¿Qué son el trazado de rutas y el trazado de rayos? ¿Y por qué mejoran los gráficos?

Si ha estado revisando noticias sobre juegos y gráficos últimamente, entonces ha escuchado la última y mejor palabra de moda: trazado de rayos. Es posible que también haya escuchado una palabra similar llamada seguimiento de ruta. Y puede ser totalmente perdonado por no comprender completamente qué es cualquier proceso.

Una explicación simple es que el trazado de rutas y el trazado de rayos son técnicas gráficas que producen imágenes más realistas a costa de mucha más potencia informática. Hay un video de Minecraft en YouTube que muestra claramente los aspectos particulares del trazado de rayos, pero también ilustra el estrés que ejerce sobre un sistema.

Si esa es la única explicación que necesitas, ¡genial! Pero si desea profundizar más y descubrir cómo funciona cada técnica y por qué los fabricantes de hardware de GPU cobran una pequeña fortuna por las tarjetas con capacidad de trazado de rayos, siga leyendo.

Rasterización y gráficos por computadora

Cualquier imagen que vea en la pantalla de su computadora no comenzó como esta imagen. Comience con una imagen rasterizada o vectorial. Una imagen rasterizada se compone de un conjunto de píxeles sombreados.

Una imagen vectorial se basa en fórmulas matemáticas, lo que significa que el tamaño de la imagen se puede ampliar casi indefinidamente. La desventaja de las imágenes vectoriales es que los detalles más finos son difíciles de obtener. Las imágenes vectoriales se utilizan mejor cuando solo se necesitan unos pocos colores.

La principal fortaleza de la rasterización es su velocidad, especialmente cuando se compara con técnicas como el trazado de rayos. Su GPU, o unidad de procesamiento de gráficos, le indicará al juego que cree una imagen 3D a partir de formas diminutas, generalmente triángulos. Estos triángulos se transforman en píxeles individuales y luego se colocan en un sombreador para crear la imagen que ves en la pantalla.

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La rasterización ha sido durante mucho tiempo la opción preferida para los gráficos de videojuegos debido a la rapidez con la que se pueden renderizar, pero a medida que la tecnología actual comienza a alcanzar sus límites, se necesitan técnicas más avanzadas para pasar al siguiente nivel. Ahí es donde entra en juego el Ray Tracing.

El trazado de rayos se ve mucho más realista que la rasterización, como se muestra en la imagen a continuación. Mira los reflejos en la tetera y la cuchara.

¿Qué es el trazado de rayos?

A nivel de superficie, el trazado de rayos es un término general que significa todo, desde una sola intersección de luz y objeto hasta fotorrealismo completo. Sin embargo, en el contexto más comúnmente utilizado hoy en día, el trazado de rayos se refiere a una técnica de representación que rastrea un haz de luz (en píxeles) desde un punto definido y simula su reacción al encontrar objetos.

Tómese un momento y mire la pared de la habitación en la que se encuentra. ¿Hay una fuente de luz en la pared o la luz se refleja en la pared desde otra fuente? Los gráficos con trazado de rayos comenzarían en su ojo y seguirían su línea de visión hasta la pared, luego seguirían el camino de la luz desde la pared hasta la fuente de luz.

El diagrama anterior ilustra cómo funciona esto. El motivo de los "ojos" simulados (la cámara en este diagrama) es reducir la carga en la GPU.

¿Porque? Bueno, el trazado de rayos no es nada nuevo. De hecho, ha existido por algún tiempo. Pixar utiliza técnicas de trazado de rayos para crear muchas de sus películas, pero los gráficos de alta fidelidad cuadro por cuadro en las resoluciones que Pixar logra llevan tiempo.

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Mucho de tiempo. algunos fotogramas en Universidad monstruo tomó 29 horas cada uno. Toy Story 3 tomó un promedio de 7 horas por imagen, con algunas imágenes tomando 39 horas según una historia de 2010 por Cable.

Como la película ilustra el reflejo de la luz en todas las superficies para crear el estilo gráfico que todo el mundo conoce y ama, la carga de trabajo es casi inimaginable. Al limitar las técnicas de trazado de rayos a lo que el ojo puede ver, los juegos pueden utilizar la técnica sin que su GPU falle (literalmente).

Mira la imagen de abajo.

Esto no es una foto, a pesar de su apariencia real. Es una imagen con trazado de rayos. Intenta imaginar la potencia necesaria para crear una imagen como esta. Un rayo se puede rastrear y procesar sin mucha dificultad, pero ¿Qué pasa cuando ese rayo rebota en un objeto?

Un solo rayo puede convertirse en 10 rayos, y esos 10 pueden convertirse en 100 y así sucesivamente. El aumento es exponencial. Después de un punto, los saltos y reflexiones más allá del terciario y el cuaternario muestran rendimientos decrecientes. En otras palabras, requieren mucha más energía para calcular y mostrar de lo que valen. Para renderizar una imagen, se debe dibujar un límite en alguna parte.

Ahora imagina hacer esto de 30 a 60 veces por segundo. Esta es la cantidad de energía requerida para usar técnicas de trazado de rayos en los juegos. Seguro que es impresionante, ¿verdad?

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La accesibilidad de las tarjetas gráficas con capacidad de trazado de rayos aumentará con el tiempo y, con el tiempo, esta técnica estará tan disponible como los gráficos 3D. Por ahora, sin embargo, el trazado de rayos todavía se considera la vanguardia de los gráficos por computadora. Entonces, ¿cómo entra en juego el seguimiento de rutas?

¿Qué es el seguimiento de rutas?

El trazado de rutas es un tipo de trazado de rayos. Cae bajo ese paraguas, pero donde el trazado de rayos se teorizó originalmente en 1968, el trazado de ruta no apareció hasta 1986 (y los resultados no fueron tan espectaculares como lo son hoy).

¿Recuerdas el aumento exponencial en los radios mencionado anteriormente? El rastreo de ruta proporciona una solución a esto. Cuando se utiliza el trazado de rutas para renderizar, los rayos solo producen un rayo por salto. Los rayos no siguen una línea fija rebotando, sino en una dirección aleatoria.

El algoritmo de seguimiento de la trayectoria luego toma una muestra aleatoria de todos los rayos para crear la imagen final. Esto se traduce en probar una variedad de diferentes tipos de iluminación, pero principalmente iluminación global.

Una cosa buena sobre el seguimiento de rutas es que el efecto se puede emular mediante el uso de sombreadores. Recientemente apareció un parche de sombreado para un emulador de Nintendo Switch que permitía a los jugadores emular la iluminación global trazada en títulos como La Leyenda de Zelda: Aliento de lo Salvaje y Súper Mario Odisea. Si bien los efectos son buenos, no son tan completos como el seguimiento de ruta real.

El trazado de rutas es solo una forma de trazado de rayos. Si bien es aclamado como la mejor manera de renderizar imágenes, el seguimiento de rutas tiene sus propias fallas.

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Pero al final, el trazado de rutas y el trazado de rayos proporcionan imágenes absolutamente magníficas. Ahora que el hardware de las máquinas de consumo ha llegado a un punto en el que el trazado de rayos en tiempo real es posible en los videojuegos, la industria está lista para lograr un avance casi tan impresionante como el cambio de gráficos 2D a gráficos 3D.

Sin embargo, aún pasará algún tiempo, al menos varios años, antes de que el hardware necesario se considere "asequible". En este momento, incluso las tarjetas gráficas que necesita cuestan más de $ 1,000.