Si ha echado el más mínimo vistazo a las noticias sobre juegos y gráficos^{(gaming and graphics news)} últimamente, entonces ha escuchado la última y mejor palabra de moda: trazado de rayos^{(ray tracing)} . Es posible que también haya escuchado una palabra que suena similar llamada trazado^{(path tracing)} de ruta . Y podría ser totalmente perdonado por no comprender completamente cuál es cualquiera de los procesos.

Una explicación simple es que tanto el trazado de rutas como el trazado de rayos^{(ray tracing)} son técnicas gráficas que dan como resultado imágenes de aspecto más realista a costa de una potencia computacional significativamente mayor. Hay un video de Minecraft^{(Minecraft video)} en YouTube que demuestra los aspectos particulares del trazado de rayos de una manera clara, pero también ilustra el estrés que ejerce sobre un sistema.

Si esa es la única explicación que necesitas, ¡genial! Pero si desea profundizar y descubrir cómo funciona cada técnica y por qué las empresas de hardware de GPU^{(GPU hardware)} están cobrando una pequeña fortuna por las tarjetas con capacidad de trazado de rayos, siga leyendo.

Rasterización y Computación Gráfica

Cualquier imagen que vea en la pantalla de una computadora^{(computer screen)} no comenzó como esa imagen. Comienza como una imagen rasterizada o vectorial^{(vector image)} . Una imagen rasterizada^{(raster image)} se compone de una colección de píxeles sombreados.

Una imagen vectorial^{(vector image)} se basa en fórmulas matemáticas que significan que la imagen se puede aumentar de tamaño casi indefinidamente. La desventaja de las imágenes vectoriales^{(vector image)} es que es difícil lograr detalles más precisos. Las imágenes vectoriales^(Vector) se utilizan mejor cuando solo se necesitan unos pocos colores.

La principal fortaleza de la rasterización es su velocidad, especialmente en comparación 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 pequeñas, generalmente triángulos. Estos triángulos se convierten en píxeles individuales y luego se pasan por un sombreador para crear la imagen que ves en la pantalla.

La rasterización ha sido la opción preferida para los gráficos de videojuegos durante mucho tiempo debido a la rapidez con la que se puede procesar, pero a medida que la tecnología actual comienza a toparse con sus límites, se necesitan técnicas más avanzadas para pasar al siguiente nivel. Ahí es donde entra el trazado de rayos.

El trazado de rayos^(Ray) se ve mucho más realista que la rasterización, como lo ilustra la imagen a continuación. Mira los reflejos en la tetera^{(tea pot)} y la cuchara.

¿Qué es el trazado de rayos?

A nivel de superficie^{(surface level)} , el trazado de rayos^{(ray tracing)} es un término general que significa todo, desde una única intersección de luz y objeto hasta fotorrealismo completo. Sin embargo, en el contexto más común que se usa hoy en día, el trazado de rayos^{(ray tracing)} se refiere a una técnica de representación^{(rendering technique)} que sigue un haz de luz (en píxeles) desde un punto establecido^{(set point)} y simula cómo reacciona cuando encuentra objetos.

Tómate un momento y mira^{(moment and look)} la pared de la habitación en la que te encuentras. ¿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^(Ray) comenzarían en su ojo y seguirían su línea de visión hasta la pared, y 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 disminuir la carga en la GPU .

¿Por qué? Bueno, el trazado de rayos no es nuevo^{(t brand-new)} . De hecho, existe desde hace bastante tiempo. Pixar usa técnicas de trazado de rayos para crear muchas de sus películas, pero los gráficos cuadro por cuadro de alta fidelidad en las resoluciones que Pixar logra toman tiempo.

mucho^{(A lot)} tiempo Algunos cuadros en Monsters University tardaron 29 horas cada uno. Toy Story 3 tomó un promedio de 7 horas por cuadro, y algunos cuadros tardaron 39 horas según una historia de 2010 de Wired.

Debido a que la película ilustra el reflejo de la luz de cada superficie para crear el estilo gráfico que todos^{(style everyone)} conocen y aman, la carga de trabajo^{(work load)} es casi inimaginable. Al limitar las técnicas de trazado de rayos solo a lo que el ojo puede ver, los juegos pueden utilizar la técnica sin causar que su procesador de gráficos se derrumbe (literalmente).

