¿Qué es el trazado de rayos? Aprende cómo funciona el trazado de rayos

La evolución de la tecnología trae avances en la experiencia visual pero también de los gráficos a la vida, la  nueva tecnología Ray Tracing de nvidia  es la respuesta a ese desarrollo cuando la compañía  lanza la línea de tarjetas gráficas Gráficos de nueva generación basados ​​en su arquitectura Turing. Entonces, ¿ qué es el trazado de rayos ? ¿Por qué decir que esta es la tecnología del futuro? Descubrámoslo con WebTech360 en este artículo

¿Qué es el trazado de rayos?

Ray Tracing  es una técnica de renderizar (renderizar) la luz siguiendo los rayos de luz (trace significa perseguir, ray significa rayos de luz). Puede imaginar esta técnica como si mirara hacia el sol, rastreando dónde golpean sus rayos, qué objetos golpean y cómo brilla en los objetos circundantes. El trazado de rayos recrea ese proceso pero en un entorno digital.

En otras palabras, el trazado de rayos rastrea la luz absorbida, reflejada, dispersada y dispersada por cada objeto en el entorno, y se aplica no solo a un haz de luz del sol sino a cualquier otra fuente de luz (por ejemplo: 2 bombillas). en la sala de juegos, el fuego parpadeante de la chimenea en el juego, la fuente de luz artificial se fija al renderizar 3D...).

Actualmente, la arquitectura Turing con Ray Tracing sigue siendo un gran signo de interrogación, se espera que sea un punto de inflexión revolucionario en el mercado de GPU, es probable que tales productos se vean en la mayoría de las PC en el futuro. o no, o el precio es tan alto que pocas personas pueden poseerlo y usarlo?

Es difícil responder, porque aunque ha habido artículos y reseñas para las dos series GeForce RTX 2080 FE y GeForce RTX 2080 Ti FE, todavía tenemos que esperar, incluso para juegos que admiten alta tecnología de la tarjeta, aquí está Ray rastreo. Además, las tarjetas gráficas profesionales Quadro también están equipadas con esta nueva tecnología: Quadro RXT 8000, Quadro RXT 6000, Quadro RXT 5000, Quadro RXT 4000.

Cómo funciona el trazado de rayos

El objetivo del trazado de rayos es crear una iluminación más realista y un sombreado más natural, y la serie RTX de NVIDIA ha logrado resultados impresionantes, al menos en las demostraciones de lanzamiento. Una habitación de madera con una ventana abierta iluminará casi toda la habitación cuando se utiliza la iluminación tradicional, y cuando el trazado de rayos está activado, los lugares con luz directa serán más brillantes que en los rincones oscuros de la habitación. NVIDIA también mostró cómo las llamas en Battlefield V pueden perseguir a un personaje en el juego y quemar las puertas de los autos de manera muy realista.

La luz no solo afecta la iluminación, también afecta el color, la profundidad y las sombras. Entonces, cuando la iluminación se simula cerca de la vida real, el resto de los elementos también están bien hechos. Los sombreadores en el juego actual se ven bastante duros y claros, sin la ligera transición entre los parches claros y oscuros, y el trazado de rayos es la pieza que lo hace posible.

Algoritmo de trazado de rayos 

Crear una simulación del mundo real es una tarea muy compleja. Incluye muchos factores, como un número infinito de haces de luz, superficies reflectantes, que atraviesan objetos, todo basado en las propiedades moleculares de cada objeto, sin mencionar la gravedad y las interacciones físicas. Simular una cosa tan "infinita" usando solo los recursos finitos de la computadora actual es completamente desproporcionado e imposible.

Llamamos a una solución al problema anterior "rasterización", en lugar de tratar con un número infinito de fotones, el procesamiento comienza con polígonos. Más polígonos significa una velocidad de procesamiento más rápida, y la rasterización está aquí para convertir esos millones de polígonos en una imagen específica.

