma revolução no uso da luz nos videogames

A nova tecnologia de iluminação trazida pelo Unreal Engine 5, batizada de Lumen, chegou para disputar o lugar que até então era dominado pelo ray tracing. A iluminação é um fator essencial para se atingir uma qualidade visual convincente em qualquer cena gerada por computador.

Para isso é preciso que seja executada uma série de cálculos complexos para determinar como a luz se comporta e interage com os objetos presentes na cena. Os cálculos envolvem a intensidade, o ângulo e a posição da luz na cena; o material de cada objeto e como esses refletem a iluminação; e a posição e o ângulo da câmera do jogador em relação ao cenário. Com esses cálculos, o sistema consegue definir e aplicar as sombras e os reflexos nos locais apropriados e com a intensidade correta.

Porém esse é um processo que demanda bastante processamento, o que acaba se tornando um desafio principalmente quando falamos de seu uso em games, onde tudo é processado em tempo real e cada quadro precisa ser calculado e renderizado para o jogador em uma fração de segundo.

Os desenvolvedores utilizam algumas técnicas interessantes para simular iluminação e reflexos que funcionam bem e que têm relativamente pouco impacto na performance. Uma delas é a técnica de se renderizar no cenário do jogo as sombras estáticas. Por exemplo, uma casa em um ponto do jogo onde a luz do Sol não sofrerá alterações na posição e no ângulo não precisará passar por mudanças na sua sombra que é projetada no chão. Por isso, essa sombra é pré-renderizada, como se fosse pintada no chão do cenário, já no processo do desenvolvimento do jogo. E assim, quando o game estiver rodando, não precisará renderizar novamente essa sombra, ganhando bastante em termos de desempenho.

Mas essa técnica acaba não funcionando para casos onde existem mais fontes de luz na tela, como, por exemplo, em jogos mais focados em ação, com tiros e explosões para todo lado. Nesses casos as sombras geradas dessa forma acabam destoando do restante e ficando bastante artificiais.

Buscando um maior realismo na simulação de luz e sombra em tempo real para uso nos games foi desenvolvida a tecnologia do ray tracing, que consiste em mapear a câmera do jogador e utilizar essa informação para gerar as sombras e os reflexos do cenário de forma realista e o mais natural possível. O resultado é surpreendente, mas isso vem ao custo de uma carga enorme de processamento, o que impacta bastante no desempenho do jogo.

Por esse motivo, o ray tracing exige hardware específico, como os novos consoles PlayStation 5 e Xbox Series, ou placas de vídeo dedicadas de última geração — o que torna a tecnologia bastante cara e inacessível para a maior parte dos jogadores.

O Lumen chega então ao mercado para cobrir essa lacuna deixada pelo ray tracing. A nova tecnologia permite o processamento de cálculos avançados de iluminação e reflexos a um custo computacional bem baixo, em comparação com as outras tecnologias. Dessa forma o Lumen torna possível uma simulação realista do comportamento da luz no cenário virtual mesmo em hardwares mais básicos, o que acabou se tornando muito atraente para os desenvolvedores. 

A tecnologia do Lumen torna possível que os desenvolvedores deixem para trás toda a preocupação com técnicas como pré-renderização das sombras, que mencionamos anteriormente, pois com a novidade toda a iluminação do jogo é processada em tempo real, resultando em um ambiente muito mais realista e natural. Dessa forma os artistas conseguem uma liberdade muito maior ao criar os cenários do jogo, sabendo que o Lumen cuidará do resto.

Atualmente, com o Unreal 5 em acesso antecipado, o Lumen só funciona corretamente quando as cenas estão rodando em 30 frames por segundo. Mas, segundo a Epic Games, sua equipe está trabalhando duro para que o sistema suporte taxas de quadro maiores quando o motor for lançado em sua versão final.

Nanite: quebrando barreiras a favor da arte

Os desenvolvedores de games precisam se assegurar de que o jogo que estão produzindo não fique pesado a ponto de causar problemas de desempenho nas plataformas em que seu produto deverá rodar. Para isso, precisam utilizar alguns truques e ferramentas para conseguir que os modelos 3D que estão produzindo para o game fiquem os mais leves possíveis, mas sem comprometer a qualidade visual. E para complicar ainda mais o cenário, a maioria dos jogos são feitos com o objetivo de rodarem em diversos modelos de plataformas: desde o console de mesa mais fraco da geração passada até o PC com a placa gráfica mais nova.

Como os desenvolvedores conseguem criar jogos com gráficos tão incríveis e que, ao mesmo tempo, rodam de forma satisfatória nas plataformas em que são lançados? Boa parte disso é graças ao trabalho meticuloso executado pelos artistas técnicos, do qual vamos falar um pouco agora.

Você deve se lembrar da era do PlayStation 2, do GameCube e do primeiro Xbox. Bem parecido com o que ocorre hoje em relação ao 4K, ao ray tracing e aos 60fps, naquela época boa parte das conversas giravam em torno da quantidade de polígonos que cada console era capaz de reproduzir. Passada aquela geração, com os consoles ficando cada vez mais poderosos, o tema acabou sendo deixado de lado entre os jogadores e deu lugar a outras discussões, mas entre os desenvolvedores os polígonos ainda hoje são um assunto de grande relevância.

