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Trazado de rayos ¿qué es? y ¿por qué todos hablan de esto?

Explicamos la tecnología de la que todo el mundo habla, pero pocos entienden realmente

Para empezar hay mucha matemática y teorías involucradas en el proceso de mostrar gráficos -incluso simples en 2D. Tanto, que puede ser intimidante. Por eso, hoy hablaremos sobre un método de gráficos 3D poderoso pero simple conocido como trazado de rayos.

Con la nueva generación de consolas a la vuelta de la esquina, todos están hablando del trazado de rayos. Pero ¿de qué va esta es una técnica para representar gráficos?.

Hasta ahora los procesos para representar gráficos tridimensionales eran muy complejos. Pero el trazado de rayos, de hecho, es un método muy simple tanto para comprender como para implementar. Puede entenderse sin ahondar mucho en procesos matemáticos. Se basa en la idea de que se puede modelar la reflexión y la refracción recreando el camino que tomaría la luz a medida que rebota en un entorno.

EL trazado de rayos funciona trazando la línea visual de un ojo imaginario a través de cada píxel en una pantalla virtual, y calculando el color del objeto visible a través de ella. Wikipedia

El trazado de rayos ¿alguien lo entiende?

Ante todo, debemos comprender cómo se crean los gráficos que se crean en las computadoras. Lo primero es tener una lista de objetos que se quiere que el software represente. Estos objetos son parte de una escena o mundo. Por lo que, en el mundo de los gráficos por computadora,  “mirar el mundo” no es un planteamiento filosófico. En realidad se refiere al proceso de dibujar los objetos desde un punto de vista dado.

Ese punto de vista se llama ojo o cámara. Siguiendo esta analogía de la cámara, al igual que una cámara necesita un sensor sobre cual se proyecta y graba la escena, en los gráficos tenemos una ventana de visualización en la que dibujamos la escena. La diferencia es que, mientras que en las cámaras el sensor se coloca detrás de la abertura o el punto focal, en los gráficos la ventana de visualización se encuentra frente al punto focal.

La ventana de  visualización, puede ser una pantalla, por ejemplo.

Entonces, el color de cada punto en un sensor fotográfico es creado por un rayo de luz que atraviesa la óptica y estimula los píxeles. En el caso de los gráficos por computadora, cada píxel de la imagen final es causado por una simulación de un rayo de luz que golpea la ventana de visualización en su camino hacia el ojo. Los resultados, sin embargo, son los mismos.

El reto, es encontrar el color de cada punto en la ventana de visualización. Para ello, se subdivide la ventana en cuadrados pequeños, donde cada cuadrado corresponde a un píxel en la imagen final. Para crear una imagen con una resolución de 640×400, dividiría la ventana de vista en una cuadrícula de 640 cuadrados de ancho y 400 de abajo.

Lo que hace el trazado de rayos, es asignar un color a cada cuadrado.

El principio de funcionamiento del trazado de rayos

El trazado de rayos toma su nombre porque trata de simular el camino que toman los rayos de luz a medida que rebotan en el mundo que recrea. Se trazan a través de la escena.

El objetivo es determinar el color de cada rayo de luz que incide en la ventana de visualización antes de llegar al ojo. A decir verdad, el término “trazado de rayos” es un poco engañoso porque la suposición natural sería que los rayos se rastrean comenzando en su punto de origen, la fuente de luz, y hacia su destino, el ojo.

Así sería la forma más precisa de hacerlo, pero esto tiende a ser muy difícil debido a la gran cantidad variables involucradas. Considera trazar un rayo de luz de esta manera en una escena con una luz y un objeto, como una mesa. Comenzamos en la bombilla, pero primero debemos decidir cuántos rayos disparar la bombilla. Luego, para cada rayo, tenemos que decidir en qué dirección va. Realmente hay una infinidad de direcciones en las que puede viajar, ¿cómo sabemos cuál elegir?.

Digamos que tenemos una respuesta para todas esas preguntas, ahora estamos rastreando varios haces de luz. Algunos alcanzarán el ojo directamente, otros rebotarán por ahí y luego alcanzarán el ojo, y muchos, muchos más probablemente nunca lleguen al ojo en absoluto. Entonces, hacer este trabajo para todos los rayo, incluyendo aquellos que nunca llegan al ojo, es un desperdicio de tiempo.

Revertir el proceso es la clave del éxito

Ahora bien, a sabiendas de estos, los ingenieros que desarrollaron la técnica del trazado de rayos descubrieron una mejor forma de rastrear los rayos que golpean la ventana de visualización. Para no hacer esfuerzos innecesarios, el truco es rastrear solo aquellos rayos que con seguridad incidirán en la ventana de visualización y llegarán al ojo.

El primera instancia parece imposible saber de antemano qué rayos llegarán al ojo. Después de todo, cualquier rayo puede rebotar en la habitación muchas veces antes de llegar al ojo.

Sin embargo, si se revierte el proceso, la solución es muy simple. En lugar de rastrear los rayos que comienzan en la fuente de luz, los rastreamos, comenzando por el ojo.

Considera cualquier punto en la ventana de vista cuyo color estamos tratando de determinar. Su color viene dado por el color del rayo de luz que pasa a través de ese punto en la ventana de vista y llega al ojo. El rayos de luz es el mismo sin importar la dirección en l que se rastree, pero si seguimos el rayo a la inversa haremos lo mismo que el método original, excepto que no desperdiciamos ningún esfuerzo en los rayos que nunca llegan al ojo.

Así es como funciona el trazado de rayos en los gráficos de computadora. Para cada píxel en la ventana de vista, se simula un rayo que se extiende desde el ojo hasta ese punto. Seguimos este rayo en la escena y rebota en diferentes objetos.

El color final del rayo (y, por lo tanto, del píxel correspondiente) viene dado por los colores de los objetos golpeados por el rayo a medida que viaja a través de la escena.

 

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