trazado de rutas

El trazado de rayos es un algoritmo de renderizado en gráficos por computadora que simula cómo la luz interactúa con los objetos y los medios participantes para generar imágenes realistas ( físicamente plausibles ) . Se basa en algoritmos de trazado de rayos anteriores y más limitados.

El trazado de rayos se utiliza para crear imágenes fotorrealistas con fines artísticos y para aplicaciones como la representación arquitectónica y el diseño de productos . También se emplea para renderizar fotogramas de películas de animación y efectos visuales para cine y televisión. Gracias a su gran precisión e imparcialidad , se utiliza habitualmente para generar imágenes de referencia al evaluar la calidad de otros algoritmos de renderizado .

Esta técnica utiliza el método de Monte Carlo para calcular estimaciones de la iluminación global y simular cómo los diferentes materiales reflejan (o dispersan), transmiten, absorben y emiten luz. Puede incorporar modelos sencillos de los efectos de la apertura y el objetivo ( profundidad de campo y bokeh ) y la velocidad de obturación ( desenfoque por movimiento ), o una simulación más realista de los componentes ópticos de una cámara .

El algoritmo funciona describiendo la iluminación en una escena mediante la ecuación de renderizado o la ecuación de transporte de luz , y encontrando una solución aproximada mediante la integración de Monte Carlo . Una versión ineficiente (pero precisa) del algoritmo puede ser muy simple e implica trazar un rayo desde la cámara, permitiendo que este rayo rebote en direcciones aleatorias al chocar con diferentes objetos en la escena, y calculando la cantidad de luz transmitida a lo largo de la trayectoria hasta la cámara cada vez que la trayectoria encuentra una fuente de luz. Este proceso se repite muchas veces para cada píxel (cada repetición, con la trayectoria generada y la luz transmitida, se llama muestra ), y los resultados se promedian. Una diferencia principal entre este algoritmo y el trazado de rayos estándar es que se traza una única trayectoria sin ramificaciones cada vez, mientras que el trazado de rayos de estilo Whitted o de estilo Cook muestrea recursivamente trayectorias ramificadas (por ejemplo, cuando la luz es reflejada y refractada por un objeto de vidrio).

Las versiones más prácticas incorporan mejoras como métodos cuasi-Monte Carlo (técnicas que distribuyen las muestras de manera más uniforme), muestreo de importancia (tomar más muestras de rutas que probablemente transporten más luz) y estimación del siguiente evento (permitir una forma muy limitada de ramificación y muestrear rutas adicionales que se conecten a las luces de forma más directa).

Debido a que el trazado de rayos utiliza muestras aleatorias, la imagen final presenta ruido, que disminuye a medida que se toman más muestras. Generalmente, las imágenes requieren miles de muestras por píxel (spp) para reducir el ruido a un nivel aceptable, y a menudo se utilizan técnicas de eliminación de ruido (por ejemplo, basadas en redes neuronales ). La eliminación de ruido suele ser necesaria cuando el trazado de rayos se utiliza para la renderización en tiempo real en videojuegos , ya que se pueden tomar relativamente pocas muestras.

Se han desarrollado muchos algoritmos alternativos para el trazado de rayos, aunque no siempre superan a las implementaciones más directas. Estos incluyen el trazado de rayos bidireccional (que traza trayectorias hacia adelante desde la fuente de luz y hacia atrás desde la cámara), el transporte de luz de Metropolis y métodos para combinar el trazado de rayos con el mapeo de fotones . Los videojuegos suelen utilizar versiones sesgadas del trazado de rayos para mejorar el rendimiento (por ejemplo, limitando el número de rebotes en cada trayectoria). Se ha desarrollado una familia de técnicas llamada ReSTIR que puede ayudar al trazado de rayos en tiempo real compartiendo datos entre píxeles cercanos y fotogramas consecutivos.

