Ray tracing et path tracing : définitions et différence, avec Cycles et EEVEE dans Blender

On oppose souvent les deux termes, alors que l’un contient l’autre. Les menus cités sont ceux de l’interface anglaise de Blender 5.2, et les valeurs par défaut ont été vérifiées dans son manuel et son code source.

Le ray tracing, ou lancer de rayons

Le ray tracing calcule une image en suivant des rayons. Pour chaque pixel, le moteur envoie un rayon depuis la caméra et cherche la première surface qu’il rencontre. De là, il en lance d’autres : vers chaque lumière, pour savoir si le point est dans l’ombre ; dans la direction miroir, pour un reflet ; à travers la surface, pour la réfraction. Cela suffit pour des reflets nets, du verre clair et des ombres franches.

Les rayons partent de la caméra, à l’inverse de la lumière réelle : selon le manuel de Cycles, aucun rayon n’est perdu pour une lumière qui n’atteindrait jamais la caméra, mais certains chemins importants deviennent difficiles à trouver.

Dans les jeux vidéo, « ray tracing » désigne en général un usage partiel : l’image est rastérisée, et un nombre limité de rayons améliore des effets choisis, reflets, ombres ou éclairage global. En présentant en 2023 le mode Overdrive de Cyberpunk 2077, NVIDIA a appelé le path tracing « full ray tracing », par opposition aux techniques antérieures qui traitaient séparément ombres, reflets et éclairage global, pour un petit nombre de sources de lumière.

Le path tracing : des chemins aléatoires, beaucoup par pixel

La lumière renvoyée par un mur mat, les ombres douces et les reflets flous demandent de nombreux rayons dans de nombreuses directions. Le path tracing les obtient tous par le même procédé : pour chaque pixel, il suit un chemin qui part de la caméra et rebondit de surface en surface, chaque direction étant tirée au hasard, puis recommence. La moyenne de ces chemins donne la couleur du pixel.

La théorie remonte à The Rendering Equation, l’article présenté par James Kajiya au SIGGRAPH de 1986 : une équation intégrale pour la lumière échangée entre les surfaces, et une solution de Monte Carlo, qui tire des directions au hasard et en fait la moyenne.

Le manuel présente Cycles comme le path tracer physique de Blender pour le rendu de production, avec next event estimation : à chaque rebond, un rayon part droit vers une source de lumière connue pour l’éclairage direct, puis le chemin continue dans une direction tirée selon le BSDF de la surface (la fonction qui décrit comment le matériau diffuse la lumière). Il s’arrête sur une lumière, un maillage émissif ou le fond du monde, ou à la limite de rebonds.

Un seul chemin par pixel donne une image mouchetée. Max Samples, dans Render Properties > Sampling > Render, est le nombre de chemins tracés par pixel : à mesure qu’ils s’accumulent, la moyenne se stabilise.

Tableau comparatif

La rastérisation et EEVEE

La rastérisation procède à l’inverse : elle projette les triangles sur l’écran et détermine quelle surface est visible dans chaque pixel. Selon son manuel, EEVEE est fondé sur la rastérisation et n’est pas un path tracer ; une fois la surface visible connue, il estime l’éclairage par une série d’algorithmes. Il partage les nœuds de shader de Cycles, ce qui permet de changer de moteur sans refaire les matériaux.

Ce qui a changé avec Blender 4.2

EEVEE a été réécrit pour Blender 4.2. D’après les notes de version, il utilise désormais le ray tracing en espace écran pour chaque BSDF, et ses ombres douces viennent du shadow map ray tracing. Les tutoriels antérieurs montrent une case Screen Space Reflections, devenue le panneau Raytracing des Render Properties, et une option Screen Space Refraction, devenue Raytraced Transmission dans le panneau Settings du matériau.

Comment EEVEE trace ses rayons

Dans le panneau Raytracing, Method propose Light Probe, le moins coûteux, qui cherche les intersections avec les light probes (sphères et plans) placés dans la scène, et Screen-Trace, qui trace les rayons contre le depth buffer et se replie sur les light probes quand un rayon sort du champ. La case du panneau est décochée dans un nouveau fichier : EEVEE passe alors par un pipeline plus rapide fondé sur des light probes pré-filtrés.

Selon la page des limitations du manuel, l’intersection rayon-triangle n’est pas prise en charge : le depth buffer sert de scène approchée. Un objet caché derrière un autre est ignoré, et les effets disparaissent au bord de l’image (l’option Overscan du panneau Film corrige en partie). Les matériaux Blended ne sont pas compatibles avec le ray tracing, et un seul événement de réfraction est modélisé correctement.

Le bruit et le débruitage

Le bruit est le prix du tirage au hasard. Dans l’exemple du manuel de Cycles, un point est éclairé en partie par le reflet d’une lampe sur une sphère brillante voisine : un pixel dont les rayons, tirés au hasard sur l’hémisphère, manquent ce reflet sort plus sombre que son voisin qui l’a trouvé. C’est le grain, qui s’efface à mesure que les échantillons s’accumulent.

En intégration de Monte Carlo avec des échantillons indépendants, l’écart type de l’estimation, qui se voit comme du bruit, baisse comme 1/√N pour N échantillons : le diviser par deux en demande environ quatre fois plus. Cycles contourne ce coût de deux façons.

