Desde la llegada de las primeras tarjetas gráficas RTX de NVIDIA, el concepto de Ray Tracing o trazado de rayos en tiempo real apareció para quedarse, especialmente en juegos. Pero, ¿sabes qué es realmente y qué implicaciones tiene? En este artículo vamos a ahondar todo lo posible en la tecnología para contártelo todo sobre ella.
Tanto las gráficas RTX de NVIDIA como las últimas de AMD incorporan lo que se conoce como hardware dedicado para trazado de rayos. ¿Por qué han hecho esto? Porque como seguramente ya sepas, el activar el Ray Tracing en cualquier juego tiene un impacto directo bastante severo en el rendimiento, así que el hecho de que la gráfica cuente con hardware dedicado para ello no solo sirve para mejorar el rendimiento, sino también para que el resultado sea más preciso. Vamos a verlo.
Ray Tracing: definición y fundamentos de la tecnología
El Ray Tracing, o trazado de rayos en español, es una técnica avanzada de renderizado gráfico que simula el comportamiento que tendría la luz en un entorno digital. Mientras que los métodos tradicionales que se utilizaban hasta su implementación utilizaban meras aproximaciones, el Ray Tracing sigue el camino físico de los rayos de luz, mostrando cómo rebotan, se reflejan, se dispersan o van perdiendo intensidad generando efectos visuales de alto realismo, como reflejos exactos, sombras o transparencia de modo preciso.
El motor fundamental del Ray Tracing es la simulación de rayos virtuales disparados desde la cámara, haciendo como si ésta fuera el ojo humano, hacia una escena tridimensional. Cuando estos rayos de luz se encuentran con superficies, el hardware (en este caso la GPU) debe realizar diversos cálculos en tiempo real:
- Intersección: ¿dónde y en qué momento impactan los rayos de luz con los objetos de la escena?
- Material de la superficie: la luz no rebota igual en un espejo que en la piedra, así que el material también es importante para poder calcular el comportamiento de la luz.
- Luz: también es necesario conocer las fuentes de luz y su intensidad para poder saber cómo contribuyen a la iluminación y qué sombras generan.
Además, cada rayo puede generar otros secundarios si éstos rebotan, es decir, si por ejemplo en la escena hay una linterna y ésta apunta a un espejo, la luz refractará en un ángulo que depende del propio ángulo con el que la linterna esté apuntando y, además, se irá difuminando. Todo esto multiplica el detalle lumínico de la escena, pero también eleva notablemente el coste computacional, los cálculos que debe realizar la GPU.
| Rasterización tradicional | Ray Tracing (RT) | |
|---|---|---|
| Proceso básico | Se proyectan triángulos en pantalla, se rellenan píxeles y se aplica iluminación aproximada (por ejemplo, Phong, Phong-Blinn). | Se lanzan rayos individuales y se simula su trayectoria real. Las interacciones con la luz son físicas y realistas. |
| Efectos de luz | Reflejos “falsos”, sombras duras, sin dispersión precisa ni refracción exacta. | Reflejos verdaderos, sombras suaves, refracciones, oclusión ambiental realista. |
| Rendimiento | Muy rápido y eficiente, ideal para GPUs no muy actuales y juegos exigentes. | Muy costoso en términos de procesamiento; cada rayo es complejo y requiere gran capacidad de cálculo. |
| Combinación actual | Rasterización base + RT opcional (por ejemplo, reflejos o sombras en zonas limitadas). | RT total aún no viable para todos los aspectos, aunque avanza rápido con hardware dedicado. |
Como podéis ver en la tabla, la rasterización que es la técnica que se usaba (y se usa) hasta ahora es bastante rápida y eficiente, pero con muchas limitaciones visuales. El Ray Tracing aporta un mayor realismo, con interacciones visuales con la luz y los reflejos de alta fidelidad, pero esto es en detrimento del rendimiento.
Impacto en los FPS en juegos
Implementar Ray Tracing en los juegos tiene un enorme coste de rendimiento, como hemos explicado en la sección anterior, y aunque las gráficas modernas incorporan hardware dedicado para ello muchas veces es insuficiente, especialmente si el juego no está especialmente bien optimizado para ello. Por lo tanto, efectivamente activar el trazado de rayos en los juegos puede tener costes graves en el rendimiento:
- Caída significativa de los FPS: activar RT para reflejos, sombras o iluminación global puede reducir el rendimiento hasta en un 50% o más dependiendo de la gráfica que uses y el juego.
- Carga añadida: además del trabajo computacional extra para la GPU, la memoria de vídeo y el ancho de banda también tendrán carga adicional, ocupando más recursos y aumentando el consumo.
- Variables según el hardware: las gráficas modernas ya cuentan con hardware específico para RT con núcleos dedicados para ello, lo cual mejora significativamente el rendimiento. Sin embargo, como ya hemos mencionado antes, muchas veces esto no es suficiente y depende de la tarjeta gráfica y del juego y su optimización.
Para compensar esta carga de trabajo extra y mejorar los FPS, hoy en día es muy frecuente utilizar tecnologías de escalado mediante Inteligencia Artificial, como DLSS en gráficas NVIDIA y FSR en gráficas de AMD.
