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¿Qué es el trazado de rayos? (Y lo que significa para los juegos de PC)

mayo 18, 2021

¿Has notado que tus ojos se abren mucho más cuando juegas últimamente? Si es así, puede deberse a una nueva técnica que se está extendiendo, lentamente, a través del juego-o-esfera. Las últimas y más espectaculares mejoras visuales en los juegos de PC se le ofrecen por cortesía del trazado de rayos, algo que solo recientemente se ha hecho posible en tiempo real con hardware especializado.

Aunque el trazado de rayos se hace referencia comúnmente en los juegos de PC, Xbox Series X de Microsoft y PlayStation 5 de Sony también tienen el hardware necesario y una creciente biblioteca de juegos que lo admiten. Este artículo cubre en qué se diferencia el trazado de rayos de la rasterización tradicional, por qué es importante para el futuro de los juegos y, por supuesto, si el trazado de rayos debería influir en la compra de su próxima PC para juegos (ya sea una computadora de escritorio para juegos o una computadora portátil para juegos) o consola.


Los fundamentos del trazado de rayos

El trazado de rayos es una técnica que funciona bien para iluminar una escena generada por computadora. El concepto no es nuevo; qué es Lo nuevo es tener al alcance el músculo de la computación para llevarlo a cabo de manera eficiente.

Imagínese disparar un rayo de luz a un objeto y rastrear cómo rebota en la superficie, casi como entrar en una habitación oscura y apuntar con una linterna. Luego imagina disparar muchos rayos, usando los que regresan (y los que no) para descubrir cómo debería verse la escena. Por ejemplo, los rayos que no regresaron probablemente fueron bloqueados por un objeto, creando así una sombra. (Pensar en el concepto de la misma manera en que funciona el radar no está muy lejos).

Trazado de rayos AMD
Un esquema básico de cómo funciona el trazado de rayos

Esa explicación básica destaca cómo el trazado de rayos es paralelo a la iluminación del mundo real: la luz que llega a tu ojo le dice a tu cerebro lo que estás viendo. Las películas animadas han utilizado el trazado de rayos durante décadas; De Pixar Historia del juguete, por ejemplo, lo puso en el centro de atención en 1995, y desde entonces se han logrado grandes avances en el renderizado.

Sin embargo, durante el tiempo que la industria cinematográfica ha estado utilizando el trazado de rayos, los videojuegos se han basado en una técnica diferente, la rasterización, para renderizar mundos 3D. Pero, antes de llegar a las razones detrás de eso, comparemos el trazado de rayos con la rasterización.


Los fundamentos: trazado de rayos versus rasterización

La rasterización es un enfoque basado en objetos para la representación de escenas. Cada objeto se pinta con color primero, luego se aplica la lógica para mostrar solo los píxeles que están más cerca del ojo. Por el contrario, el trazado de rayos colorea los píxeles primero y luego los identifica con los objetos más tarde. Simple … eso lo explica todo, ¿verdad?

Nvidia GeForce RTX 3080
La Nvidia GeForce RTX 3080 es una tarjeta gráfica de alta gama con soporte de trazado de rayos de hardware.

Bueno no bastante, así que piénsalo así. La rasterización requiere técnicas especiales y ajustes para crear imágenes realistas. Por ejemplo, la canalización de renderizado de un juego puede adaptarse y optimizarse para aplicar un cierto efecto, donde los píxeles de un objeto tienen un patrón determinado. Naturalmente, este tipo de lógica variará de un objeto a otro y de una escena a otra. Se requiere un esfuerzo por parte del desarrollador para aprovechar esto, pero puede ser rentable en eficiencia, ya que la computadora puede representar una escena complicada sin cantidades proporcionales de potencia de procesamiento.

El trazado de rayos tiende a aplicarse de una manera más general que la rasterización, ya que se basa en disparar rayos de luz. Como resultado, las técnicas para lograr resultados visuales con él se basan en cómo se utilizan esos rayos. Las sombras y los reflejos más suaves, por ejemplo, requieren disparar más rayos, mientras que los efectos de movimiento y desenfoque pueden requerir alterar la sincronización de los rayos o el punto de origen de los rayos.

En total, la rasterización y el trazado de rayos se pueden utilizar para lograr el mismo resultado (o, al menos, cerca de él). Así que ahora exploremos por qué se usaría uno sobre el otro.


Juegos convencionales, conozca el trazado de rayos

Hace décadas, la rasterización se ganó su lugar en los videojuegos porque el hardware requerido para hacerlo era lo suficientemente asequible para que los compradores principales pudieran acceder, a diferencia del que se requería para el trazado de rayos. Esto sigue siendo en gran parte cierto; Las tarjetas gráficas para juegos están optimizadas para la rasterización, y lo serán durante muchos años.

