Uma breve lista de técnicas de renderização usadas em jogos AAA modernos

Por Oleg Sidorkin, CTO e cofundador da Cinevva

Se você abrir o pipeline de renderização de um jogo AAA de 2026, verá que a maior parte do que há ali deriva de um pequeno conjunto de técnicas adotadas por diferentes estúdios. Os nomes mudam entre as engines, mas as ideias são as mesmas. Aqui está uma breve lista do que realmente faz o trabalho na tela, com uma figura e algumas referências técnicas detalhadas para cada item.

1. Renderização baseada em física (PBR)

Os materiais são descritos por texturas de albedo, rugosidade, metalicidade, normais e oclusão de ambiente, e iluminados por shaders que conservam energia (especular Cook-Torrance e difuso Lambertiano ou Disney). Essa é a base pressuposta por toda engine AAA moderna. Se uma superfície parece consistente sob a luz do sol, de uma lâmpada e de uma lanterna, é graças ao PBR.

Aprofundamentos:

• Burley, Sombreamento baseado em física na Disney (as notas originais do curso sobre a "BRDF Disney", SIGGRAPH 2012).
• Karis, Sombreamento real na Unreal Engine 4 (SIGGRAPH 2013, a apresentação de referência sobre PBR na UE4).
• Lagarde e de Rousiers, Migrando a Frostbite para renderização baseada em física 3.0 (SIGGRAPH 2014, o pipeline completo da Frostbite).
• Real-Time Rendering, 4ª edição, capítulo 9 (a referência bibliográfica).

2. Sombreamento diferido e com buffer de visibilidade

Primeiro, a geometria grava atributos (normais, IDs de materiais e profundidade) em um G-buffer ou buffer de visibilidade. A iluminação é executada como um passe em tela cheia que lê esses buffers e sombreia cada pixel uma única vez. Os buffers de visibilidade (usados pelo Nanite e por sistemas semelhantes) levam isso ainda mais longe ao armazenar apenas IDs de triângulos e resolver posteriormente os parâmetros de material por pixel, o que mantém baixo o custo de overdraw em geometrias densas.

Aprofundamentos:

• Engel, Sombreamento diferido (NVIDIA, a apresentação que estabeleceu os fundamentos).
• Burns e Hunt, O buffer de visibilidade: uma abordagem amigável ao cache para sombreamento diferido (JCGT 2013, o artigo original sobre buffers de visibilidade).
• Wihlidal, "Otimizando o pipeline gráfico com computação" (GDC 2016, o caminho diferido da Frostbite baseado em computação).
• Karis, Stubbe, Wihlidal, Uma análise aprofundada da geometria virtualizada do Nanite (SIGGRAPH 2021, incluindo uma explicação detalhada do buffer de visibilidade do Nanite).

3. Geometria virtualizada (ao estilo Nanite)

As malhas são pré-processadas em uma hierarquia de clusters. Em tempo de execução, a GPU transmite e seleciona clusters na resolução correspondente a cada pixel, oferecendo detalhes precisos em escala subpixel sem LODs manuais. O Nanite da Unreal é o exemplo mais conhecido. Outras engines agora incluem suas próprias variantes. O resultado prático são assets com qualidade cinematográfica em tempo real, sem a necessidade de criar LODs.

Aprofundamentos:

• Karis, Stubbe, Wihlidal, Uma análise aprofundada da geometria virtualizada do Nanite (SIGGRAPH 2021).
• Brian Karis, Apresentação sobre o Nanite na GDC 2021 (uma explicação acessível em vídeo).
• Liktor, Arquitetura do pipeline de renderização de geometria na Activision (renderização baseada em clusters, 2021).
• Schied et al., Filtragem guiada por variância espaço-temporal (técnicas relacionadas de descarte de clusters).

4. Ray tracing em tempo real para sombras, reflexos e AO

O ray tracing por hardware (DXR, Vulkan RT) traça raios de sombra, raios de reflexos espelhados e brilhantes e raios de oclusão de ambiente contra uma BVH construída a cada quadro. Mesmo poucos raios por pixel superam o que as técnicas em espaço de tela conseguem fazer, especialmente para reflexos de elementos fora da tela e sombras de contato. A maioria dos jogos o utiliza de forma cirúrgica, não para tudo.

