Izpien trazadura

Izpien trazadura (ingelesez ray tracing) irudien renderizazio edo sintesirako algoritmo bat da, argiaren bidea irudiaren plano batean pixel gisa kalkulatzen duena eta eragiten duen gainazal birtualetan dituen efektuak simulatzen dituena. Izpien trazadurak argiaren portaera eta honek munduarekin duen interakzioa simulatzen du, mundua behatzaileak nola ikusiko lukeen modelatzen. Izan ere, izpi bidezko renderizazio algoritmoek argiak mundu errealean nola jokatzen duen imitatzen dute, 3Dko modeloetatik abiatuta irudi bidimentsionalak sortzeko. Erronka, azken batean, irudia osatzen duen matrizearen pixel bakoitzari kolore egokia esleitzean datza, jatorrizko hiru dimentsioko espazioaren ezaugarriak errespetatuz.

Irudien sintesirako teknika gai da goi-mailako irudi errealistak sortzeko, izan ere, ohiko renderizazio metodoek baino emaitza hobea eskaintzen du, baina kostu konputazional handiago baten truke. Ondorioz, izpien trazadura teknika egokia da irudiak renderizatzeko denbora arazoa ez den proiektuetan, hala nola, ordenagailuz sortutako irudietan eta telebista eta zinemetako efektu berezietan. Dena dela, ez da hain egokia denbora errealean renderizatzen diren aplikazioetarako, hots, bideojokoetarako, non, abiadura funtsezkoa den fotograma bakoitzaren sintesirako.

Mundu errealean, argiak, gorputzetan zuzenean eragina edukitzeaz gain, zeharka eragiten du baita ere, hainbat gainazaletan errebotatuz eta efektu lausoak sortuz. Teknika asko dira argiak objektuetan duen eragin zuzena modu erreal batean gauzatzen dutenak, kontua da, gainazalaren arabera, objektuan jo duen argiak errebotatu egiten duela, beste gorputzetan eragiten.

Tximisten trazadura hainbat efektu optiko simulatzeko gai da, hala nola, itzalak, islapenak, ingurumen-oklusioa, argiztatze orokorra eta errefrakzioak.

Algoritmoaren ikuspegi orokorra 

Izpien trazadura, prozesuaren sorburu bezala argi-iturriak hartu, eguzkia adibidez eta norabide posible guztietan izpiak igorri ordez, behatzailea abiapuntu bezala hartu, eta bertatik, argi iturrien bila, eszenarantz izpiak jaurtitzean datza.

Behatzailearen lekutik jaurtitutako izpiak hiru dimentsiotako gorputz bat jotzen duenean, izpian zehar dagoen distantzia zehazten da, jatorritik. Distantziaren eta objektuaren ezaugarrien arabera kolorea ezartzen da.

Argien eta gorputzen arteko interakzioa gauzatzeko, egitura honen ezaugarrietako bat zera da, sistema izugarri sinplifikatzen duela, posible diren izpi guztiak aztertu behar ez direlako, eta soilik behatzailearengana iristen diren izpietara mugatzen delako, horiek baitira behatzaileak ikusiko dituenak eta benetan garrantzia dutenak. Gainera, metodo honek bi argi mota izatea ahalbidetzen du, adibidez, eguzkitik edo fokuetatik ateratzen den zuzeneko argia, eta zeharkako argia, argia islatzen duten objektuetatik datorrena, ispiluak, gainazal mateak eta distiratsuak izan daitezkeenak.

