Trazado de rayos en los juegos

[Yenki]

Introducción

En el año 2016 el diseñador de chips para gráficos Nvidia presentó una familia de tarjetas basada en una arquitectura llamada Pascal, los modelos fueron:

modelo ----frecuencia de trabajo en MHz, cantidad de memoria en MB, ancho de banda en GB/s, potencia consumida en W **** precio sugerido en dólares para EE.UU.
GeForce GT 1030 ------(1151 MHz, 2048 MB DDR4, 16.8 GB/s, 20 W)
GeForce GT 1030 ------(1227 MHz, 2048 MB GDDR5, 48 GB/s, 30 W)
GeForce GTX 1050----- (1354 MHz, 2048 MB GDDR5, 112 GB/s, 640 CUDA, 75 W)
GeForce GTX 1050 Ti --(1290 MHz, 4096 MB GDDR5, 112 GB/s, 768 CUDA, 75 W)
GeForce GTX 1060 -----(1506 MHz, 3072 MB o 6144 MB GDDR5, 192 GB/s, 1280 CUDA, 120 W) *** 300 dólares.
GeForce GTX 1070 ----- (1506 MHz, 8192 MB GDDR5, 224 GB/s, 1920 CUDA, 150 W) *** 380 dólares
GeForce GTX 1070 Ti --(1607 MHz, 8192 MB GDDR5, 256 GB/s, 2432 CUDA, 180 W)
GeForce GTX 1080 -----(1607 MHz, 8192 MB GDDR5X, 320 GB/s, 2560 CUDA, 180 W) *** 600 dólares
GeForce GTX 1080 Ti --(1480 MHz, 11264 MB GDDR5X, 484 GB/s, 3584 CUDA, 250 W) *** 700 dólares
GeForce GTX TITAN Xp -(1582 MHz, 12288 MB GDDR5X, 548 GB/s, 250W)

Fuente y también techpowerup.com.
Vean como no hay magia, a mayor rendimiento, (lugar más abajo en la lista), hay mayor potencia requerida.

Si no eras rico, y eras un jugador serio, en ese tiempo el mejor costo/rendimiento estaba dado por las tarjetas GTX 1060, y si te podías dar un lujo apuntabas a una 1070.



En la segunda mitad del 2018 Nvidia presentó una nueva generación, esta se basaba en una nueva arquitectura llamada Turing.
Presentaban nuevas denominaciones, RTX en lugar de GTX. La R aludía a que esta familia tenía una característica novedosa importante, soportaban la generación de gráficos con un método denominado "trazado de rayos", (en inglés "Ray tracing").



A continuación los modelos y especificaciones :

modelo ----frecuencia de trabajo en MHz, cantidad de memoria en MB, ancho de banda en GB/s, potencia consumida en W **** precio sugerido en dólares para EE.UU.
GeForce RTX 2060 ______(1365 MHz, 6144 MB GDDR6, 336 GB/s, 160 W) *** 350 dólares
GeForce RTX 2070 ______(1620 MHz, 8192 MB GDDR6, 448 GB/s, 175 W) *** 500 dólares
GeForce RTX 2080 ________(1710 MHz, 8192 MB GDDR6, 448 GB/s, 2944 CUDA, 215W) *** 700 dólares
Geforce RTX 2080 TI ____(1545+ MHz, 11264 MB GDDR6, 616 GB/s, 4352 CUDA, 250 W) *** 1000 dólares
Geforce RTX Titan ______(1770 MHz, 24576 MB GDDR6, 672 GB/S, 280 W)

El soporte para imágenes generadas por trazado de rayos en juegos es exclusivo de Nvidia, AMD el rival en el campo de los chips para generar gráficos (GPU) no tiene este soporte.
Léase, en el rubro de los juegos para PC, la empresa del logo verde no tiene competidor en esta característica.

Nvidia cobró un recargo por esta funcionalidad, si en las dos tablas previas comparan los valores en dólares de los modelos resaltados en amarillo se ve claramente.
La GTX 1060 con 6 GB de memoria había sido presentada con un costo de 300 dólares, su evolución RTX 2060 también con 6 GB de memoria fue vendida a 350.
La GTX 1070 de 8 GB de memoria fue estrenada con un costo de 380 dólares, su evolución RTX 2070 con la misma cantidad de memoria subió a 500 dólares.
La GTX 1080 con 8 GB de RAM tuvo un precio sugerido de 600 dólares, su reemplazante también con 8 GB la RTX 2080 aumentó a 700 dólares.