Aprofundamentos:

• Microsoft, Especificação funcional do DirectX Raytracing (DXR) (a referência da API).
• Wyman, Introdução ao DirectX Raytracing (as notas do curso da SIGGRAPH, bastante acessíveis).
• Boksansky e Marrs, Ray Tracing Gems II, capítulos 17–19 (PDF gratuito, técnicas modernas de DXR).
• Stachowiak, Reflexos estocásticos em espaço de tela (Frostbite, a ponte entre SSR e RT).

5. Ray tracing por software (ao estilo Lumen)

Nem todo jogador tem uma placa RTX, então as engines também oferecem alternativas baseadas em campos de distância ou caches de superfície. O Lumen da Unreal, por exemplo, traça raios contra campos de distância com sinal e caches de superfície para obter GI difusa com baixo custo, recorrendo a raios por hardware apenas quando necessário. É assim que jogos AAA conseguem um "visual de ray tracing" nos consoles.

Aprofundamentos:

• Wright et al., Lumen: iluminação global em tempo real na Unreal Engine 5 (SIGGRAPH 2022, o artigo sobre o Lumen).
• Epic Games, Detalhes técnicos do Lumen (documentação oficial da engine).
• Wright, Cache de radiância para iluminação global em tempo real (SIGGRAPH 2021).
• Wright, Apresentação sobre o Lumen na GDC 2022 (versão em vídeo).

6. ReSTIR e amostragem por reservatórios

Para iluminação direta e indireta com milhares de fontes de luz, o ReSTIR (reamostragem de importância espaço-temporal por reservatórios) reutiliza amostras de luz entre pixels e quadros. É assim que jogos como Cyberpunk 2077 com Path Tracing mantêm baixo o nível de ruído usando um ou dois raios por pixel. A tendência é que apareça em mais engines à medida que o path tracing se torna o objetivo para sistemas de alto desempenho.

Aprofundamentos:

• Bitterli et al., Reamostragem por reservatórios espaço-temporais para ray tracing em tempo real com iluminação direta dinâmica (SIGGRAPH 2020, o artigo original sobre o ReSTIR).
• Ouyang et al., ReSTIR GI: reamostragem de trajetórias para path tracing em tempo real (HPG 2021, ReSTIR para iluminação indireta).
• Lin et al., Amostragem de importância reamostrada generalizada (SIGGRAPH 2022, os fundamentos matemáticos).
• NVIDIA, Análise técnica aprofundada do path tracing de Cyberpunk 2077 (blog de engenharia).

7. Nuvens volumétricas, neblina e atmosfera

Os céus são percorridos por ray marching através de ruído 3D e volumes de densidade. A atmosfera usa tabelas de espalhamento pré-calculadas (ao estilo Bruneton) para as transições do sol e da lua. A neblina usa uma grade de froxels — imagine uma textura 3D alinhada ao frustum de visão — que captura a iluminação local. Juntas, essas técnicas proporcionam um "clima como sistema" em vez de uma skybox.

Aprofundamentos:

• Schneider, As paisagens de nuvens volumétricas em tempo real de Horizon Zero Dawn (SIGGRAPH 2015, a referência de nuvens).
• Hillaire, Uma técnica escalável e pronta para produção de renderização de céu e atmosfera (EGSR 2020, a sucessora moderna da técnica de Bruneton usada na UE5).
• Wronski, Neblina volumétrica: uma solução unificada baseada em compute shaders para espalhamento atmosférico (SIGGRAPH 2014, a neblina de froxels de Assassin's Creed 4).
• Hillaire, Renderização volumétrica unificada e baseada em física na Frostbite (SIGGRAPH 2015).

8. Mapas de sombras em cascata e mapas de sombras virtuais

Para as sombras do sol, mapas de sombras em cascata dividem o frustum em intervalos e renderizam cada um na resolução apropriada. Mapas de sombras virtuais vão além: um único mapa de sombras enorme é dividido em páginas, e apenas as páginas visíveis pela câmera são renderizadas. É assim que jogos AAA mantêm sombras nítidas perto do jogador sem um consumo gigantesco de memória.

Aprofundamentos:

• Dimitrov, Mapas de sombras em cascata (whitepaper da NVIDIA, a referência padrão).
• Microsoft, Técnicas comuns para melhorar mapas de profundidade de sombras (documentação do DirectX).
• Wright, Mapas de sombras virtuais no Capítulo 4 de Fortnite Battle Royale (SIGGRAPH 2023, a apresentação sobre VSM da UE5).
• Epic Games, Documentação sobre mapas de sombras virtuais.