Hecha un vistazo a la imagen de abajo.

Eso no es una fotografía, a pesar de lo real que parece. Es una imagen con trazado de rayos. Trate de imaginar cuánta energía se requiere para crear una imagen como esta. Un rayo se puede rastrear y procesar sin muchos problemas, 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 rebotes 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. En aras de representar una imagen, se debe dibujar un límite en alguna parte.  

Ahora imagina hacer eso de 30 a 60 veces por segundo. Esa es la cantidad de energía requerida para usar técnicas de trazado de rayos en los juegos. Sin duda es impresionante, ¿verdad?

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

¿Qué es el seguimiento de rutas?

El trazado^{(Path tracing)} de rutas es un tipo de trazado de rayos^{(ray tracing)} . Cae bajo ese paraguas, pero donde el trazado de rayos^{(ray tracing)} se teorizó originalmente en 1968, el trazado de rutas no entró en escena hasta 1986 (y los resultados no fueron tan dramáticos como los de ahora).

¿Recuerdas el aumento exponencial de los rayos mencionado anteriormente? El rastreo de ruta^(Path) proporciona una solución a eso. Cuando se usa el trazado de ruta para renderizar, los rayos solo producen un solo rayo por rebote. Los rayos no siguen una línea establecida^{(set line)} por rebote, sino que salen disparados en una dirección aleatoria.

Luego, el algoritmo de trazado de ruta toma una muestra aleatoria de todos los rayos para crear la imagen final. Esto da como resultado el muestreo de una variedad de diferentes tipos de iluminación, pero especialmente la iluminación global.

Una cosa interesante sobre el trazado^{(path tracing)} de rutas es que el efecto se puede emular mediante el uso de sombreadores. Recientemente apareció un parche de sombreado para un ^{(shader patch)}emulador de Nintendo Switch^{(Nintendo Switch emulator)} que permitía a los jugadores emular la iluminación global trazada en la ruta en títulos como The Legend of Zelda: Breath of the Wild y Super Mario Odyssey. Si bien los efectos se ven bien, no son tan completos como el trazado de ruta^{(path tracing)} real .

El trazado^{(Path tracing)} de rutas es solo una forma de trazado de rayos. Si bien fue aclamado como la mejor manera de renderizar imágenes, el rastreo de rutas tiene sus propios defectos.

Pero al final, tanto el trazado de rutas como el trazado de rayos^{(path tracing and ray)} dan como resultado imágenes absolutamente hermosas. Ahora que el hardware de las máquinas de consumo ha llegado a un punto en el que el trazado de rayos^{(ray tracing)} es posible en tiempo real en los videojuegos, la industria está lista para lograr un avance que es casi tan impresionante como el paso de gráficos 2D a 3D.

Sin embargo, aún pasará algún tiempo, al menos varios años, antes de que el hardware necesario se considere "asequible". A partir de ahora, incluso las tarjetas gráficas necesarias cuestan más de $ 1,000.

What is Path Tracing and Ray Tracing? And Why do They Improve Graphics?

If you’ve taken even the slightest glance towards gaming and graphics news lately, then you’ve heard the latest and greatest buzzwоrd: ray tracing. You might also have heard a similar-sounding wоrd called path tracing. And you could be totаlly forgiven for not fully understanding what either one of the processes is.

A simple explanation is that both path tracing and ray tracing are graphical techniques that result in more realistic-looking images at the cost of significantly more computational power. There is a Minecraft video on YouTube that demonstrates the particular aspects of ray tracing in a clear way, but also illustrates the stress it puts on a system.

If that’s the only explanation you need, great! But if you want to dig deep and find out how each technique works and why GPU hardware companies are charging a small fortune for ray tracing-capable cards, read on.

Rasterization and Computer Graphics

Any image you see displayed on a computer screen did not start out as that image. It begins as either a raster or a vector image. A raster image is composed of a collection of shaded pixels.

A vector image is based on mathematical formulas that mean the image can be increased in size almost indefinitely. The downside of vector images is that more precise details are difficult to achieve. Vector images are best used when only a few colors are needed.

