Trazado de rayos: la tecnología que dividió el PC de la consola

El trazado de rayos no nació ayer, aunque muchos lo asocian solo a las tarjetas gráficas modernas. Para entender de verdad de dónde viene esta tecnología conviene retroceder hasta 2004, el año en que alguien intentó por primera vez adaptar un juego de acción en primera persona para que funcionara con este método de renderizado. No fue una gran empresa, ni un estudio con presupuesto millonario. Fue un estudiante llamado Daniel Pohl, que trabajaba en su tesis entre la Universidad de Erlangen-Núremberg y la Universidad del Sarre.

Pohl agarró Quake III Arena y lo combinó con la librería OpenRT. Escribió desde cero un motor gráfico para emular la API necesaria y hacer que todo aquello funcionara. Su idea era ambiciosa. Quería un sistema de iluminación global con trazado de rayos que ofreciera luces realistas y sombras muy precisas. También metió reflejos generados por esta técnica, algo que en la documentación describió como bastante sencillo. La lógica era simple: cuando un rayo golpea una superficie reflectante, se lanza uno nuevo en la dirección reflejada, según el ángulo de incidencia y la normal de esa superficie.

Lo curioso es que en aquella época nada de esto pasaba por la GPU. Se hacía a través de la CPU, tirando de extensiones vectoriales SIMD para exprimir la paralelización. ¿Por qué? Porque los shaders unificados todavía no existían, y no había hardware gráfico con núcleos especializados en cálculos de colisiones e intersecciones. El resultado fue un Quake III Arena capaz de moverse a 512 x 512 píxeles y 20 FPS. Poco para los estándares de hoy, pero aceptable para entonces.

Del experimento de Intel al renacer con NVIDIA Turing

Intel volvió a tontear con esta idea usando una demo de Enemy Territory: Quake Wars, desarrollada por su grupo de investigación. Era un juego mucho más exigente a nivel geométrico, y la implementación resultó modesta pero suficiente para marcar diferencias. El problema era brutal. Con una CPU de 16 núcleos apenas conseguía 1.280 x 720 píxeles entre 14 y 29 FPS. Para subir a un rango de 20 a 35 FPS hacían falta 24 núcleos. Estamos hablando de una época en la que lo normal eran los procesadores de doble núcleo y tener cuatro ya era rareza. Inviable para el gran público, vaya.

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Antes de seguir conviene aclarar qué es el trazado de rayos. Es un método de renderizado que reproduce de forma realista cómo se comporta la luz al interactuar con los elementos de una escena. Primero se calcula la posición y la lógica básica para dar forma a una malla de geometría texturizada. Sobre esa base se aplica la técnica, que puede ser pura o mixta. La pura usa solo trazado de rayos, como Quake II RTX. La mixta lo combina con rasterizado clásico, como Cyberpunk 2077. El truco es que los rayos salen desde la cámara hacia los píxeles, y a partir de ahí se calcula cómo reaccionan con las fuentes de luz. Eso genera una carga de trabajo tremenda, porque hay que calcular impactos, fallos, intersecciones y rebotes.

Cyberpunk 2077 en su modo demencial lanza 10 rayos por píxel y se apoya bastante en el enfoque híbrido. La iluminación global se reduce a un rebote, los reflejos combinan espacio de pantalla con trazado de rayos, y muchos efectos se recortan para no hundir el rendimiento. La versión con trazado de trayectorias, que no es otra cosa que el trazado de rayos completo, dobla los rayos por píxel hasta 22 y alcanza 635 operaciones por píxel. Ahí entra RTX Direct Illumination, con iluminación precisa para cada fuente de luz, múltiples rebotes, reflejos a resolución completa y una física mucho más creíble en interiores.

La primera hornada de juegos y lo que demostraron

El regreso serio llegó en 2018, cuando NVIDIA se atrevió de nuevo con Turing. Atacó dos frentes: la enorme carga de trabajo, resuelta con los núcleos RT y la estructura BVH, y el rendimiento, apoyado en los núcleos tensor y en DLSS. El debut de DLSS fue complicado, con imágenes emborronadas en Metro Exodus y Battlefield V, pero DLSS 2.0 arregló el desastre.

Battlefield V fue el más tímido, limitándose a los reflejos. Control, en cambio, aplicó la tecnología a transparencias, reflejos, iluminación difusa indirecta, sombras de contacto y escombros. Fue el primero que demostró una experiencia realmente transformadora, jugable en una GeForce RTX 2060 a 1080p. Metro Exodus brilló con la iluminación global, y Quake II RTX, con trazado de trayectorias completo, sigue siendo hoy una de las mejores muestras de lo que puede lograr esta tecnología. Ese título también sacó a la luz el problema del ruido en la imagen, que NVIDIA atajó con un reductor que fue el germen de Ray Reconstruction.

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En rendimiento la diferencia era clara. Sin núcleos RT el trazado de rayos en juegos era imposible, y la GeForce RTX 2060 llegaba casi a cuadruplicar a la GeForce GTX 1080 Ti en Quake II RTX. Aquella generación recibió críticas por su salto modesto en rasterización, pero envejeció bien gracias a esos núcleos. Los veteranos quizá recuerden algo parecido con el T&L por GPU, otro avance criticado en su día que acabó definiendo lo que hoy entendemos por tarjeta gráfica moderna.

Fuente
Imagen: muycomputer.com