9. Efeitos em espaço de tela (SSAO, SSR, SSGI, SSSSS)

Ler os buffers de profundidade e normais com baixo custo permite obter oclusão de ambiente (SSAO), reflexos (SSR), iluminação global com um rebatimento (SSGI) e espalhamento subsuperficial para a pele (SSSSS). Essas técnicas não capturam detalhes fora da tela, motivo pelo qual o ray tracing vem ganhando espaço, mas continuam presentes em toda parte como uma base rápida.

Aprofundamentos:

• Mittring, Encontrando a próxima geração: CryENGINE 2 (SIGGRAPH 2007, o artigo original sobre SSAO).
• McGuire et al., Obscurância de ambiente escalável (HPG 2012, SSAO moderno).
• Stachowiak e Uludag, Reflexos estocásticos em espaço de tela (Frostbite, a referência sobre SSR).
• Jimenez, Espalhamento subsuperficial separável (a técnica usada para pele na maioria das engines AAA).
• Mara et al., Espaço de tela profundo (Activision, parte da linhagem do SSGI).

10. Antisserrilhamento temporal e upscaling por ML (DLSS, FSR, XeSS)

O quadro é renderizado em uma resolução interna mais baixa e reconstruído usando vetores de movimento, profundidade e histórico. Os upscalers baseados em ML (DLSS 3/4, FSR 3, XeSS) também acrescentam geração de quadros, interpolando quadros intermediários a partir do fluxo óptico. Hoje, a maioria dos títulos AAA é lançada pressupondo que algum upscaler estará ativado, o que muda a forma de distribuir o orçamento de processamento do restante do quadro.

Leituras aprofundadas: - Karis, [Superamostragem temporal de alta qualidade](http://advances.realtimerendering.com/s2014/index.html#_HIGH-QUALITY_TEMPORAL_SUPERSAMPLING) (SIGGRAPH 2014, a palestra de referência sobre TAA). - Salvi, [Uma incursão pela superamostragem temporal](https://research.nvidia.com/sites/default/files/pubs/2016-03_An-Excursion-in/dlss_DTAA-2-2.pdf) (NVIDIA, no caminho até o DLSS). - Edelsten, [Verdadeiramente de nova geração: adicionando aprendizado profundo a jogos e gráficos](https://www.gdcvault.com/play/1026184/) (GDC 2019, arquitetura do DLSS). - AMD, [Detalhes técnicos do FidelityFX Super Resolution 3](https://gpuopen.com/fidelityfx-super-resolution-3/) e Intel, [Artigo técnico do XeSS](https://www.intel.com/content/www/us/en/developer/articles/technical/intel-xess-technical-paper.html).

11. Renderização orientada pela GPU e mesh shaders

O descarte, a seleção de LOD e o envio de chamadas de desenho são executados integralmente na GPU. Mesh shaders substituem o pipeline de vértices/geometria/tesselação por um estágio mais flexível, semelhante a computação, que emite meshlets. Em conjunto com multi-draw indirect, isso mantém a CPU completamente fora do loop crítico por objeto.

Leituras aprofundadas:

• Haar e Aaltonen, Pipelines de renderização orientados pela GPU (SIGGRAPH 2015, a palestra fundamental sobre Assassin's Creed Unity).
• Wihlidal, Otimizando o pipeline gráfico com computação (GDC 2016, descarte orientado pela GPU da Frostbite).
• Kubisch, Introdução aos mesh shaders de Turing (NVIDIA, uma introdução aos mesh shaders).
• Pesce, Um passeio relâmpago pelos mesh shaders (e blogs de engenharia semelhantes reunidos nas análises com RenderDoc de Adrian Courrèges).

12. Renderização de cabelo, tecido e pele

O cabelo usa sombreamento anisotrópico no estilo Marschner com geometria baseada em fios (NVIDIA HairWorks, AMD TressFX ou sistemas nativos do motor). O tecido é simulado na GPU com dinâmica baseada em posições e renderizado com reflexão especular anisotrópica. A pele usa espalhamento subsuperficial em espaço de tela, além de iluminação envolvente pré-integrada. Normalmente, é nesses três elementos que se percebe a diferença de orçamento entre produções AAA e independentes.