En resumen, crea prototipos 2D y los representa en un mundo 3D preconstruido. En él, las imágenes 2D hechas de polígonos pueden cubrir toda la pantalla cuando se ven de cerca, pero pueden cubrir solo unos pocos píxeles cuando se ven desde la distancia, creando así píxeles, texturas y principios de luz. Por supuesto, una técnica no puede cubrir todo el trabajo.

Varias técnicas como Z-buffer (un búfer secundario que rastrea la profundidad de cada píxel) aceleran el proceso, creando una herramienta que hace que los millones de polígonos generados sean visibles, ordenables y manejados de la manera más eficiente posible. Esto puede requerir millones o incluso miles de millones de cálculos por cuadro que solo las GPU modernas con velocidades de procesamiento de teraflops pueden manejar.

El trazado de rayos aborda el problema anterior de manera diferente a la rasterización , históricamente ha existido durante aproximadamente 50 años. Turner Whitted actualmente trabaja para NVIDIA , en el pasado esbozó cómo calcular el seguimiento recursivo, lo que resultó en imágenes impresionantes que incluyen sombras, reflejos y más. Por supuesto, va a ser mucho más complicado que la rasterización.

El trazado de rayos consiste en detectar la dirección de un rayo (generalmente un rayo de luz) al proyectarlo en el mundo 3D. Supongamos que desea construir un objeto, lo primero es determinar los rayos de luz que siguen al polígono que conforma el objeto, luego tenga en cuenta las posibles fuentes de luz, las propiedades del polígono como el material, la superficie plana o curva. , en definitiva, sumar o restar rayos de luz.

Luego, este proceso se repite para cualquier otra fuente de luz, incluida la luz reflejada de los objetos en la escena. Es tan complejo que se necesitan muchas fórmulas para hacer posible el trazado de rayos, incluso para superficies transparentes y semitransparentes, por ejemplo, vidrio o agua . Todo debe tener un límite de reflexión artificial, porque incluso un rayo no puede detectar todo el número infinito de fotones.

El algoritmo de trazado de rayos más utilizado, según NVIDIA , es BVH Traversal: Bounding Volume Hierarchy Traversal , que acelera el proceso dividiendo en zonas los objetos para su procesamiento, en otras palabras, "divide y vencerás".

Puede consultar el modelo de conejo de NVIDIA que usa el algoritmo BVH, que localiza cada nivel, divide las partes en bloques, cada vez más pequeños hasta que el algoritmo da como resultado una lista corta de polígonos y luego el trabajo de trazado de rayos.

Sin embargo, la cantidad de trabajo a realizar cuando se realiza este trabajo con software en la CPU o GPU es demasiado alta. Una alternativa es el núcleo RT, cada núcleo RT tiene un algoritmo de estructura BVH incorporado, lo que lo hace capaz de procesar el trabajo 10 veces más rápido que el núcleo CUDA.

Además, también hay que mencionar cuántos rayos de luz se detectan en un píxel, solo un rayo da lugar a decenas o cientos de cálculos, pero cuantos más rayos se rastrean, el trabajo será más ligero y la productividad será mayor. Empresas como Pixar también utilizan la tecnología de trazado de rayos para crear animaciones.

Una película de 90 minutos con una velocidad de cuadro de 60 FPS requiere 324 000 imágenes, cada una de las cuales toma varias horas para calcular los rayos que siguen cada píxel. ¿Cómo logrará NVIDIA un equivalente en tiempo real? Mencioné la apariencia de los núcleos RT arriba, pero si eso no es suficiente, la respuesta es que los núcleos Tensor solo están disponibles en la arquitectura de Turing. Para un ejemplo simple, tomando una carga de trabajo de FP16, los núcleos Tensor alcanzan 114 TFLOPS mientras que FP32 y CUDA tienen solo 14,2 TFLOPS.