Por su parte, DLSS de NVIDIA renderiza a una resolución más baja (por ejemplo, si estás jugando a resolución 4K puede renderizar las imágenes a 1080p) y luego las escala a la resolución a la que estás jugando utilizando redes neuronales entrenadas, manteniendo la calidad visual pero aliviando mucho la carga de la GPU. Esto permite tener RT activado con una penalización bastante menor en el rendimiento.
En el caso de gráficas AMD se utiliza la tecnología FSR y en el caso de Intel, XeSS, que funcionan de una manera similar. Gracias a estas tecnologías, es viable y de hecho recomendable combinar Ray Tracing con tasas de fotogramas jugables incluso a resoluciones elevadas, si bien es cierto que el juego que queramos ejecutar deberá ser compatible con estas tecnologías de escalado.
Arquitectura y evolución del hardware
La llegada del trazado de rayos en tiempo real a los juegos no ha sido un salto repentino sino el resultado de años de evolución en el hardware gráfico y en las técnicas de renderizado. Antes de que estos reflejos realistas llegaran a los juegos, el Ray Tracing ya se utilizaba desde hacía años en cine y animación 3D, donde los tiempos de cálculo de cada fotograma podían medirse en minutos o incluso en horas y no pasaba nada. El reto era lograr esto en milisegundos para poder tener trazado de rayos, precisamente, en tiempo real.
El primer gran paso llegó con la arquitectura NVIDIA Turing en 2018, estrenando la serie RTX 20. Estas gráficas fueron las primeras en introducir los RT Cores, hardware dedicado para el trazado de rayos. Esta especialización permitió que estas GPU ejecutaran Ray Tracing sin interferir con el resto de núcleos de la gráfica, encargados del shading tradicional.
Por su parte, AMD dio el salto en 2020 con las Radeon RX 6000 de arquitectura RDNA 2, que a su vez llegaron a las consolas Xbox Series X|S y PS5, integrando Ray Accelerators, que cumplen con una función similar a los RT Cores pero con un enfoque ligeramente distinto en su diseño y rendimiento. Ya con la arquitectura RDNA 3 de las RX 7000, AMD mejoró notablemente la eficiencia y la capacidad de estos aceleradores, si bien en algunos escenarios todavía quedan por detrás de NVIDIA, especialmente en trazado de rayos pesado con DLSS 3 (que es exclusivo de NVIDIA, claro).
Motores gráficos y técnicas de optimización
Hay que tener en cuenta que Ray Tracing no solo consiste en el hardware, porque sin un software que lo ejecute y optimice no serviría para nada. Es ahí donde entran en juego los motores gráficos, que también se han adaptado para hacer viable el trazado de rayos en tiempo real.
Así, entre en funcionamiento en concepto de pipelines híbridos, que en lugar de renderizar absolutamente todo con el hardware dedicado a RT, se aplican técnicas mixtas, es decir, por ejemplo se utiliza rasterización tradicional para la mayor parte de la escena y se usa el hardware RT soplo para los reflejos en las superficies críticas, sombras de ciertas luces o iluminación global selectiva.
- Unreal Engine desde su versión 4.22 incorporó soporte para Ray Tracing híbrido, y con Unreal Engine 5 esto se potenció todavía más con Lumen, un sistema de iluminación global dinámica que puede utilizar RT o métodos alternativos según el hardware que tengas.
- Unity ofrece soporte opcional para Ray Tracing en su High Definition Render Pipeline (HDRP), con un enfoque más modular que permite habilitarlo solo donde consideres que será más beneficioso.
- Otros motores propietarios de estudios como CD Projekt Red, Remedy, Dice o Pearl Abyss han desarrollado sus propias implementaciones optimizadas para sus motores propietarios, ajustados a las necesidades de sus juegos. Por ejemplo, Pearl Abyss lo utilizará en su motor BlackSpace para Crimson Desert.
¿Realmente es necesario el Ray Tracing para crear una iluminación realista?
El Ray Tracing es una de las tecnologías que más impacto han tenido en la calidad gráfica de los videojuegos en los últimos años. El cambio que supone la capacidad de poder crear reflejos, sombras e iluminación en tiempo real ha logrado que las experiencias sean todavía más realistas. Pero como bien hemos indicado al principio, esto ha llegado con un coste que no todos los usuarios están dispuestos a pagar.
Los motores gráficos de videojuegos han evolucionado hasta un punto en el que muchas veces se puede aplicar un sistema creado «a mano» de iluminación que esté en sintonía con los gráficos del juego. Esto es algo que hemos visto en muchas ocasiones, de hecho existen muchos títulos que no necesitan RT para representar bien todos los efectos que hemos mencionado anteriormente.
Pero el salto de calidad que ofrece tan solo lo puede igualar (y superar) una tecnología que consume incluso más recursos, el Path Tracing. Esto significa que, para lograr el mayor realismo posible no existe una técnica específica que permita representar la iluminación mejor que el Ray y el Path Tracing. En ciertas ocasiones cuando se intenta, los juegos terminan teniendo una calidad que es más cercana a la plastilina que la realidad.
Por este motivo la mejor forma de lograr mejorar la capacidad gráfica que tienen los juegos está en optimizar lo máximo posible el RT con el objetivo de que se convierta en la norma. Aunque obviamente esto no es una tarea sencilla, es probable que con la llegada de las nuevas generaciones de gráficas que se centran en ofrecer mayor potencia se termine convirtiendo en un estándar.