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Rastreo de ruta: ¿Qué es y cómo funciona?

2022-11-24 by CHUWI

Rastreo de ruta: ¿Qué es y cómo funciona?

 

Si está interesado en los aspectos técnicos de la excelente experiencia en juegos o gráficos, o está buscando una GPU que pueda manejar las técnicas gráficas más avanzadas, deberá saber sobre el rastreo de rutas.

 

A medida que los gráficos por computadora se han vuelto cada vez más sofisticados, el rastreo de rutas ha cambiado el juego para la calidad y el realismo de las imágenes generadas por computadora. Pero necesitará el hardware correcto para obtener lo mejor de esta tecnología gráfica.

 

Comprender qué es el rastreo de ruta puede ayudarlo a evaluar cómo puede mejorar su experiencia de gráficos sin comprometer la velocidad y el rendimiento de su GPU.

 

En este artículo, explicaremos qué es el rastreo de ruta, cómo funciona y cómo el rastreo de ruta afecta el procesamiento de GPU. ¡Vamos a entrar!

 

¿Qué es el rastreo de ruta?

El rastreo de ruta es un método basado en computadora para agregar iluminación realista a imágenes digitales tridimensionales. Utiliza un conjunto de algoritmos informáticos conocidos colectivamente como el método Monte Carlo para determinar dónde debe estar la luminiscencia en la imagen.

 

Este cálculo matemático determina los niveles de luminiscencia en toda la imagen para llegar a un solo punto de origen de la superficie del objeto. La función de rastreo de ruta luego atribuye un nivel de luminiscencia a cada píxel de la imagen procesada.

 

El rastreo de ruta es un tipo de representación

La representación es la síntesis de imágenes, la creación de imágenes de computadora realistas de dos o tridimensionales usando software.

 

La representación forma una parte importante de la producción de gráficos tridimensionales con rastreo de ruta y otros efectos aplicados a las imágenes para darles su apariencia final. Las imágenes o el render de la computadora se procesan como archivos de escena que contienen los datos que define la geometría, la textura, la iluminación y el sombreado de las imágenes digitales de salida.

 

El rastreo de ruta simula la iluminación natural

El rastreo de ruta es clave para transformar gráficos por computadora en imágenes realistas de calidad fotográfica. Esta técnica se puede utilizar en cualquier medio que requiera imágenes digitales sofisticadas como juegos, arquitectura, arte digital, efectos de cine y televisión, y simulación de imágenes.

 

Es efectivo para representar varios efectos de iluminación que tendrían que agregarse individualmente a un gráfico de computadora que incluye:

 

trazado de rayos

Profundidad de campo

Iluminación indirecta

Oclusión ambiental

El modelado es clave con el rastreo de ruta, utilizando datos de modelado precisos de una variedad de superficies reales, fuentes de luz y cámaras para determinar la iluminación adecuada. El rastreo de ruta es detallado e imparcial con un alto grado de precisión, lo que lo hace adecuado para generar imágenes de referencia para probar otros algoritmos de renderizado.

 

Trazado de ruta versus trazado de rayos

El rastreo de ruta es un tipo de rastreo de rayos.


 

El trazado de rayos comprende una amplia gama de técnicas y representación para modelar el transporte de luz en imágenes digitales. Junto con el rastreo de rutas, el trazado de rayos incluye técnicas de representación como fundición de rayos, mapeo de fotones y trazado de rayos recursivo.

 

A diferencia del rastreo de ruta, el trazado de rayos puede hacer una gama más expansiva de efectos visuales; Incluso puede modelar ondas de sonido y luz para una experiencia audiovisual inmersiva.

 

Las técnicas de trazado de rayos son detalladas y de alta fidelidad. Hasta hace poco, esto los ha hecho lento, ya que imponen fuertes demandas en la GPU. El trazado de rayos y el rastreo de ruta se usaban comúnmente para imágenes fijas en lugar de películas, animación o juegos, lo que habría requerido un cálculo significativo en tiempo real para representar cada marco mostrado.

