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Si estás interesado en los aspectos técnicos de una excelente experiencia gráfica o de juegos, o estás buscando una GPU que pueda manejar las técnicas gráficas más avanzadas, necesitarás conocimientos sobre el path tracing.
A medida que los gráficos por computadora se han vuelto cada vez más sofisticados, el path tracing ha cambiado las reglas del juego para la calidad y el realismo de las imágenes generadas por computadora. Pero necesitarás el hardware adecuado para aprovechar al máximo esta tecnología gráfica.
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Comprender qué es el path tracing puede ayudarte a evaluar cómo puedes mejorar tu experiencia gráfica sin comprometer la velocidad y el rendimiento de tu GPU. En este artículo, explicaremos qué es el path tracing, cómo funciona y cómo afecta el path tracing al procesamiento de la GPU.
¿Qué es el path tracing?
El path tracing es un método basado en computadora para agregar iluminación realista a imágenes digitales tridimensionales. Utiliza un conjunto de algoritmos informáticos conocidos colectivamente como método de 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 único punto de origen de la superficie del objeto. Luego, la función de seguimiento de ruta atribuye un nivel de luminiscencia a cada píxel de la imagen procesada.
El path tracing es un tipo de renderizado. El renderizado es la síntesis de imágenes, la creación de imágenes realistas por computadora en dos o tres dimensiones mediante software. El renderizado forma una parte importante de la producción de gráficos tridimensionales con path tracing y otros efectos aplicados a las imágenes para darles su apariencia final.
Las imágenes o renderizados generados por computadora se procesan como archivos de escena que contienen los datos que definen la geometría, la textura, la iluminación y el sombreado de las imágenes digitales de salida.
El path tracing simula la iluminación natural
El path tracing es clave para transformar gráficos por computadora en imágenes realistas con 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 eficaz para representar varios efectos de iluminación que deberían agregarse individualmente a un gráfico de computadora, incluidos el trazado de rayos, la profundidad de campo, la iluminación indirecta y la oclusión ambiental.
El modelado es clave en el path tracings, ya que utiliza datos de modelado precisos de una variedad de superficies reales, fuentes de luz y cámaras para determinar la iluminación adecuada. El path tracing 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.
Path Tracing vs Trazado de Rayos
El path tracing es un tipo de trazado de rayos. El trazado de rayos comprende una amplia gama de técnicas y renderizado para modelar el transporte de luz en imágenes digitales. Además del path tracing, el trazado de rayos incluye técnicas de renderizado como la proyección de rayos, el mapeo de fotones y el trazado de rayos recursivo.
A diferencia del path tracing, el trazado de rayos puede generar una gama más amplia de efectos visuales; incluso puede modelar ondas sonoras 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 lentos, ya que imponen grandes exigencias a la GPU.
El trazado de rayos y el path tracing se usaban comúnmente para imágenes fijas en lugar de películas, animaciones o juegos, lo que habría requerido un cálculo significativo en tiempo real para representar cada cuadro mostrado.
La historia del path tracing
La cuestión de cómo renderizar de manera realista imágenes 3D en una superficie 2D es una cuestión que ha unido los mundos del arte y las matemáticas durante siglos. Muchos distinguidos artistas desarrollaron técnicas para replicar objetos en 3D, como el pintor y grabador del siglo XVI, Alberto Durero, que utilizó cuerdas y pesas para mapear objetos con precisión al lienzo.
La técnica de cuerdas y pesas de Durero fue una versión temprana de la técnica de trazado de rayos con la que está relacionado el path tracing. El hilo de Durero es idéntico a los caminos de luz que viajan entre los objetos y el ojo del espectador.
James Kajiya, un ingeniero informático postdoctoral, ideó las ecuaciones matemáticas que llevaron al desarrollo del path tracings en la década de 1980. Su investigación se centró en el uso de experimentos de Monte Carlo, una clase de algoritmos computacionales que utilizan la aleatoriedad para resolver problemas deterministas. Su artículo de 1986 propuso una ecuación de transporte ligero que constituye la base del path tracings.
Esto implica la generación de numerosos eventos de dispersión que crean caminos que comienzan en la cámara y terminan en fuentes de luz individuales en la escena generada por computadora. Desde entonces, la ecuación básica de transporte de luz que propuso Kajiya se ha desarrollado en los algoritmos de seguimiento de trayectoria utilizados para los gráficos contemporáneos.
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¿Cómo funciona el path tracing?
El path tracing 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 el camino hasta que llega a una fuente de luz y repite el proceso hasta que llega a 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 muchos caminos individuales elimina este ruido. La densidad de los caminos generados puede luego calcular efectos que incluyen iluminación indirecta, sombras duras y suaves, superficies brillantes, reflexiones y refracciones, duplicación, punto de área e iluminación direccional.
Las implementaciones más avanzadas de path tracings pueden acumular hasta 4 rutas para cada píxel en la imagen en un único proceso de renderizado unificado conocido como High Definition Render Pipeline (HDRP).