The main strength of rasterization is its speed, especially in comparison to techniques like ray tracing. Your GPU, or graphics processing unit, will tell the game to create a 3D image out of small shapes, most often triangles. These triangles are turned into individual pixels and then put through a shader to create the image you see on screen.

Rasterization has been the go-to option for video game graphics for a long time due to how quickly it can be processed, but as current technology begins to bump against its limits more advanced techniques are needed ot break through to the next level. That’s where ray tracing comes in.

Ray tracing looks far more realistic than rasterization, as the image below illustrates. Look at the reflections on the tea pot and the spoon.

What is Ray Tracing?

At the surface level, ray tracing is an umbrella term that means everything from a single intersection of light and object to complete photorealism. In the most common context used today, however, ray tracing refers to a rendering technique that follows a beam of light (in pixels) from a set point and simulates how it reacts when it encounters objects.

Take a moment and look at the wall of the room you’re in. Is there a light source on the wall, or is light reflected off the wall from another source? Ray traced graphics would start at your eye and follow your line of sight to the wall, and then follow the path of light from the wall back to the light source.

The diagram above illustrates how this works. The reason for the simulated “eyes” (the camera in this diagram) is to lessen the load on the GPU.

Why? Well, ray tracing isn’t brand-new. It’s actually been around for quite some time. Pixar uses ray tracing techniques to create many of its movies, but high-fidelity, frame-by-frame graphics at the resolutions Pixar achieves take time.

A lot of time. Some frames in Monsters University took a reported 29 hours each. Toy Story 3 took an average of 7 hours per frame, with some frames taking 39 hours according to a 2010 story from Wired.

Because the film illustrates the reflection of light from every surface to create the graphical style everyone has come to know and love, the work load is almost unimaginable. By limiting ray tracing techniques to only what the eye can see, games can utilize the technique without causing your graphics processor to have a (literal) meltdown.

Take a look at the image below.

That’s not a photograph, despite how real it looks. It’s a ray-traced image. Try to imagine how much power is required to create an image that looks like this. One ray can be traced and processed without much trouble, but what about when that ray bounces off an object?

A single ray can turn into 10 rays, and those 10 can turn into 100, and so on. The increase is exponential. After a point, bounces and reflections beyond tertiary and quaternary display diminishing returns. In other words, they require far more power to calculate and display than they are worth. For the sake of rendering an image, a limit has to be drawn somewhere.  

Now imagine doing that 30 to 60 times per second. That is the amount of power required to use ray tracing techniques in games. It’s certainly impressive, right?

The attainability of graphics cards capable of ray tracing will go up as time goes on, and eventually this technique will become as readily available as 3D graphics. For now, though, ray tracing is still considered the cutting-edge of computer graphics. So how does path tracing come into play?

What is Path Tracing?

Path tracing is a type of ray tracing. It falls under that umbrella, but where ray tracing was originally theorized in 1968, path tracing didn’t come onto the scene until 1986 (and the results were not as dramatic as those now.)

Remember the exponential increase in rays mentioned earlier? Path tracing provides a solution to that. When using path tracing for rendering, the rays only produce a single ray per bounce. The rays do not follow a set line per bounce, but rather shoot off in a random direction.

The path tracing algorithm then takes a random sampling of all of the rays to create the final image. This results in sampling a variety of different types of lighting, but especially global illumination.

An interesting thing about path tracing is that the effect can be emulated through the use of shaders. A shader patch appeared recently for a Nintendo Switch emulator that allowed players to emulate path traced global illumination in titles like The Legend of Zelda: Breath of the Wild and Super Mario Odyssey. While the effects look nice, they aren’t as complete as true path tracing.

Path tracing is just one form of ray tracing. While it was hailed as the best way to render images, path tracing comes with its own flaws.

But in the end, both path tracing and ray tracing result in absolutely beautiful images. Now that the hardware in consumer-grade machines has reached a point that ray tracing is possible in real-time in video games, the industry stands poised to make a breakthrough that’s almost as impressive as the step from 2D to 3D graphics.

However, it will still be some time—several years at least—before the necessary hardware will be considered “affordable.” As of now, even the necessary graphics cards cost well over $1,000.

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