Como todos los métodos de trazado de rayos , el trazado de rutas se basa en el trazado de rayos , que Arthur Appel utilizó para la renderización de gráficos por computadora a finales de la década de 1960. En 1980, John Turner Whitted publicó un algoritmo recursivo de trazado de rayos que permite renderizar imágenes de escenas que contienen superficies reflectantes y objetos transparentes refractivos. En 1984, Cook et al. describieron una forma de trazado de rayos llamada trazado de rayos distribuido , que utiliza la integración de Monte Carlo para renderizar efectos como profundidad de campo, desenfoque de movimiento, reflexión de superficies rugosas y luces de área. Ese mismo año, se publicó el método de radiosidad (que no es un método de trazado de rayos), el primer método basado en la física para renderizar iluminación global difusa . En 1986, Jim Kajiya publicó un artículo que exploraba cómo usar el trazado de rayos distribuido para renderizar iluminación global basada en la física, y este artículo también introdujo y denominó el método llamado "trazado de rutas". El trazado de trayectorias y otras técnicas de trazado de rayos distribuidos fueron perfeccionadas a finales de la década de 1980 y principios de la de 1990 por investigadores como James Arvo y Peter Shirley , y por Greg Ward en el software de código abierto Radiance . ^{[ 1 ] : 15.9 [ 2 ] [ 3 ]}

A pesar de ser teóricamente capaz de renderizar cualquier iluminación, la forma original del trazado de rayos a veces puede ser muy ineficiente (o ruidosa) para renderizar la luz que se refleja o refracta antes de iluminar una superficie visible, incluyendo la iluminación global difusa donde la luz entra en un área a través de huecos estrechos, porque traza trayectorias solo desde la cámara. Para solucionar esto, Eric Lafortune e Yves Willems publicaron en 1993, y Eric Veach y Leonidas Guibas en 1997, variaciones del trazado de rayos que trazan trayectorias tanto desde la cámara como desde las fuentes de luz, llamadas trazado de rayos bidireccional . En 1997, Veach y Guibas también publicaron un método alternativo llamado transporte de luz de Metropolis , que combina el trazado de rayos bidireccional con el método de Metropolis . La extensa tesis doctoral de Veach describió ambas técnicas, junto con los fundamentos teóricos del trazado de rayos; posteriormente, el libro Physically Based Rendering (que ganó un Premio Óscar al Logro Técnico en 2014) ayudó a que la información sobre el trazado de rayos estuviera más disponible. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

El trazado de rayos requiere trazar una gran cantidad de trayectorias de luz para producir una imagen con una cantidad de ruido visualmente aceptable. Esto hacía que el trazado de rayos fuera muy lento en las computadoras disponibles en las décadas de 1980 y 1990, y el ruido seguía siendo un problema al intentar reproducir el estilo de las primeras películas de animación por computadora. La mayoría de las películas de animación producidas hasta alrededor de 2010, por estudios como Pixar , utilizaban renderizado basado en rasterización , con trazado de rayos utilizado selectivamente para reflejos (y posteriormente para iluminación global precalculada o almacenada en caché). Sin embargo, la velocidad de las computadoras aumentó rápidamente durante la década de 1990. Blue Sky Studios fue pionero en el uso del trazado de rayos Monte Carlo para la iluminación global en animación, incluso en el cortometraje de 1998 " Bunny ", pero no revelaron las técnicas precisas utilizadas. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

El trazado de rayos se volvió gradualmente más práctico para la producción cinematográfica a principios de la década de 2000. El renderizador Arnold , desarrollado por Marcos Fajardo, fue utilizado por Sony Pictures Imageworks para producir el largometraje Monster House , estrenado en 2006. Pixar reescribió su software RenderMan para usar el trazado de rayos y estrenó su primer largometraje con esta técnica, Buscando a Dory, en 2016. Aunque el trazado de rayos aún tenía un alto costo computacional, los estudios de animación descubrieron que requería menos mano de obra humana, por ejemplo, porque ya no era necesario simular la iluminación global colocando luces manualmente. La cantidad de ruido presente en las imágenes con trazado de rayos seguía causando dificultades, particularmente al renderizar el desenfoque de movimiento (que se usaba ampliamente en las primeras películas animadas), pero se desarrollaron técnicas de reducción de ruido para solucionarlo. También se necesitaban nuevas técnicas para renderizar cabello y pelaje, y para manejar las escenas extremadamente grandes que a veces requieren las películas. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 6 ]}

Los renderizadores como Arnold y Hyperion de Disney originalmente solo usaban CPU para renderizar, pero a medida que las GPU se volvieron más capaces (y se lanzaron API como CUDA , OpenCL y OptiX ), los investigadores y desarrolladores comenzaron a adaptar algoritmos e implementaciones para usar GPU. Las GPU pueden reducir drásticamente el tiempo de renderizado: por ejemplo, usar una GPU de gama alta para acelerar partes del código de renderizado puede hacerlo más de 30 veces más rápido que usar solo una CPU de gama alta. ^{[ 6 ] [ 4 ] [ 7 ]}