 

La historia del rastreo de ruta

La cuestión de cómo representar de manera realista las imágenes 3D en una superficie 2D es una pregunta que ha unido los mundos del arte y las matemáticas durante siglos. Muchos artistas bellas distinguidos desarrollaron técnicas para replicar objetos 3D, como el pintor y grabador del siglo XVI, Albrecht Dürer, que usó cuerdas y pesos para asignar con precisión los objetos a lienzo.

 

La técnica de cuerdas y pesas de Dürer fue una versión temprana de la técnica de trazado de rayos con la que está relacionado el rastreo de ruta. La cadena de Dürer es idéntica a los caminos de luz que viajan entre objetos y el ojo del espectador.

 

Desde el trazado de rayos hasta el rastreo de la ruta

James Kajiya, un ingeniero informático postdoctoral, ideó las ecuaciones matemáticas que condujeron al desarrollo del rastreo de ruta en la década de 1980. Su investigación se centró en el uso de experimentos de Monte Carlo, una clase de algoritmos computacionales que usan aleatoriedad para resolver problemas deterministas.

 

Su artículo en 1986 propuso una ecuación de transporte ligero que forma la base del rastreo de ruta. Esto implica la generación de numerosos eventos de dispersión que crean rutas que comienzan en la cámara y terminan en fuentes de luz individuales en la escena generada por computadora.

 

La ecuación básica de transporte de luz que Kajiya propuso se ha desarrollado en los algoritmos de rastreo de ruta utilizados para gráficos contemporáneos.

 

Trazado de rayos de refracción ligera

El trazado de ruta utiliza los principios de refracción de la luz para enviar rayos en una imagen digital.

¿Cómo funciona el rastreo de ruta?

El rastreo de ruta funciona utilizando sus algoritmos subyacentes para enviar rayos desde la vista de la cámara en una imagen digital. Cuando el rayo alcanza una superficie reflectante o refractiva en la imagen, continúa la ruta hasta que golpea una fuente de luz y recurre el proceso hasta que alcanza una fuente de luz. Esto crea un "camino" que se origina en la cámara y termina con la luz.

 

Debido a la aleatoriedad de los cálculos algorítmicos involucrados, las imágenes de salida pueden volverse ruidosas, pero la acumulación de muchas rutas individuales elimina este ruido. La densidad de las rutas generadas puede calcular los efectos que incluyen:

 

Iluminacion indirecta

Sombras duras y suaves

Superficies brillantes

Reflexiones y refracciones

Espejo

Punto de área e iluminación direccional

Las implementaciones más avanzadas del rastreo de ruta pueden acumular hasta 4 rutas para cada píxel en imágenes en un solo proceso de representación unificado conocido como la tubería de renderizado de alta definición (HDRP).

 

Los diseñadores y programadores pueden configurar el rastreo de rutas y otros efectos para aplicaciones como videojuegos y animaciones. Pueden usar una variedad de tecnología para aplicar técnicas de iluminación programables a sus escenas que logran un estándar gráfico alto. Los parámetros con los que pueden trabajar incluyen:

 

El número de marcos que se acumulan en una imagen final

El número mínimo y máximo de rebotes de luz en cada ruta (que determina la profundidad)

La intensidad de cada valor de la luz: la intensidad de limitación evita la aparición de píxeles ultramríces, pero puede hacer que la imagen general se atenúe

Las tuberías gráficas se utilizan para agregar rastreo de ruta a las escenas

Los diseñadores y programadores usan diversas tuberías de renderizado para agregar rastreo de ruta a sus escenas. Programa de tuberías de gráficos por computadora Los pasos que una unidad de procesamiento de gráficos (GPU) toma para representar imágenes generadas por computadora en 3D en una pantalla 2D.

 

Las tuberías gráficas dependen del software y el hardware utilizados para procesar y mostrar las imágenes. No existe un estándar universal para las tuberías gráficas, pero los desarrolladores han creado varias interfaces de programación de aplicaciones gráficas para unificar y estandarizar el procesamiento de gráficos para las GPU.