Pero, ¿por qué Tensor Core es suficiente para el trazado de rayos? Es IA y autoaprendizaje, en otras palabras, es la función Super Sampling de aprendizaje profundo que permite que el juego se reproduzca a una resolución más baja sin AA, luego el núcleo Tensor heredará e impactará el marco, anti-aliasing para una resolución más alta.

En conclusión, grandes nombres en la industria del renderizado han entrado en el trazado de rayos como Epic, UE, Unity 3D, EA Frostbite. Microsoft incluso creó DirectX Ray específicamente para el trazado de rayos. Con RTX, esto es realmente un gran salto en la industria de gráficos por computadora, por supuesto, todavía no está completo y dentro de los próximos diez años poder poner el RTX 2080 Ti en el mercado como una corriente principal es completamente posible.

Tecnología Ray Tracing en las últimas tarjetas gráficas de NVIDIA

La tecnología gráfica actual de NVIDIA y de prácticamente toda la industria se trata de simular la luz y el comportamiento de la luz en una escena determinada, de una forma más sencilla, denominada Rasterización. Al igual que pinta un pintor, los objetos se representan capa por capa, de atrás hacia adelante, por lo que los objetos en primer plano oscurecerán los objetos en el fondo.

Muestra la diferencia entre Raster convencional (izquierda) y trazado de rayos (derecha).

Sin embargo, este enfoque será difícil al renderizar el reflejo, porque la técnica de trama no podrá rastrear ni renderizar la luz. Suele usarse en escenas en tiempo real porque el hardware actual no es suficiente para simular el movimiento de escenas complejas, por ejemplo, en videojuegos o animaciones 3D.

Mientras tanto, el trazado de rayos reconstruye el comportamiento de la luz cuando golpea superficies, materiales y objetos en movimiento.

La luz a medida que pasa a través de una escena se puede renderizar y volver más compleja. Con el trazado de rayos, puede simular cómo los rayos de luz interactúan con los objetos, creando reflejos, refracciones y efectos de dispersión realistas en tiempo real. El trazado de rayos puede incluso detectar y mostrar refractores, reflectores, visualizar la fuente de luz en la escena e incluso el color de la luz después de haber pasado por el sujeto.

De hecho, esta técnica se ha utilizado en la práctica, con películas como Monsters University de Pixar, Iron Man de Marvel. Pero eso fue cuando lo usaban los usuarios profesionales, pero ahora se ha llevado a los usuarios generales, algo que antes era imposible.

Esto merece ser llamado una hazaña de NVIDIA porque el trazado de rayos requiere una gran cantidad de potencia informática. El CEO de NVIDIA, Jensen Huang, dijo que era "el salto más grande que hemos hecho en una generación (tarjetas GPU)".

La forma de NVIDIA de resolver el problema es utilizar la nueva arquitectura de Turing en las GPU recién lanzadas. Esta arquitectura está diseñada para resolver el problema de procesamiento. Los núcleos de trazado de rayos dedicados también están equipados con Tensor Cores, que pueden usar IA para inferir la parte de la imagen en "tiempo real", el problema más intensivo desde el punto de vista computacional de esta técnica. Por lo tanto, las GPU pueden emular 6 veces más rápido que la plataforma Pascal anterior (en GTX 1080Ti).

Este es realmente un gran salto en la tecnología de gráficos y es emocionante pensar que los estudios y las personas ahora podrán extender el uso de esta técnica de trazado de rayos a aplicaciones en animación, juegos de ciencia y simulaciones.

Con suerte, la tecnología Ray Tracing se desarrollará cada vez más, luego experimentaremos una calidad de imagen aún más hermosa, pero en este momento es realmente difícil para usted experimentar Ray Tracing para otros juegos terribles porque requieren un software enorme. Si necesita asesoramiento sobre la configuración de juegos Ray Tracing, comuníquese con WebTech360 .

Sintetizado de: Genk.vn