Ray tracing: qué es el Trazado de rayos y cómo cambiará los videojuegos

El Trazado de rayos (Ray tracing, en inglés), es la técnica de iluminación virtual que aporta un aspecto realista a los mejores juegos de hoy en día. Una tarjeta gráfica de calidad puede usar el ray tracing para hacerte sentir como si realmente estuvieras allí, ya que intenta mostrar la luz de la misma manera en que ésta existiría en el mundo real.

Comprender qué es el Trazado de rayos ayudará a que tu computadora gamer funcione al más alto nivel. ¿Pensando en hacer una actualización a tu equipo? Sigue leyendo y decide tú mismo si es esencial para ti.

Fotones virtuales

Si queremos comprender cómo funciona exactamente el revolucionario sistema de iluminación de Trazado de rayos, debemos dar un paso atrás y entender cómo los juegos  proporcionaban los efectos de luz anteriormente.

Los juegos sin Trazado de rayos dependen de la iluminación estática “horneada”. Los desarrolladores colocan fuentes de luz dentro de un entorno que emite luz de manera uniforme en cualquier vista. Además, los modelos virtuales como NPC (“Personaje no jugador”, por sus siglas en inglés) y los objetos no contienen información sobre ningún otro modelo, lo que requiere que la GPU calcule el comportamiento de la luz durante el proceso de renderizado. Las texturas superficiales pueden reflejar la luz para imitar el brillo, pero se trata solo de una luz emitida por una fuente estática.

En general, la evolución de la GPU ha ayudado a que este proceso se vuelva más realista en apariencia a lo largo de los años, pero los juegos aún no son fotorrealistas en términos de reflejos, de refracciones e iluminación general del mundo real. Para lograr esto, la GPU necesita la capacidad de rastrear rayos virtuales de luz.

En el mundo real, la luz visible es una pequeña parte de la familia de radiación electromagnética percibida por el ojo humano. Contiene fotones que se comportan como una partícula y como una onda. Los fotones no tienen tamaño ni forma reales, solo se pueden crear o destruir.

Dicho esto, la luz podría identificarse como una corriente de fotones. Cuantos más fotones tenga, más brillante será la luz percibida. La reflexión ocurre cuando los fotones rebotan en una superficie. La refracción ocurre cuando los fotones, que viajan en línea recta, pasan a través de una sustancia transparente y la línea se redirige o se “dobla”. Los fotones destruidos pueden ser percibidos como “absorbidos”.

El Trazado de rayos en los juegos intenta emular la forma en que funciona la luz en el mundo real. Traza el camino de la luz simulada rastreando millones de fotones virtuales. Cuanto más brillante sea la luz, más fotones virtuales debe calcular la GPU y más superficies reflejará, refractará y dispersará.

El proceso no es nada nuevo. CGI (Imagen generada por computadora, por sus siglas en inglés), ha utilizado el Trazado de rayos durante décadas, aunque el proceso requirió granjas de computadoras en los primeros días para generar una película completa, dado que un solo cuadro podría tomar horas o incluso días para renderizarse.

Ahora las computadoras domésticas pueden emular gráficos con Trazado de rayos en tiempo real, aprovechando la aceleración de hardware y los trucos inteligentes de iluminación para limitar la cantidad de rayos a un número manejable.

Pero aquí está la verdadera revelación: como en cualquier película o programa de televisión, las escenas en animación CGI generalmente se “filman” utilizando diferentes ángulos. Para cada cuadro, se debe mover una cámara para capturar la acción, acercar, alejar o desplazar un área completa. Al igual que la animación, debe manipular todo cuadro por cuadro para emular el movimiento. Junta todas las imágenes y tendrás una historia fluida.

En los juegos, controlas una sola cámara que está en movimiento y siempre cambia el punto de vista, especialmente en los juegos de ritmo rápido. Tanto en CGI como en juegos de Trazado de rayos, la GPU no solo debe calcular cómo se refleja y refracta la luz en una escena determinada, sino, que también, debe calcular cómo es capturada por la lente, tu punto de vista. En los videojuegos, esto se traduce en una enorme cantidad de trabajo computacional para una sola PC o consola.

Desafortunadamente, todavía no tenemos computadoras a nivel de consumidor que realmente puedan generar gráficos con Trazado de rayos a altas velocidades de cuadros. Eso sí, tenemos hardware que pueden engañar de manera efectiva.