Isso porque, quanto mais polígonos, maior é a carga de processamento demandada das plataformas e maior o risco de ocorrerem problemas de desempenho. Para diminuir a quantidade de polígonos dos modelos 3D, os desenvolvedores fazem o uso de algumas técnicas bem interessantes, que conseguem causar uma ilusão de objetos e personagens extremamente detalhados utilizando quantidades relativamente baixas de polígonos. Algumas das técnicas mais importantes e mais usadas são a retopologia e os normal maps. Vou explicar de forma resumida como funcionam essas técnicas e depois vamos ver como o Nanite chegou para mudar tudo isso.

Imagine uma folha de papel. Essa folha, num ambiente virtual 3D, seria interpretada como um único polígono: um retângulo plano. Se dobrarmos essa folha, ela passará a ser processada como dois polígonos. Agora, imagine se pegássemos essa mesma folha e amassássemos até virar uma bola de papel, e depois disso abríssemos ela novamente. A folha estaria cheia de pequenas formas geométricas, relevos e vincos. Agora o processador precisaria interpretar cada uma dessas marcas deixadas no papel como um pequeno polígono individual e, por isso, a demanda de processamento seria bem maior do que no início.

Mas a folha de papel ainda é um retângulo. E se pudéssemos utilizar o retângulo original e fazer com que todas as outras marcas adicionadas posteriormente fossem processadas de uma forma que utilizasse bem menos poder computacional? É aí que entra a técnica do normal map. Com essa técnica o artista pode coletar uma imagem estática que mapeia todos os relevos do modelo 3D, e a partir daí o motor gráfico é capaz de renderizar todos esses relevos sobre o modelo sem que seja preciso processar polígonos adicionais para cada detalhe da superfície, ganhando muito em termos de performance na hora de rodar o jogo.

Já a técnica da retopologia é muito utilizada em modelos orgânicos, como humanos e criaturas. Funciona assim: primeiro, o artista trabalha no modelo utilizando ferramentas de modelagem e de escultura digital, sem se preocupar muito com a quantidade de polígonos, o que poderia atrapalhar na hora da criação. Com o modelo pronto, o qual talvez esteja com milhões de polígonos, vem a hora da retopologia, que é basicamente envolver o modelo original com uma nova camada de modelagem com o menor número de polígonos possível, e depois substituir o original por essa nova camada. Em partes do modelo onde os detalhes são mais complexos ou muito pequenos o artista utiliza a técnica do normal map que mencionamos acima. Assim, no final do trabalho, o artista terá um modelo bem parecido com o original, mas com menos polígonos, e o normal map conterá os detalhes mais complexos da superfície do modelo, resultando em um personagem ou um objeto bem mais leve.

Essas duas técnicas mencionadas acima são bem interessantes e funcionam muito bem, porém demandam um grande tempo e esforço dos desenvolvedores, que poderiam ser melhor usados em outros aspectos da produção do jogo.

A tecnologia do Nanite chegou para pôr um fim em todo esse trabalho extra e com a preocupação com a complexidade dos modelos. Imagine se um modelo 3D ultradetalhado pudesse sair do software de modelagem e escultura digital e ir direto para o motor de jogo, sem precisar passar pelo demorado processo de retopologia e nem mesmo dos normal maps. As inovações trazidas pelo Nanite sem dúvida facilitarão bastante o trabalho dos desenvolvedores, e melhor ainda: os artistas não precisarão mais se preocupar com a complexidade de seus modelos, tendo assim uma liberdade maior para trabalhar.

Unreal 5 e o futuro

Com as novas tecnologias apresentadas pelo Unreal Engine 5, podemos esperar um avanço significativo nos videogames, principalmente no que diz respeito a qualidade visual e desempenho. O Nanite permitirá o uso de personagens, objetos e cenários muito mais detalhados, e poderá também apresentar a possibilidade de cada vez mais jogos trazerem cenários e objetos destrutíveis, algo que vemos pouco atualmente devido à preocupação com a contagem de polígonos.

O Lumen, por sua vez, tornará possível desfrutarmos de uma iluminação realista e de qualidade similar à do ray tracing, mas sem precisar de um hardware de última geração. Isso também significa que nos novos consoles o uso do Lumen poderá fornecer os efeitos de sombras e reflexos avançados sem grande impacto na taxa de quadros, como acontece hoje. 

Atualmente já temos alguns jogos anunciados que estão sendo produzidos dentro do novo motor da Epic. Entre eles estão Dragon Quest XII, eFootball PES 2022, um novo Gears of War, Stalker 2 e Black Myth: Wukong. Esse último tem sido um grande destaque por seus vídeos de gameplay mostrando gráficos incríveis. 

Resta-nos agora aguardar para ver o que a nova geração, somada às possibilidades abertas pelo Unreal Engine 5, irá nos proporcionar. Mas de uma coisa podemos ter certeza: essa geração promete ainda nos impressionar bastante nos anos à frente.

Revisão: Ives Boitano