El artículo de Kajiya de 1986 definió una ecuación integral recursiva llamada ecuación de renderizado , que describe una forma simplificada del transporte de luz . El uso de la integración de Monte Carlo para la integral del lado derecho de la ecuación conduce de forma bastante directa al algoritmo de trazado de caminos: ^{[ 8 ]}

$${\displaystyle I(x,x')=g(x,x')\left[\epsilon (x,x')+\int _{S}\rho (x,x',x'')I(x',x'')dx''\right]}$$

Esto expresa I(x,x ' ) , la luz que llega al punto x desde el punto x ' , como el producto de un término geométrico , g(x,x') , que es 0 si hay algo que bloquea la luz entre los dos puntos y 1 en caso contrario, y la cantidad de luz que sale del punto x ' y viaja hacia x . La luz que sale del punto x ' es la suma de la luz emitida por la superficie en x ' , y la integral de la luz que llega a x ' desde todos los demás puntos de la escena (el dominio de integración S ) y se refleja hacia x . El factor ρ(x,x',x ' ' ) , que calcula cuánta luz se refleja, debe tener en cuenta los ángulos en los que la luz llega y sale, y las características del material de la superficie, expresadas típicamente como una función de distribución de reflectancia bidireccional (BRDF) o una función de distribución de transmisión bidireccional (BTDF). ^{[ 8 ] [ 1 ] : 31.13}

La ecuación se suele denominar ecuación de transporte de luz (ETL) y se escribe frecuentemente mediante la integración sobre direcciones en lugar de superficies. (En la versión de Kajiya de la ecuación, el término geométrico garantiza que solo un punto de la superficie pueda aportar luz desde cualquier dirección dada). La renderización real también implica una ecuación relacionada, denominada ecuación de medición , que expresa la cantidad de luz recibida por la cámara a lo largo de rayos específicos. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] : 89}

La versión de la ecuación utilizada por Kajiya asume que la luz tiene una sola longitud de onda (la longitud de onda no aparece como parámetro en ninguna de las funciones). Se trata de una simplificación para la óptica geométrica y no considera fenómenos como la difracción , la polarización y la fluorescencia . Integra únicamente sobre superficies y no maneja medios participantes (regiones del espacio que dispersan, absorben y emiten luz). Sin embargo, en el artículo se mencionaron extensiones para manejar estos casos y múltiples longitudes de onda, y se comprendieron bien (y no existe ninguna limitación fundamental del algoritmo de trazado de rayos que impida la representación de estos efectos). ^{[ 8 ]}

Kajiya describió cómo los métodos de trazado de rayos más antiguos encuentran soluciones aproximadas a la ecuación de renderizado. También demostró que la ecuación de renderizado es equivalente a la ecuación de radiosidad resuelta por el método de renderizado de radiosidad ; sin embargo, el método de radiosidad asume que las superficies son lambertianas , y su uso para materiales no lambertianos produce valores inexactos (sesgados). El sesgo adicional se debe a que el método de radiosidad utiliza aproximaciones de elementos finitos de las superficies. Kajiya adaptó los métodos de trazado de rayos distribuidos existentes para resolver la ecuación de renderizado (es decir, para encontrar valores de radiancia en puntos elegidos de las superficies para una solución de estado estacionario o de equilibrio para el transporte de luz en la escena) de manera imparcial, utilizando la integración de Monte Carlo. ^{[ 8 ] [ 12 ] : 9 [ 1 ] : 31.10 [ 13 ] : 626}

En el trazado de rayos recursivo al estilo Whitted , la integral del lado derecho de la ecuación se reemplaza por una suma de las contribuciones de rayos específicos reflejados y refractados, y la luz directa que llega al punto desde todas las fuentes de luz en la escena (las luces pueden ser puntuales o direccionales, por lo que la iluminación se puede evaluar fácilmente, o se puede usar alguna aproximación para otros tipos de luces). Se puede agregar un "término ambiental" constante para aproximar la iluminación global . El trazado de rayos distribuido introdujo el uso de la integración de Monte Carlo para renderizar la reflexión gruesa, muestreando múltiples direcciones en cada rebote en lugar de usar la contribución de una sola dirección, pero la iluminación global difusa generalmente todavía se aproximaba usando un término ambiental. ^{[ 8 ]}