Lista de juegos que soportan trazado de rayos
Entonces tenemos que esta tecnología fue introducida en el 2018, pero al día de hoy, a dos años, los juegos que pueden usarla son muy pocos, apenas 14, la lista continuación:

• Amid Evil

• Battlefield V

• Bright Memory

• Call of Duty Modern Warfare

• Control

• Deliver Us The Moon

• Fortnite

• Mechwarrior V: Mercenaries

• Metro Exodus

• Minecraft

• Quake II RTX

• Shadow of the Tomb Raider

• Stay in the Light

• Wolfenstein Youngblood

Hay títulos para PC, que no han sido estrenados que prometen soportar el trazado de rayos, son:
Atomic Heart
Call Of Duty: Black Ops Cold War
Cyberpunk 2077
Doom Eternal
Dying Light 2
Enlisted
Justice MMO
JX Online 3 MMO
Observer: System Redux
Synced: Off-Planet
The Witcher 3: Wild Hunt Complete Edition
Vampire: The Masquerade – Bloodlines 2
Watch Dogs: Legion
World Of Warcraft: Shadowlands

Tomé estos datos de gamewatcher.com.






Para mí
La forma tradicional con que en los juegos se generan las imágenes en 3 dimensiones se llama rasterización.
La gran contra es que el trazado de rayos demanda mucho más poder de cómputo para mejorar la imagen en forma no muy evidente.



Dicho de otra forma, dado un cierto juego, y con un mismo equipo, al activar la generación de gráficos con trazado de rayos, se pierden muchos cuadros por segundo respecto de la representación por rasterizado.

En overclock3d.net hicieron una prueba con el juego Metro Exodus, comparando los rendimientos a varias resoluciones con trazado de rayos activado o desactivado.
Con una placa gráfica RTX 2060 a resolución de 1920 x 1080, o 1080p, generando el juego normalmente tenían en promedio 89,46 cuadros por segundo, que caían a 67,27 activando una forma de trazado de rayos y DLSS, (esta última sigla alude a una técnica que hace que el trazado de rayo no impacte tanto, pero a cambio de hacer un poco borrosas las imágenes a altas resoluciones). Eso es una pérdida de 25 %. Son las líneas verdes claras que se ven a continuación.



Y cuando solo activaban el trazado de rayos sin usar DLSS la pérdida de cuadros era mayor todavía, tal como se ve en la imagen superior en la barra de 57,76 cuadros por segundo; (RT alude a "trazado de rayos"). Imagen original sin editar.

En PC gamer estimaron que el costo de activar el trazado de rayos implicaba en este mismo juego una caída de cuadros por segundo de entre 30 y 40 %, es variable según el equipo. Fuente.

Para ver cuánto cambian las imágenes en Metro Exodus con esta nueva forma de generar gráficos me pareció muy buena una galería en techpowerup.com
En más de un caso prefiero como se ve el juego en generado en la forma tradicional.

Creo que la primera generación de GeForce RTX era cara y no valía la pena pagar su costo con tan pocos juegos que usaran su característica exclusiva.




Por estos días Nvidia está presentando una nueva generación de GPU, la familia GeForce RTX 30xx, y solo dio datos de tres modelos, bien caros, RTX 3090 a 1500 dólares, RTX 3080 a 700, y RTX 3070 a 500 dólares, más datos por acá. Todavía no hay testeos disponibles pues llegan a fin de mes.

[Yenki]

Lo que sigue es una explicación bien básica, y muy simplificada.

Rasterización
Es la forma clásica que se usa en los juegos para mostrar imágenes en 3 dimensiones.
Es un método eficaz pues no requiere poder excesivo de cómputo, y se puede aplicar para entornos que cambian de acuerdo al usuario y como interaccione.

"El algoritmo de rasterización más simple toma una escena 3D, descrita en polígonos y la proyecta sobre una superficie 2D, usualmente un monitor de PC. Los polígonos son representados como un conjunto de triángulos, estos últimos representados por tres vértices en tres espacios. A un nivel muy básico, los rasterizadores solo toman una cantidad de vértices, los transforman en puntos bidimensionales correspondientes a un monitor y rellenan los triángulos bidimensionales transformados de forma apropiada". Fuente.