Vamos a lo real

La similitud fundamental del Trazado de rayos con la vida real lo convierte en una técnica de renderizado 3D extremadamente realista, incluso haciendo que el juego de bloques Minecraft se vea muy real en las condiciones adecuadas.

Solo hay un problema: es difícil de simular. La recreación de la forma en que la luz realmente funciona en el mundo es complicada y consume muchos recursos, lo que requiere grandes cantidades de potencia informática.

Es por eso que las opciones de Trazado de rayos existentes en los juegos, como el desarrollado por RTX de Nvidia, no son reales. No son un verdadero Trazado de rayos, porque se simula cada punto de luz. En cambio, la GPU nos “engaña” al usar varias aproximaciones inteligentes para ofrecer algo cercano al mismo efecto visual, pero sin ser tan exigente con el hardware. Es probable que esto cambie en las futuras generaciones de GPU, pero por ahora, este es un paso en la dirección correcta.

La mayoría de los juegos con Trazado de rayos ahora usan una combinación de técnicas de iluminación tradicionales, típicamente llamadas rasterización, y Trazado de rayos en superficies específicas, como charcos reflejantes y estructuras metálicas.

Battlefield V es un gran ejemplo de eso. Ves el reflejo de las tropas en el agua, del terreno en los aviones y de las explosiones en la pintura de un automóvil. Es posible mostrar reflejos con los procesadores de video 3D modernos, pero no al nivel de detalle que se muestra en juegos como Battlefield V cuando el Trazado de rayos está habilitado.

El Trazado de rayos se puede aprovechar para que las sombras tengan un aspecto más dinámico y realista. Verás que eso solía tener un gran efecto en Shadow of the Tomb Raider.

La iluminación con Trazado de rayos puede crear sombras muy realistas en escenas oscuras y brillantes, con bordes más suaves y mayor definición. Lograr ese aspecto sin Trazado de rayos es extraordinariamente difícil.

Los desarrolladores solo pueden “simularlo” mediante el uso cuidadoso y controlado de fuentes de luz preestablecidas. Eso requiere mucho tiempo y esfuerzo, e incluso entonces, el resultado no es del todo correcto. Debido a eso, las medias tintas, como solo las sombras de Trazado de rayos o las superficies reflejantes, son populares.

Algunos juegos van con todo y usan el Trazado de rayos para la iluminación global en una escena completa. Pero, eso es lo más costoso desde el punto de vista computacional y necesitarás la más poderosa de las tarjetas gráficas modernas para que funcione de manera efectiva. Metro Exodus lo usa actualmente, pero su implementación no es perfecta.

Otros, aprovechan las tecnologías de Nvidia, como la eliminación de ruido y el DLSS (Super muestreo de aprendizaje profundo, por sus siglas en inglés), para mejorar el rendimiento y cubrir algunos de los problemas visuales que se producen al generar menos rayos de los que serían necesarios para crear una escena verdaderamente con Trazado de rayos.

Estas tecnologías todavía están reservadas para capturas de pantalla y películas prerrenderizadas, donde, los servidores de alta potencia pueden pasar días renderizando fotogramas individuales debido a la gran carga de procesamiento que eso significa.

El hardware detrás de los rayos

Foto de conferencia explicando qué es el Trazado de Rayos

Para procesar estas implementaciones, relativamente modestas de Trazado de rayos, la generación de tarjetas gráficas RTX de Nvidia introdujo hardware específicamente diseñado para el Trazado de rayos.

La arquitectura de Turing utiliza los núcleos RT de la compañía para manejar la técnica en tiempo real. No son estrictamente necesarios para el efecto de Trazado de rayos, ya que estos, se pueden ejecutar en las tarjetas gráficas GTX serie 10 y serie 16, aunque son mucho menos capaces que las tarjetas RTX de primer nivel como las 2070, 2080 y 2080 Ti, todas las cuales tienen núcleos RT.

Nvidia liberó un comunicado de la generación de un solo fotograma de Metro Exodus en abril de 2019, donde mostró cómo se presenta el flujo de la información y cómo se ve afectada por el Trazado de rayos.

Mientras que una RTX 2080 y GTX 1080 Ti pueden ser más o menos comparables en rendimiento para juegos sin Trazado de rayos, cuando el Trazado de rayos se aplica a una escena, puede tomar mucho más tiempo para que la 1080 Ti, sin los núcleos de RT dedicados, genere la misma imagen.

