Por qué el trazado de ruta es mejor que el trazado de rayos para imágenes de juegos

El trazado de rayos en tiempo real en los juegos ha estado causando sensación desde que Nvidia lanzó sus tarjetas de la serie RTX 20 en 2018. Lo que inicialmente era poco más que un truco, evolucionó gradualmente hasta convertirse en una característica que los jugadores buscan constantemente en sus juegos favoritos. Más recientemente, el debate entre trazado de ruta y trazado de rayos ha causado sensación, y el primero muestra imágenes más avanzadas y realistas que el segundo. Con algunos años más y generaciones de GPU, el trazado de rutas finalmente puede convertirse en algo común.

Rasterización, trazado de rayos y trazado de ruta

Analicemos el trazado de ruta frente al trazado de rayos para ver por qué son necesarios en los gráficos de juegos.

Tradicionalmente, los desarrolladores han utilizado una técnica llamada rasterización para representar imágenes de juegos. La rasterización es la traducción de formas vectoriales matemáticas en píxeles para que puedan verse en monitores de computadora y otras pantallas basadas en píxeles (a diferencia de las pantallas CRT más antiguas).

Es cierto que la rasterización ha sido bastante eficaz para aproximarse al comportamiento de la luz en el mundo real mediante el uso de iluminación «prerenderizada» con fuentes de luz estáticas. Pero, a medida que creció la demanda de imágenes de juegos fotorrealistas (junto con la tecnología para potenciarlas), el trazado de rayos en tiempo real finalmente estuvo disponible para los jugadores.

A diferencia de la rasterización, el trazado de rayos intenta simular el comportamiento de la luz en el mundo real en cada cuadro de un juego o aplicación. Como la luz puede reflejarse, refractarse o absorberse después de interactuar con múltiples objetos en la realidad, se calcula el mismo comportamiento de los rayos de luz para cada píxel de un cuadro. Esto equivale a calcular el comportamiento de millones de rayos simulados para un solo cuadro. Esta es la razón por la que el trazado de rayos es tan pesado desde el punto de vista computacional.

El trazado de rayos en sí no es nada nuevo. Desarrollado en 1969, el trazado de rayos ha sido utilizado por los estudios cinematográficos en diversos grados desde la década de 1970. Pero Hollywood se da el lujo de “renderizar previamente” cada fotograma de una película mediante el uso de “granjas de renderizado” que a veces pueden tardar semanas en renderizar una sola escena con trazado de rayos.

El trazado de rayos en tiempo real en los juegos es diferente, ya que necesita realizar este cálculo complejo en un entorno que cambia dinámicamente para cada cuadro. Esta es también la razón por la que la mayoría de los juegos con trazado de rayos (incluso cuando utilizan la aceleración de hardware de las GPU modernas) solo utilizan uno o dos elementos de trazado de rayos en combinación con rasterización, como reflejos o sombras con trazado de rayos.

Ahora llegamos al rastreo de rutas. En esencia, el trazado de ruta es solo una versión modificada del trazado de rayos. En lugar de rastrear la trayectoria de cada rayo de luz, ya sea primario o rebotado (secundario), el trazado de trayectoria solo calcula la trayectoria más probable que tomaría la luz al atravesar una escena.

Concebido en la década de 1980, el trazado de ruta necesita matemáticas más complejas que involucran múltiples rayos para cada píxel, pero al final, equivale a una menor sobrecarga para el hardware de renderizado, es decir, su GPU. El trazado de trayectoria es una aproximación del trazado de rayos que utiliza simulaciones de Monte Carlo: modelos de probabilidad que ayudan a predecir los resultados más probables en situaciones en las que la predicción precisa es increíblemente difícil.

Existen otras variaciones del trazado de rayos, como el mapeo de fotones (desarrollado en 2001), una técnica de iluminación global de dos pasos. El primer paso utiliza rayos de luz a lo largo de una escena para crear un mapa de fotones que contiene datos de color e iluminación, y el segundo paso representa la escena en tiempo real, utilizando el mapa de fotones preprocesado. El mapeo de fotones puede técnicamente reducir aún más la sobrecarga de renderizado, pero es bastante complejo y propenso a algunos artefactos cuando hay hardware menos potente.