El párrafo previo se entiende mejor con imágenes.
Hay una buena descripción en un video, la traducción automática el español no es perfecta, habla de rasterización aunque en el subtítulo a veces aparece "restauración", también traduce algo como "raza" y lo correcto es "rayo", no obstante es tan visual que por eso me gustó, se puede ver desde acá y hasta los 3 min 36 s.



Los objetos en los juegos usan polígonos en un espacio de tres dimensiones, muchas veces triángulos para representar todas las superficies.
En esos entornos tridimensionales los vértices tienen coordenadas según los ejes clásicos X, Y, Z, pero lo que la rasterización genera es una imagen en dos dimensiones en el monitor de lo que vería el espectador.

"La rasterización es actualmente la técnica más popular para producir gráficos 3D en tiempo real. Las aplicaciones en tiempo real deben responder inmediatamente a lo qué el usuario haga y por ende producir al menos 25 cuadros por segundo para conseguir una animación suave.

Comparado con otras técnicas de renderizado 3D como Ray tracing, la rasterización es extremadamente rápida. Sin embargo, esta es simplemente el proceso de computar el mapeado desde la geometría de la escena hasta los píxeles y no lleva a una forma particular de computar el color de esos píxeles. El Sombreado, incluyendo sombrado programable, puede estar basado en transporte de luz física o motivo artístico". Fuente.


Algo como una cara o una superficie curva requiere muchos triángulos diminutos para ser realista.
Los que peinamos canas recordamos los primeros juegos de Tomb Raider donde los polígonos en Lara Croft eran evidentes. A medida que los chips de las tarjetas gráficas mejoraron podían dibujar cosas más reales, y más triángulos para simular superficies curvas :



Imagen original enorme. Fuente.


Interrupción delirante: chicas tratando de lucir como la heroína de Tomb Raider hay muchas, pero esta representación es de lo mejor.


Otra explicación clara que me gustó la tomo de hobbyconsolas.com:

[Yenki]

Trazado de rayos en modelos GeForce GTX
Si bien Nvidia vende los chips RTX para placas gráficas que son los diseñados para usar el trazado de rayos, en abril del 2019 hizo que algunos modelos de placas más viejas con la denominación GTX soporten esta forma de representar imágenes en los juegos, mediante el uso de nuevos controladores, (drivers en la jerga).
La versión que introduce esto es la 425.31.

Los modelos que tienen esta posibilidad son :

• GeForce GTX 1660 Ti

• GeForce GTX 1660

• NVIDIA TITAN Xp (2017)

• NVIDIA TITAN X (2016)

• GeForce GTX 1080 Ti

• GeForce GTX 1080

• GeForce GTX 1070 Ti

• GeForce GTX 1070

• GeForce GTX 1060 6GB

Los chips RTX tienen núcleos que llaman RT Cores pensados para procesar imágenes con trazado de rayos.
Los chips GTX no.

Los RTX tienen una característica llamada DLSS, que hace que al activar el trazado de rayos con esta DLSS, el impacto en los cuadros por segundo sea menor que si solo se activa el trazado de rayos. Los chips GTX 10xx no soportan DLSS.

Si en un chip de la generación RTX el activar el efecto que considera los rebotes de los rayos de luz pasa mucho, (hace que se generen muchos menos cuadros por segundo por la carga computacional que tiene esto), imaginen lo que hace en los procesadores gráficos de una generación más vieja como los GTX 1060 y 1070, los destroza.


En PCgamesN.com probaron con una placa con la GPU GTX 1060 con 6GB de memoria.
Hicieron varias pruebas, y la caída de cuadros por segundo con trazado de rayos activada produjo un deterioro tal en la fluidez que terminaron aconsejando no activarla.
La nota se titula You probably shouldn’t activate DirectX Raytracing on an Nvidia GTX 1060 6GB y los interesados pueden ver varias tablas con resultados.

Yo solo voy a reproducir uno, los de un juego muy demandante como Metro Exodus, esto es lo que tuvo al habilitar trazado de rayos con diferentes GPU:



Estimo que los beneficios de tener mejor iluminación, reflejos, sombras, que da el trazado de rayos se ven muy perjudicados si se pierde fluidez, cuadros por segundo.

Entonces en los chips GTX 10xx es mejor usar el renderizado tradicional con más cuadros por segundo y no activar la nueva forma de generar gráficos en tiempo real en los juegos, que tampoco es tan evidente.