Es por eso, por lo que incluso, las tarjetas gráficas GTX más potentes como la 1080 Ti realmente luchan con los juegos con Trazado de rayos en cualquier nivel superior a 1080p. Pero, los núcleos RT no son una bala de plata.

Incluso la 2080 Ti, la tarjeta gráfica de consumo más poderosa del mundo con la mayor cantidad de núcleos RT, lucha por alcanzar 60 FPS o más, en juegos como Battlefield V o Metro Exodus con el Trazado de rayos habilitado a 1440p. Esta, es una tarjeta, que sin el Trazado de rayos habilitado es capaz de ofrecer altas velocidades de cuadros a 4K.

Pero no tiene por qué ser así. El método de Trazado de rayos de Nvidia no es la única opción disponible. También, hay efectos de cambio de procesamiento de “trazado de ruta” que ofrecen imágenes comparables, sin nada parecido al mismo éxito de rendimiento.

Todavía desearás una tarjeta gráfica potente para el Trazado de rayos sin importar la implementación, pero a medida que la técnica se ponga al día con los desarrolladores de juegos, es posible que veamos una gama más amplia de hardware de soporte a precios mucho más asequibles.

¿Qué hay de AMD?

Tal como están, las tarjetas gráficas AMD no ofrecen ningún tipo de aceleración de Trazado de rayos, pero eso no significa que no puedan hacerlo, y no se mantendrán así para siempre.

Crytek lanzó una demostración llamada Neon Noir en 2019, que mostró efectos de Trazado de rayos de alto nivel en una AMD RX Vega 56 de $300 dólares, funcionando a 30 FPS. Eso apenas llama la atención, pero muestra que es posible.

La RX 5700 XT y la Radeon VII son mucho más rápidas que la Vega 56, y por eso pueden ofrecer mejores velocidades de cuadro. En cuanto AMD presente su tarjeta gráfica “Big Navi“, que se rumora desde hace tiempo, a finales de 2020, sin duda volverá a ser mejor.

Pero, también se informa que admitirá el Trazado de rayos acelerado por hardware. No es claro si funcionará de la misma manera que los núcleos RT de Nvidia, o si estará diseñada para ofrecer Trazado de rayos a una gama más amplia de juegos, al menos, el soporte está ahí.

También esperamos ver el Trazado de rayos acelerado por hardware en las consolas de próxima generación de Microsoft y Sony. Ambos sistemas usarán la tecnología de gráficos AMD Navi, por lo que Big Navi puede ser solo una pista de lo que será la GPU de alto desempeño con Trazado de rayos a fines de 2020.

¿Cómo puedes ver el Trazado de rayos en casa?

Lo primero sería obtener una tarjeta gráfica Nvidia, porque en este momento, los juegos de Trazado de rayos disponibles públicamente lo requieren. Cualquier tarjeta RTX o GTX funcionará si solo deseas ver cómo se ve una escena con Trazado de rayos.

Pero, si deseas jugar a una resolución superior a 1080p y con velocidades de cuadro cercanas o superiores a 60 FPS, tu mejor apuesta es una tarjeta gráfica más potente y cara que puedas pagar. No es necesario que sea una 2080Ti de $1,000 dólares, pero, una RTX 2060 Super o 2070 es probablemente la línea base a la que debes apuntar. Eso significa gastar entre $350 y $550 dólares.

En cuanto a los juegos, la selección es bastante limitada. Las implementaciones más completas de Trazado de rayos todavía se pueden encontrar en los primeros juegos de demostración de RTX, como Battlefield V, Shadow of the Tomb Raider y Metro Exodus, aunque los juegos más nuevos como Control y MechWarrior 5: Mercenaries, son bastante geniales también.

Stay in the Light es un nuevo juego de terror independiente, construido completamente en torno al uso de reflejos y sombras Trazados por rayos, también, puedes jugar a través de un Quake II remasterizado con Trazado de rayos RTX.

Otros juegos de Trazado de rayos RTX planeados para 2020 incluyen el Control de Remedy Entertainment, así como Corazón Atómico de Mundfish, entre otros.

Puedes hacer un tour y probar qué tan preparada está tu computadora para el Trazado de rayos con el punto de referencia de Port Royal de UL Benchmark.

*Actualizado por José Luis Plascencia el 11 de junio de 2020.

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