Leituras aprofundadas:

• Marschner et al., Espalhamento da luz em fibras de cabelo humano (SIGGRAPH 2003, o modelo fundamental de cabelo).
• Chiang et al., Um modelo prático e controlável de cabelo e pelos para path tracing em produção (Disney 2016, amplamente usado em aproximações em tempo real).
• Müller et al., Dinâmica baseada em posições (a referência padrão para simulação de tecidos).
• Jimenez et al., Espalhamento subsuperficial separável e Translucidez de pele realista em tempo real.

13. Decalques, texturização virtual e camadas de materiais

A variação das superfícies vem de decalques em camadas (marcas de bala, sujeira, sangue, encardido) projetados no buffer de profundidade, além de texturas virtuais que transmitem detalhes em alta resolução no momento exato em que são necessários. As camadas de materiais combinam vários conjuntos PBR por pixel usando máscaras e projeção triplanar, fazendo com que uma única rocha pareça cinco rochas diferentes.

Leituras aprofundadas:

• Pranckevičius, Decalques diferidos e continuações (a clássica série de artigos de Aras).
• Mittring, A tecnologia por trás da demonstração "Unreal Engine 4 Elemental" (SIGGRAPH 2012, inclui detalhes sobre texturização virtual).
• van Waveren, Desafios da id Tech 5: da virtualização de texturas à paralelização em massa (SIGGRAPH 2009, a palestra sobre MegaTexture).
• Williams, Camadas de materiais em The Order: 1886 (GDC 2014, materiais PBR em camadas).

14. Transparência independente de ordem

Cabelos, folhagens, partículas e vidros não podem ser ordenados de forma simples. Motores AAA usam técnicas como OIT com combinação ponderada, descascamento de profundidade ou listas encadeadas por pixel para renderizá-los corretamente sem uma etapa de ordenação na CPU. Discretamente, essa é uma das partes mais caras do quadro em cenas com muita folhagem.

Leituras aprofundadas:

• McGuire e Bavoil, Transparência independente de ordem com combinação ponderada (JCGT 2013, o artigo sobre WBOIT).
• Bavoil e Myers, Transparência independente de ordem com descascamento duplo de profundidade (white paper da NVIDIA).
• Yang et al., Construção simultânea de listas encadeadas em tempo real na GPU (a referência sobre listas encadeadas por pixel).
• Wyman, Explorando e expandindo o contínuo de algoritmos de OIT (HPG 2016, estudo comparativo).

15. Cache neural de radiância e removedores de ruído com ML

A camada mais recente. O cache neural de radiância da NVIDIA aprende a iluminação indireta de cada cena e a consulta em vez de traçar mais raios. Removedores de ruído com ML (OptiX, Intel Open Image Denoise e soluções internas personalizadas) limpam sinais esparsos de ray tracing em milissegundos. Esta categoria deve crescer rapidamente ao longo dos próximos dois anos.

Leituras aprofundadas:

• Müller et al., Cache neural de radiância em tempo real para path tracing (SIGGRAPH 2021, o artigo sobre NRC).
• Schied et al., Filtragem espaçotemporal guiada por variância: reconstrução em tempo real para iluminação global com path tracing (HPG 2017, SVGF).
• Chaitanya et al., Reconstrução interativa de sequências de imagens Monte Carlo usando um autoencoder recorrente de remoção de ruído (SIGGRAPH 2017, o primeiro removedor de ruído recorrente com ML).
• Intel, Documentação do Open Image Denoise (removedor de ruído de código aberto para produção).

O que isso significa para o navegador

Já lançamos várias dessas técnicas em WebGPU no nosso motor de mundo aberto para navegadores. Mapas de sombras em cascata, instanciação orientada pela GPU, PBR triplanar, neblina em espaço de tela e terreno virtualizado baseado em clipmaps rodam a 120 FPS em uma aba. O restante (ray tracing por hardware, mesh shaders e aumento de resolução com ML) está chegando à web à medida que a especificação WebGPU avança. Para saber mais, consulte nossos guias sobre tecnologia de mundo aberto no navegador e geração de paisagens.

Leituras adicionais sobre toda a pilha

Se você quiser ler apenas um livro, Real-Time Rendering, 4ª edição é a referência padrão que aborda a maioria dos tópicos acima. Para acompanhar as pesquisas mais recentes, o arquivo do curso “Advances in Real-Time Rendering in Games” da SIGGRAPH (advances.realtimerendering.com) oferece PDFs gratuitos de análises aprofundadas de motores AAA desde 2006. Para análises de produção que detalham como jogos específicos renderizam cada quadro, os artigos de Adrian Courrèges sobre criação de perfis de GPU são leitura obrigatória.