El problema de usar la integración de Monte Carlo para la iluminación global difusa es la alta varianza del resultado (que requiere muchas muestras para reducir el ruido a un nivel aceptable). Para abordar esto, el artículo exploró primero enfoques de muestreo estratificado . El trazado de rayos distribuido permite trazar múltiples rayos ramificados en cada paso, y un método llamado "integración jerárquica", que utiliza la estratificación independiente del dominio de integración en cada paso, se había explorado previamente. Sin embargo, la iluminación global requiere muestrear dominios más grandes de direcciones o puntos de superficie. Se encontró que estratificar adaptativamente estos dominios para reducir la varianza era demasiado difícil. El muestreo de importancia , donde las muestras se eligen de una distribución no uniforme según cuánto es probable que contribuyan al resultado final, se identificó como un enfoque más viable. ^{[ 8 ]}

Al utilizar el muestreo de importancia, la integración jerárquica (a través del trazado de rayos recursivo) ya no es necesaria, y esto condujo a la formulación del trazado de trayectorias : ^{[ 8 ] [ 1 ] : 31.17}

Este diagrama también muestra un algoritmo alternativo para el trazado de rayos distribuido convencional. En lugar de trazar un árbol ramificado, se traza una trayectoria con rayos seleccionados probabilísticamente. Para escenas con mucha reflexión y refracción, esto reduce drásticamente la cantidad de intersecciones de rayos y objetos que se deben calcular para un píxel dado y acelera notablemente el trazado de rayos con muy poco trabajo de programación. Sin embargo, para esta nueva forma rápida de trazado de rayos —llamada trazado de trayectorias— hemos descubierto que es muy importante mantener la proporción correcta de rayos de reflexión, refracción y sombra que contribuyen a cada píxel.

Los trazadores de rayos suelen implementarse utilizando funciones recursivas ; sin embargo, un trazador de trayectorias, por su naturaleza, no necesita ser recursivo y puede utilizar un bucle en su lugar.

Aquí se muestra un pseudocódigo para una función no recursiva que traza una única trayectoria. Puede utilizar la estimación del siguiente evento (NEE) o esperar hasta que la trayectoria alcance una luz por casualidad antes de acumular luz. Utiliza un muestreo ponderado por coseno de las direcciones de los rayos, que es eficaz para superficies difusas (y óptimo para superficies lambertianas ) y simplifica el código: ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

función TracePath(cameraRay): rayo ← rayo de cámara rendimiento ← 1 valor ← 0 bucle : intersección ← FirstRayIntersection(rayo) si [usando NEE] : lightSample ← SampleLights() valor ← valor + rendimiento × CalcularCantidadDeLuz(rayo, intersección, muestraDeLuz) de lo contrario, si [el objeto de intersección es una luz] : valor ← valor + rendimiento × intersección.luz emitida nuevaDirección ← MuestraPonderadaPorCoseno(intersección.superficieNormal) rendimiento ← rendimiento × π × intersección.BRDF(−rayo.dirección, intersección.superficieNormal, nuevaDirección) rayo.inicio ← intersección.ubicación rayo.dirección ← nuevaDirección q ← CalcularProbabilidadDeTerminación(rendimiento) si random() < q: valor de retorno rendimiento ← rendimiento / (1 - q) 

El código utiliza valores de "rayo" que consisten en un punto de inicio en el espacio 3D y un vector de dirección normalizado. Al simular una cámara estenopeica , el rayo de entrada de la cámara debe usar la ubicación de la cámara como punto de inicio y una dirección elegida en función de la ubicación del píxel. La función debe llamarse varias veces para cada píxel, utilizando el promedio de los resultados devueltos como valor final del píxel. La random()función debe devolver un valor entre 0 y 1.

Para simplificar, el código solo funciona con materiales de superficie opacos y asume que la escena está cerrada (los rayos nunca pueden salir de ella). Solo traza una única longitud de onda de luz, pero podría modificarse para trabajar con valores RGB o renderizado espectral (véase más abajo). Se asume que las fuentes de luz manejadas en el caso que no sea NEE son perfectamente difusas (de lo contrario, en lugar de un valor constante de emittedLight, sería necesario evaluar otra función para calcular la cantidad de luz emitida en la dirección opuesta al rayo).