El viaje del trazado de rayos hacia los juegos convencionales comenzó en 2018 con el lanzamiento de la línea de tarjetas de escritorio GeForce RTX de Nvidia, en forma de GeForce RTX 2080. Nvidia presentó sus tarjetas de la serie GeForce RTX 3000 de segunda generación en 2020 (encabezadas por la GeForce RTX 3080) y su rival AMD rápidamente siguió su ejemplo con su serie Radeon RX 6000. (Vea nuestra revisión del modelo insignia Radeon RX 6800 XT).

AMD Radeon RX 6800 XT
La Radeon RX 6800 XT de AMD compite con la GeForce RTX 3080.

En resumen, el trazado de rayos tardó tanto en entrar en la escena de los juegos porque los recursos informáticos para llevarlo a cabo habían sido inalcanzables a precios que permitirían la adopción generalizada. Por supuesto, el costo de entrada sigue siendo relativamente alto: ni AMD ni Nvidia ofrecen una tarjeta gráfica de escritorio de gama baja con trazado de rayos de hardware todavía. Por el momento, la tarjeta de video de “nivel de entrada” capaz de realizar el trazado de rayos en hardware es la GeForce RTX 2060, que se lanzó en 2019 con un presupuesto no muy alto de $ 349 y se vende muy por encima de la de la mayoría de las fuentes en estos días, debido a la alta demanda (y escasa oferta) de tarjetas de video.

Las mejores tarjetas gráficas de trazado de rayos que hemos probado …

Todavía en algunos punto, los precios se estabilizarán. Y el escenario está listo para la adopción generalizada continua, especialmente desde que las últimas consolas de juegos se unieron a la fiesta.


Mejoras visuales con el trazado de rayos

Es importante darse cuenta de que el trazado de rayos solo ha puesto su pie en la puerta de los gráficos para juegos. Eso es porque renderizar un completo el juego en el trazado de rayos en tiempo real todavía está mucho más allá de las capacidades del hardware actual. Los juegos que admiten el trazado de rayos lo usan solo para ciertos efectos, principalmente los relacionados con las sombras y la iluminación, mientras que todo lo demás sigue rasterizado.

Primero, una introducción rápida a la terminología. Las tarjetas de la marca RTX de Nvidia, por ejemplo, GeForce RTX 2060 o RTX 3080, utilizan una implementación de representación de gráficos patentada a la que Nvidia se refiere en términos generales como “RTX”. Esta implementación lata use DirectX 12, y más específicamente su API DirectX Raytracing (DXR) para renderizar las rutas de luz en el motor del juego.

Mientras tanto, DXR es una API de trazado de rayos que puede funcionar independientemente del hardware de Nvidia o junto con él. Por ejemplo, los desarrolladores del juego Crysis mostraron una demostración de su propio motor Crytek hace varios años que ejecutaba reflejos de trazado de rayos en una tarjeta de la serie AMD Radeon RX 5000 (una GPU sin núcleos RT integrados), aunque se esperaba que el rendimiento fuera lento. . Si tuviera que ejecutar la misma demostración en una tarjeta AMD Radeon RX 6000 Series, completa con núcleos RT integrados, procesaría la escena DXR significativamente más rápido.

Los núcleos RT (que están especializados para procesar las matemáticas de los rayos de luz) ayudan a cualquier tarjeta gráfica, de la marca AMD o Nvidia, a ejecutar DXR más rápido, pero DXR no necesita núcleos RT para funcionar.

Veamos cómo el trazado de rayos puede mejorar visualmente un juego. Tomé los siguientes pares de capturas de pantalla en Shadow of the Tomb Raider de Square Enix para PC, que admite sombras con trazado de rayos en tarjetas gráficas Nvidia GeForce RTX. Específicamente, mira las sombras en el suelo.

SOTTR Non Ray Tracing 2
Sombras rasterizadas
Trazado de rayos SOTTR 2
Sombras con trazado de rayos (usando la configuración Ultra en el juego)

Aquí hay otra pareja de escenas de Shadow of the Tomb Raider …

Trazado sin rayos SOTTR 1
Sombras rasterizadas
Trazado de rayos SOTTR 1
Sombras con trazado de rayos (una vez más, con la configuración Ultra en el juego)

Y veamos un conjunto final …

SOTTR Non Ray Tracing 3
Sombras rasterizadas
Trazado de rayos SOTTR 3
Sombras con trazado de rayos (configuración Ultra en el juego)

Las sombras con trazado de rayos son más suaves y realistas en comparación con las versiones rasterizadas más duras. Su oscuridad varía según la cantidad de luz que bloquee un objeto e incluso dentro de la propia sombra, mientras que la rasterización parece darle a cada objeto una ventaja. Las sombras rasterizadas todavía no se ven mal, pero después de jugar el juego con sombras trazadas por rayos, es difícil volver atrás.