Bolumenen mugak 

Argiak gorputzaren arabera modu batera ala bestera eragiten badu, honek zera esan nahi du, gorputz desberdinak kontuan hartu behar direla. Hala ere, hau ez da arazoa, bada, egungo hiru dimentsiotako gorputzek badute beraien artean interakzioa, eta gorputzaren arabera, interakzioa modu batekoa ala bestelakoa izaten da. Argi izpiek hainbat interakzio eduki ditzakete objektuekin, izpiak objetu batetik bestera errebotatzen badu, erreflexuak sortzen dira, baina objektuak izpia blokeatzen baldin badu, itzalak gauzatzen dira. Aldiz, izpiak gorputz garden bat edo erdi garden bat jotzean, errefrakzioak sortzen dira. Gorputzen arteko interakzioa eta argiak hauengan duen eragina ahalbidetzeko, talken sistema bat dago, objektuen arteko talka detektatzen duena. Sistema hau Bounding Volume Hierarchy (BVH) edota bolumen mugatzailearen hierarkia izenez ezagutzen da, eta izpien trazadura azeleratzeko teknika bat da, zuhaitz egituran oinarritutako "azelerazio egitura" bat erabiltzen duena, hierarkian jarritako kaxa mugatzaile ugari dituena eta geometriaz egindako gorputz ezberdinak hartzen edo inguratzen dituena. Hortaz, gorputz bakoitzak bere mugak determinatzen dituen kaxa irudikariak ditu, bada, objektuaren forma originala kontuan hartuko balitz, izugarrizko kalkuluak egin beharko liratezke, horregatik, askoz ere efizienteagoak diren kaxa irudikariak erabiltzen dira. Gainera, kaxa irudikari motaren arabera, interakzio desberdinak daude, eta sistema honen bidez, kaxa mota zuhaitz egitura baten arabera sailkatzen da.

Zarata ezabatzeko iragazketa 

Argiztatze guztiz errealista lortzeko, eszena guztian jotzen duten izpiak kalkulatzen dira, dena dela, izpi guztiak kalkulatzea izugarri konplexua da eta denbora errealean renderizatzen diren irudien aplikazioetarako gaur egun pentsaezina da. Beraz, eszena guztira izpiak jaurti beharrean, aleatorioki hainbat izpi jaurtitzen dira. Agertokira hainbat izpi jaurtitzen dira, eta izpiak jo duen zatiak argi iturriarengandik eta ikuspuntutik dagoen distantziaren eta objektu motaren arabera kolore jakin bat esleitzen zaio. Gertatzen dena zera da, eszenan puntu batzuk besterik ez direla kolorez aldatzen, hori dela eta zarata digital terminoaz ezagutzen den efektua gertatzen da, hots, irudian zenbait puntu beltz agertzen dira. Arazo hau konpontzeko, Denoising Filtering edota zarata ezabatzearen teknika erabiltzen da. Izan ere, filtro honek, iragazkiak eta beste metodo batzuk aplikatzen irudiko zarata ezabatu eta irudiaren errendimendua eta kalitatea hobetzen du izpi gehigarririk igorri behar izan gabe.

Beste renderizazio teknikekiko abantailak 
Izpien trazaduran oinarritutako renderizazioaren ospea argiaren simulazio errealistan datza, renderizatzeko beste metodo batzuekin alderatuta. Islak eta itzalak bezalako efektuak, beste algoritmo batzuekin simulatzen zailak direnak, algoritmoarentzat ez dira erronka.

Desabantailak 
Izpien trazaduraren desabantaila errendimendua da. Izan ere, urte gutxi batzuk arte pentsaezina zen denbora errealean izpien trazaduraz irudiak renderizatzea.

Errefrakzioa eta isladak bezalako efektu optikoak zehaztasunez gauzatzen baditu ere, izpien trazaduraz sintetizaturiko irudia ez da nahitaez fotorrealista izan. Benetako fotorrealismoa eszena osoa teknika honen bitartez renderizatzen denean gertatzen da. Hala ere, hori bideraezina izaten da, egungo errendimendu konputazionala nahikoa ez dela medio.

Kanpo estekak 
 news.developer.nvidia.com
 unrealengine.com/RenderingAndGraphics/RayTracing

Optika geometrikoa
Errealitate birtuala
Argiztatze global algoritmoak
Infografia
3D ordenagailu bidezko grafikoak
Itzaleztapena