 

El trazado de ruta y otros efectos de renderizado requieren un poderoso procesamiento de gráficos

Renderizar una imagen digital 3D en una pantalla 2D requiere un procesamiento de gráficos complejos. En la informática moderna, una GPU maneja este proceso, que está diseñada especialmente para realizar cálculos de representación complejos, incluido el rastreo de rutas.

 

Una GPU separada con memoria dedicada y tuberías gráficas elimina la presión de la CPU para completar los cálculos de representación necesarios para crear imágenes y escenas realistas. La función de rastreo de ruta se convierte en un modelo de iluminación general para todas las imágenes que genera la GPU.

 

Los aceleradores gráficos pueden mejorar el rendimiento de renderizado en tiempo real

El rastreo de rutas y el rastreo de rayos suelen ser procesos lentos y intensivos en computación, pero desde 2018, las GPU han incluido la aceleración de hardware que puede soportar el rastreo de rayos y rutas en tiempo real.

 

Las actualizaciones en las API de gráficos han igualado esta elevación en la velocidad de procesamiento, lo que permite a los desarrolladores incluir el rastreo de rutas en tiempo real en proyectos dinámicos como los videojuegos sin ralentizarlos.

 

Los aceleradores de GPU y gráficos son el mismo componente de hardware. Esta poderosa unidad informática tiene un procesador dedicado, VRAM, E/S y buses para el procesamiento de gráficos de alta velocidad que pueden mantenerse al día con las aplicaciones de gráficos más avanzadas. Los procesadores gráficos modernos y avanzados de fabricantes líderes como NVIDIA ahora son esenciales para cualquier aplicación intensiva en gráficos.

 

Terminando

El rastreo de ruta es uno de los pasos finales de dar vida a las imágenes generadas por computadora en 3D en una pantalla 2D.

 

La simulación de la luz hace que las imágenes digitales sean mucho más reales. Los algoritmos mejorados y el hardware de procesamiento de gráficos acelerados permiten la aplicación consistente del rastreo de rutas para la animación de alta velocidad y los juegos hiper-sensibles. La nueva generación de GPU, ahora conocida como aceleradores gráficos, está bien posicionada para integrar aún más el rastreo de ruta con imágenes de rápido movimiento.

 

Rastreo de ruta: ¿Qué es y cómo funciona? Preguntas frecuentes (preguntas frecuentes)

¿Qué es una GPU?

 

Una unidad de procesamiento de gráficos (GPU) es un procesador dedicado al procesamiento de gráficos. Las GPU tienen su propia RAM (VRAM) y aceleran la representación de gráficos 3D.

 

Las GPU, o los aceleradores gráficos, son mini-computadora que son poderosas y altamente programables. La tecnología GPU ha avanzado lo que se puede lograr con imágenes generadas por computadora con la representación de alta velocidad de diversos efectos visuales y escenas realistas en animaciones, demostraciones, películas y juegos.

 

¿Qué es la rasterización?

 

La rasterización es la representación de un modelo de computadora 3D como una imagen 2D. Los triángulos que forman un modelo 3D computarizado se representan como píxeles individuales en una pantalla, con un procesamiento adicional para crear una representación realista.

 

¿Qué es una interfaz de programación de aplicaciones de gráficos (API)?

 

Una API gráfica proporciona una biblioteca de comandos que las aplicaciones gráficas pueden usar para comunicarse con controladores de hardware específicos para representar las imágenes 2D y 3D de manera adecuada.

 

¿Cuál es la tubería de renderizado universal (URP)?

 

La tubería de renderizado universal (URP) por Unity es otra tubería de renderizado escalable y escrita que los desarrolladores pueden usar para optimizar el rastreo de rutas y otros efectos gráficos en sus proyectos. URP es compatible con una amplia gama de hardware que abarca teléfonos inteligentes a las PC.

 

¿Cuál es la tubería de renderizado de alta definición (HDRP)?

 

HDRP es un tipo de tubería de renderizado que agrega efectos de imagen como el rastreo de ruta a las imágenes digitales.

 

HDRP es de alta fidelidad y scriptable, lo que significa que los desarrolladores pueden definir y programar los parámetros específicos para el trazado de ruta y otros procesos de representación ejecutados como una imagen 3D es procesada por una GPU.