Ray Tracing y la manipulación de la luz virtual

El realismo de un entorno 3D ya no reside en la calidad de los gráficos, sino en imitar el comportamiento natural de la luz.

En el mundo real sabemos que la luz siempre proviene de alguna fuente ya sea natural o artificial, esos rayos rebotan alrededor de muchas superficies e interactúan entre sí, ya sea en forma de absorción, dispersión, rebote o al llegar a nuestros ojos se percibe con algún color.

A diferencia de este proceso natural, para crear la ilusión de los efectos de la luz en disciplinas como la animación o los videojuegos, se utilizaba una tecnología denominada rasterización. Los objetos 3D se creaban utilizando una malla de triángulos, se «mapeban» (se transformaban en una especie de plantilla lisa), después se procedía a darles textura y sombra para que finalmente pudieran simular un efecto de luz con resultados bastante estáticos o poco fluidos.

Tiempo después se desarrolló un método que vino a cambiar la lógica en la industria de la animación, videojuegos, efectos especiales e incluso de la arquitectura, denominado renderizado híbrido o Hybrid Rendering. Esto significa la generación tradicional de un escenario 3D con cualidades de profundidad y textura, pero con el agregado de usar un rastreo de rayos (o Ray Tracing) que analiza todos los elementos de una escena alrededor del píxel que se procesa al momento.

[box3r] Shader se refiere a un programa que realiza cálculos gráficos generalmente con el propósito de crear efectos de fuego, niebla o en este caso iluminación [/box3r] Esto quiere decir que sobre una superficie reflectante se ejecuta un shader capaz de emitir un rayo según la dirección de la vista y buscar en la escena 3D qué objetos se reflejan sobre ese píxel. Básicamente, el Ray Tracing incluye una revisión espacial que permite imitar muchos efectos luminosos del mundo real. En síntesis, la iluminación por Ray Tracing consiste en verificar si se puede ver directamente o con rebotes una fuente de luz para determinar si su píxel está iluminado o en sombra.

En las siguientes imágenes se puede observar cómo la luz rebota en superficies reales hacia distintas direcciones ya sea por su forma, posición o material. Este efecto antes era muy complicado de reproducir de manera artificial, ya que necesitaba de muchos recursos para hacerlo posible.

Como su nombre lo indica, el procesador debe rastrear todos los rayos emitidos por una fuente de luz y calcular cómo interactúa con cada objeto y superficie en una escena. A medida que cada rayo golpea un objeto y dependiendo del tipo de superficie, será absorbido, reflejado, refractado o dispersado, lo que dará como resultado potencialmente miles de rayos adicionales que deben calcularse, proceso llamado iluminación global. La medida típica del rendimiento de un Ray Tracing es en millones de rayos por segundo.

En los siguientes ejemplos se puede observar el reflejo sobre un cristal en tiempo real que responde a la dirección donde rebota los rayos de luz o también cómo con Ray Tracing se puede generar una dirección más natural de las sombras, así como una mejor percepción de los materiales de las columnas.

Es posible que se pregunte si el Ray Tracing es tan bueno, ¿por qué no ha sido una práctica estándar usarlo para crear juegos y otras imágenes 3D en tiempo real? La razón es que en términos computacionales es fenomenalmente «caro», lo que lo coloca fuera del alcance del hardware convencional. Shining a light on Ray Tracing.

Para quienes no se encuentran tan involucrados en el detrás de bambalinas de este tipo de tecnología puede parecer una simple mejora en los gráficos. Sin embargo, si se reflexiona sobre el proceso técnico y el conocimiento físico para lograr reproducir de forma tan fiel el fenómeno de la luz de una modo totalmente artificial, uno se pueda dar cuenta que un rayo que rebota sobre un charco de agua, el realce de las texturas cuando la luz cae sobre su superficie o el reflejo de un rostro en un vidrio implica un enorme avance  en la tecnología. No solo se comprende la luz, ya se es posible manipularla en su totalidad.

https://www.youtube.com/watch?v=yOA4R2E-gzg&ab_channel=PlayscopeXP

Fuentes
Ray Tracing Explained: Interview with Imagination Technologies 
Shining a Light on Ray Tracing 
What’s your level? Ray Tracing Levels System 

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