• L’échantillonnage adaptatif : avec la case Noise Threshold cochée, ce qui est le cas par défaut (0,01 pour le rendu final, 0,1 dans la vue 3D), Cycles arrête d’échantillonner les pixels déjà propres.
• Le débruitage : actif par défaut pour le rendu final, avec OpenImageDenoise, celui qui donne en général la meilleure qualité selon le manuel. Le débruiteur OptiX, réservé à NVIDIA, accélère le débruitage sur certaines cartes anciennes où OpenImageDenoise ne le fait pas. Gardez au moins la passe Albedo : le manuel prévient que None peut effacer des détails avec peu d’échantillons.

Les fireflies, ces pixels très clairs isolés, viennent de chemins rares qui portent beaucoup de lumière ; les caustiques en sont la source classique. Dans Light Paths, Clamping > Indirect Light (10 par défaut) plafonne leur intensité, Filter Glossy (1,0 par défaut) floute les reflets nets vus à travers un reflet rugueux, et les cases Reflective et Refractive des caustiques les désactivent. Chaque réglage échange un peu d’exactitude contre une image plus propre.

Le ray tracing d’EEVEE a son propre sous-panneau Denoising, qui nettoie son bruit au prix, selon le manuel, de fuites de lumière, d’un biais de couleur et de flou.

Les rebonds : le panneau Light Paths de Cycles

La longueur des chemins se règle dans Render Properties > Light Paths > Max Bounces. L’idéal, rappelle le manuel, serait un nombre infini ; en pratique, moins de rebonds peuvent suffire, et en laisser de côté fait converger plus vite. Les valeurs par défaut de Blender 5.2 :

Le menu de presets de l’en-tête du panneau propose Default, Direct Light, Limited Global Illumination, Fast Global Illumination et Full Global Illumination (32 partout). Selon le manuel, les surfaces diffuses se contentent de peu de rebonds, les brillantes en demandent un peu plus, et le verre le plus. Si un verre noircit, relevez Transmission et Total ensemble : Total coupe le chemin quel que soit le type de rebond. Fast GI Approximation, dans le même panneau, remplace l’éclairage global par de l’occlusion ambiante après un nombre de rebonds choisi. Le rôle de la lumière qui rebondit dans une scène est expliqué dans le guide éclairage dans Blender.

Pourquoi le path tracing coûte du temps de GPU

Le travail croît avec le nombre de pixels, d’échantillons par pixel et de rebonds par chemin. Chaque échantillon est un chemin complet, et chaque rebond ajoute un rayon à croiser avec la scène et une surface à calculer. Cycles fixe Max Samples à 4 096 pour le rendu final et à 1 024 dans la vue 3D : ce sont des plafonds, que l’échantillonnage adaptatif abaisse partout où les pixels sont déjà propres ; Time Limit, dans le même panneau, arrête le rendu au bout d’un temps fixé.

Light Tree, actif par défaut, choisit les lumières selon leur distance et leur intensité estimée : il peut réduire nettement le bruit, pour un temps un peu plus long par échantillon. Path Guiding apprend les directions de lumière importantes dans les cas difficiles, comme une pièce éclairée par une porte entrouverte, mais seulement sur le processeur. La page accélérer un rendu Blender passe en revue les leviers qui réduisent ce coût.

Le matériel : RT cores, OptiX et les autres backends

Trouver la surface que touche un rayon est l’opération qu’un path tracer répète sans cesse ; les cartes graphiques récentes ont des unités dédiées, que NVIDIA appelle RT cores. Dans Cycles, le backend se choisit dans Edit > Preferences > System > Cycles Render Devices, puis Device passe sur GPU Compute.

• NVIDIA : CUDA et OptiX demandent tous deux une compute capability de 5.0 ou plus, mais seul OptiX exploite l’accélération matérielle du ray tracing des cartes RTX. Depuis Blender 5.2, il exige le pilote 575 ou plus récent. Le guide OptiX dans Blender détaille le réglage.
• AMD, Intel, Apple : HIP fonctionne sur les cartes RDNA1 et plus récentes ; son ray tracing matériel (case HIP RT des préférences) vaut à partir des Radeon RX 6000 et est actif par défaut depuis Blender 5.1. oneAPI accélère aussi le ray tracing par le matériel sur Intel Arc, et Metal l’utilise par défaut (MetalRT) sur les puces Apple M3 et plus récentes.

Cycles sait aussi calculer sur plusieurs cartes graphiques et, selon le backend, sur le processeur et la carte ensemble. EEVEE ignore tous ces réglages : il passe par le pilote graphique, sur une seule carte. Pour choisir une machine, voir le guide PC pour le rendu 3D.

Cycles ou EEVEE : lequel choisir

Un nouveau fichier démarre sur EEVEE ; Render Engine, en haut des Render Properties, change de moteur. Le manuel d’EEVEE reconnaît lui-même que Cycles donnera toujours un rendu plus juste physiquement, les BSDF d’EEVEE étant des approximations.

• Prenez Cycles quand la lumière indirecte fait l’image (intérieur éclairé par une fenêtre), pour le verre, les liquides et les caustiques, pour des objets réfractants superposés, pour des reflets exacts de ce qui sort du cadre, et pour des volumes qui doivent diffuser la lumière plusieurs fois ou apparaître dans les reflets, ce qu’EEVEE ne fait pas.
• Prenez EEVEE pour le retour en temps réel, les rendus stylisés, le motion design, les prévisualisations et les animations où la vitesse compte plus que l’exactitude physique.

Un piège : le mode d’affichage Material Preview passe toujours par EEVEE, jugez donc le verre et les reflets en mode Rendered, avec le moteur final. Le guide rendu dans Blender reprend tout le parcours, et le guide rendu photoréaliste dans Blender montre comment tirer le meilleur de Cycles.