Los diseñadores y programadores pueden configurar el path tracings y otros efectos para aplicaciones como videojuegos y animaciones. Pueden utilizar una variedad de tecnologías para aplicar técnicas de iluminación programables a sus escenas que logran un alto estándar gráfico.
Los parámetros con los que pueden trabajar incluyen el número de fotogramas que se acumulan en una imagen final, el número mínimo y máximo de rebotes de luz en cada camino (que determina la profundidad), y la intensidad de cada valor de luz: limitar la intensidad evita la aparición de píxeles ultrabrillantes pero puede atenuar la imagen general.
Las canalizaciones de gráficos se utilizan para agregar path tracing a las escenas
Los diseñadores y programadores utilizan varios canales de renderizado para agregar path tracing a sus escenas. Los canales de gráficos por computadora programan los pasos que sigue una unidad de procesamiento de gráficos (GPU) para representar imágenes 3D generadas por computadora en una pantalla 2D.
Los canales de gráficos dependen del software y hardware utilizados para procesar y mostrar las imágenes. No existe un estándar universal para los canales de gráficos, pero los desarrolladores han creado varias interfaces de programación de aplicaciones gráficas para unificar y estandarizar el procesamiento de gráficos para GPU.
El path tracings y otros efectos de renderizado requieren un potente procesamiento de gráficos
Renderizar una imagen digital 3D en una pantalla 2D requiere un procesamiento de gráficos complejo. En la informática moderna, una GPU se encarga de este proceso, que está diseñada específicamente para realizar cálculos de renderizado complejos, incluido el seguimiento de rutas. Una GPU separada con memoria dedicada y canalización de gráficos elimina la presión de la CPU para completar los cálculos de renderizado necesarios para crear imágenes y escenas realistas.
La función de seguimiento de ruta se convierte entonces en un modelo de iluminación general para todas las imágenes que genera la GPU. Las GPU pueden procesar gráficos 3D pre-renderizados o pueden ser lo suficientemente potentes como para generar path tracing y otros efectos en tiempo real. Para el procesador, el path tracing es un proceso que consume muchos recursos, especialmente en los juegos debido a sus escenas dinámicas y que cambian aleatoriamente.
Los aceleradores de gráficos pueden mejorar el rendimiento de renderizado en tiempo real. El path tracings y el trazado de rayos suelen ser procesos lentos y que requieren un uso intensivo de la computación, pero desde 2018, las GPU han incluido aceleración de hardware que puede admitir el path tracings y rayos en tiempo real. Las actualizaciones en las API de gráficos han igualado este aumento en la velocidad de procesamiento, lo que permite a los desarrolladores incluir seguimiento de ruta en tiempo real en proyectos dinámicos como videojuegos sin ralentizarlos.
Las GPU y los aceleradores de gráficos son el mismo componente de hardware. Esta poderosa unidad informática tiene un procesador dedicado, VRAM, E/S y buses para procesamiento de gráficos de alta velocidad que pueden mantenerse al día con las aplicaciones gráficas más avanzadas. Los procesadores gráficos modernos y avanzados de fabricantes líderes como NVIDIA son ahora esenciales para cualquier aplicación con uso intensivo de gráficos.
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Conclusión
El path tracings es uno de los pasos finales para dar vida a imágenes 3D generadas por computadora 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 acelerado permiten la aplicación consistente de path tracing para animaciones de alta velocidad y juegos con hiperrespuesta. La última generación de GPU, ahora conocidas como aceleradores de gráficos, está bien posicionada para integrar aún más el path tracings con imágenes en rápido movimiento.
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 renderización de gráficos 3D. Las GPU, o aceleradores de gráficos, son minicomputadoras potentes y altamente programables.
La tecnología GPU ha avanzado lo que se puede lograr con imágenes generadas por computadora con la representación a 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 componen un modelo 3D computarizado se representan como píxeles individuales en una pantalla, y se procesan posteriormente para crear una representación realista.
¿Qué es una interfaz de programación de aplicaciones gráficas (API)?
Una API de gráficos proporciona una biblioteca de comandos que las aplicaciones de gráficos pueden utilizar para comunicarse con controladores de hardware específicos para representar imágenes 2D y 3D de forma adecuada.
¿Qué es el canal de renderizado universal (URP)?
Universal Render Pipeline (URP) de Unity es otro canal de renderizado escalable y programable que los desarrolladores pueden utilizar para optimizar el path tracings y otros efectos gráficos en sus proyectos. URP es compatible con una amplia gama de hardware que abarca desde teléfonos inteligentes hasta PC.
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¿Qué es el canal de renderizado de alta definición (HDRP)?
HDRP es un tipo de canal de renderizado que agrega efectos de imagen como path tracing a imágenes digitales. HDRP es de alta fidelidad y programable, lo que significa que los desarrolladores pueden definir y programar los parámetros específicos para el seguimiento de rutas y otros procesos de renderizado ejecutados mientras una GPU procesa una imagen 3D.