El trazado de ruta se ve mejor que el trazado de rayos

Si el trazado de ruta se aproxima al efecto del trazado de rayos, ¿por qué es mejor? ¿No debería el resultado ser inferior al trazado de rayos?

y Alan Wake 2 han demostrado cómo puede verse el trazado de rayos completo (con la ayuda del trazado de ruta). recientes como Cyberpunk 2077

El trazado de rutas incluso se ha implementado en títulos más antiguos como Quake 2, Portal, The Elder Scrolls V: Skyrim y Half-Life, transformándolos de gráficos anticuados a demostraciones tecnológicas.

El trazado de ruta puede producir una iluminación más realista debido a la muestra de datos más grande a la que tiene acceso. A diferencia del trazado de rayos, el trazado de trayectoria dispara múltiples rayos de luz por cada píxel de la escena, y toma muestras de algunos de ellos para llegar al resultado final. Esto permite que el algoritmo, asistido por eliminación de ruido, gracias a DLSS de Nvidia, produzca sombras, reflejos e iluminación global más definidos.

El seguimiento de rutas es técnicamente más fácil en las GPU

A pesar de los cálculos más complejos, la eliminación de ruido y los trucos de la IA involucrados en el seguimiento de rutas, termina siendo más fácil para las GPU, al menos en teoría.

Los juegos desarrollados desde cero utilizando el trazado de rutas serían los que más se beneficiarían de esta menor sobrecarga. Este no ha sido el caso con demasiada frecuencia. El trazado de ruta se introdujo en varios juegos como una actualización, años después del lanzamiento original.

Incluso Alan Wake 2, que según Nvidia es un «juego totalmente trazado de rayos», no utiliza el trazado de ruta de forma universal. Es diferente, ya que luce impresionante incluso sin eso, siendo también uno de los mejores juegos de PS5.

Tal como están las cosas ahora, estos títulos son ridículamente difíciles de ejecutar a velocidades de cuadro reproducibles, incluso con las GPU de gama más alta. La serie RTX 40 de Nvidia necesita utilizar una variedad de funciones de inteligencia artificial solo para renderizar estos juegos a resoluciones más bajas y mejorarlos para producir resultados aceptables.

Pero, en unos años más, a medida que La IA en los juegos revolucione la industria del juego, las implementaciones de trazado de rutas serán mucho más fáciles en las GPU convencionales. .

Estas GPU igualan o superan a la PS5.

El trazado de rutas no es una técnica nueva

Desde la década de 2000, los estudios cinematográficos, como Disney y Sony, han utilizado el trazado de ruta para renderizar películas animadas con trazado de ruta completo. La teoría ha sido sólida desde la década de 1980, y ahora el rastreo de rutas en tiempo real ha llegado a juegos populares, aunque prohibitivamente pesados, para que la gente pueda verlo suceder frente a sus ojos.

El trazado de rutas no es una técnica radicalmente nueva que tardará mucho en llegar a más juegos y hardware más asequible. A medida que empresas como Nvidia, AMD e Intel compitan para mejorar sus GPU e inviertan en algoritmos avanzados de IA, el trazado de rutas será cada vez más frecuente en los juegos y en otros medios. Y esto sucederá más temprano que tarde.

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El trazado de rayos, el trazado de rutas y la rasterización funcionarán juntos

Por muy avanzado e impresionante que sea el trazado de rutas, todavía no puede hacerlo todo a la perfección. Su mayor ventaja de tener acceso a más datos es también su mayor inconveniente.

El trazado de rayos sigue siendo superior en los casos en los que los datos disponibles son pequeños (como las mazmorras oscuras) o en el caso de superficies reflectantes y refractivas (como cuerpos de agua o vidrio). Es por eso que las carreras de rayos no desaparecerán repentinamente de la escena con la llegada del trazado de rutas en los juegos.

Los desarrolladores, como siempre, probablemente utilizarán una combinación de técnicas de renderizado para producir la escena más realista en cualquier situación. Por lo tanto, tanto el trazado de rayos como el trazado de trayectoria, junto con la rasterización, impulsarán los juegos en un futuro próximo.

Cada pocos años, una nueva tecnología es noticia, ya que promete hacer que los juegos sean más fotorrealistas que nunca. Primero, fueron los sombreadores, luego la teselación, seguido del trazado de rayos y ahora, el trazado de rutas. Pero estas tecnologías también afectan enormemente el rendimiento de los juegos. Si cree que su PC actual no puede aprovechar estas técnicas de la nueva era en los juegos, es posible que deba comprar una nueva GPU . Sólo espero que mientras esperamos los juegos del futuro totalmente trazados, las GPU del futuro también sean accesibles para el jugador promedio.

Crédito de la imagen: Vista en primer plano de una tarjeta GPU moderna con circuito por DepositPhotos