Actualmente, la compatibilidad con el trazado de rayos en los juegos es algo polarizante porque la función debe implementarse por separado para tarjetas AMD y Nvidia. Más juegos admiten tarjetas Nvidia principalmente porque Nvidia fue la única que produjo tarjetas gráficas con capacidad de trazado de rayos hasta 2020, pero más juegos están comenzando a admitir ambos sabores. Ejemplos de este último incluyen Cyberpunk 2077, Dirt 5, Godfall y World of Warcraft: Shadowlands.

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Ray Tracing: el impacto en el rendimiento

Cuando se trata de gráficos para PC, todo tiene un precio, y las ventajas visuales del trazado de rayos no son una excepción. Habilitarlo generalmente da como resultado una penalización de rendimiento que varía en su impacto de un juego a otro.

Tomemos, por ejemplo, el punto de referencia incorporado en el juego Shadow of the Tomb Raider. Lo ejecuté en una computadora de escritorio lista para juegos con un procesador AMD Ryzen 9 5900X, una tarjeta gráfica GeForce RTX 3080 y 32 GB de memoria. Los números que se presentan a continuación, probados a dos resoluciones, son los fotogramas promedio por segundo (fps). Se requieren al menos 60 fps para un juego fluido.

Los impactos de rendimiento de dos dígitos del trazado de rayos son significativos, y tenga en cuenta que esto es con la función DLSS de mejora del rendimiento activada. DLSS es una función específica de Nvidia compatible con ciertos juegos que puede ayudar a reducir el impacto en las velocidades de cuadro de la carga computacional del trazado de rayos. (Para obtener más información sobre DLSS, consulte nuestra función Probar DLSS 2.0 de Nvidia: ¿Velocidades de fotogramas más altas gratis?) DLSS es muy prometedor, pero el juego debe admitirlo. Si bien está ganando impulso en estos días, su apoyo está lejos de ser universal.

Recuerde, esta compensación de rendimiento proviene solo de la aplicación de efectos de sombra e iluminación, por lo que la tecnología actual está muy lejos de usar el trazado de rayos para renderizar un juego completo. Dicho esto, los impactos de rendimiento son el peor de los casos en este caso, ya que este juego tiene configuraciones de sombra con trazado de rayos con un impacto de rendimiento menos negativo.

La optimización del juego merece una mención. Sin duda, los desarrolladores aprenderán a optimizar mejor el trazado de rayos de forma muy similar a como lo hicieron con la rasterización, por lo que debería ser posible obtener más efectos de trazado de rayos con el hardware actual. (Nuevamente, observe qué tan lejos ha llegado la rasterización).

Juegos clave de trazado de rayos que hemos revisado

DLSS es un enfoque que también ayudará, y esperamos el refinamiento y la expansión de DLSS a medida que pase el tiempo. AMD también está trabajando en su propia alternativa de ahorro de rendimiento estilo DLSS, denominada “Súper Resolución”. Super Resolution se está desarrollando en conjunto con el equipo DirectML de Microsoft (“ML” es la abreviatura de “aprendizaje automático”). Sin embargo, AMD dice que la tecnología aún está lejos, y es probable que no veamos ningún juego que se ejecute con ella hasta 2022 como muy pronto.


Un futuro con trazado de rayos: ganando fuerza lentamente

A pesar de las limitadas aplicaciones del trazado de rayos en los juegos actuales, llegó para quedarse. La escritura ha estado en la pared desde que AMD siguió a Nvidia al presentar las tarjetas gráficas Radeon con soporte de trazado de rayos por hardware. El soporte de trazado de rayos de hardware en Xbox Series X y PlayStation 5 impulsa aún más ese punto.

En ese sentido, la decisión de adoptar el trazado de rayos se ha hecho para los jugadores de consola. También se ha diseñado para los jugadores de PC que compran tarjetas gráficas modernas de gama media a alta, ya que todos los modelos más recientes admiten el trazado de rayos de hardware, pero la pregunta sigue siendo si los jugadores con tarjetas gráficas antiguas o de gama baja deberían actualizar, o los del mercado. Debería levantarse.

Corazón atómico

En resumen, no es imperativo invertir en una tarjeta gráfica …