El código utiliza un truco conocido como ruleta rusa para que la función sea imparcial, terminando el bucle de forma probabilística. Si ComputeTerminationProbabilitydevuelve un valor mayor que 0 (o eventualmente lo hace, por ejemplo, cuando throughputcae por debajo de un umbral), el bucle terminará (devolviendo el valor acumulado). Siempre que "q" sea mayor que 0 y el bucle continúe, throughputse incrementa para compensar el hecho de que otras rutas muestreadas pueden haber terminado en ese punto. Esto garantiza que el resultado tenga el valor esperado correcto . ^{[ 17 ] : 2.2.4 [ 18 ] : 13.2.1 [ 12 ] : 67-68}

El valor "q" se puede calcular utilizando cualquier heurística (incluso se podría usar una probabilidad constante), pero para que sea efectivo, si throughputcae a un valor muy bajo (cercano a cero), entonces q debería estar cerca de 1. Si se utilizan probabilidades de terminación mayores, las rutas tenderán a ser más cortas, pero la varianza será mayor (habrá menos rutas largas, pero el rendimiento en esas rutas aumentará por un factor mayor, lo que tenderá a producir píxeles brillantes dispersos). ^{[ 17 ] : 2.2.4 [ 19 ] : 5.3.2}

CosineWeightedSampleMuestrea direcciones en el hemisferio en un punto de una superficie, con una probabilidad proporcional al coseno del ángulo entre la dirección y la normal de la superficie (equivalente a integrar usando la medida del ángulo sólido proyectado ). Esto se hace comúnmente para superficies difusas y simplifica el código porque el factor coseno en la fórmula de rendimiento y el factor de probabilidad inversa (necesario para el muestreo de importancia ) se cancelan. De lo contrario, el muestreo de dirección generalmente intenta usar probabilidades proporcionales al producto de la BRDF y el factor coseno. Para superficies perfectamente especulares, solo es posible una única dirección y se debe usar un código ligeramente diferente. ^{[ 12 ] : 77,82,172,254 [ 16 ]}

El valor BRDF se multiplica por π para cancelar el factor 1/ π incluido en el BRDF por convención. (Esta convención proviene del hecho de que la integral del coseno del ángulo entre la dirección y la normal de la superficie sobre todo el hemisferio es π , por lo que el BRDF para una superficie lambertiana perfecta, no absorbente, debe incluir un factor de normalización de 1/ π para que se evalúe a 1). El factor 1/ π también puede verse como parte de la PDF para el muestreo ponderado por coseno (que también incluye el factor coseno que se ha cancelado), y como necesitamos dividir por la PDF, multiplicamos por π . El código de trazado de ruta de ejemplo a menudo calcula explícitamente la PDF completa para el muestreo ponderado por coseno y luego divide por ella (y multiplica el BRDF por el factor coseno, ya que ya no se cancela); esto es también lo que el código debe hacer si utiliza una distribución distinta a la distribución ponderada por coseno para las direcciones de muestreo. ^{[ 1 ] : 14.9.2}

Para mejorar el rendimiento y convertir el trazado de rayos en un algoritmo útil para la representación de imágenes complejas y realistas, se incorporan diversas técnicas y mejoras al motor de renderizado .

Los objetos reales nunca son espejos perfectamente lisos (aunque en los gráficos por computadora a menudo se simulan espejos perfectos por conveniencia y simplicidad). Cuando la luz incide sobre un objeto opaco, siempre se refleja (o dispersa ) en múltiples direcciones. La cantidad de luz que se refleja en cada dirección depende principalmente del ángulo con el que llega con respecto a la normal de la superficie . Los materiales brillantes, a menudo llamados materiales especulares , reflejan más luz en ángulos cercanos al ángulo en el que un espejo perfecto reflejaría la luz, produciendo un brillo distintivo (llamado brillo especular ) cuando se refleja una fuente de luz brillante. Por el contrario, los materiales que dispersan más la luz (reflejándola en un rango más amplio de direcciones sin un pico pronunciado) se denominan rugosos o difusos . En general, no existe una distinción clara entre materiales especulares y difusos; por ejemplo, una superficie difusa puede tener una capa de barniz que le confiere brillos especulares. ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 1 ] : 26.10,Ch27}

Los materiales en los que la cantidad de luz reflejada en una dirección particular depende únicamente de los ángulos entre el rayo de luz incidente , el rayo saliente o reflejado y la normal a la superficie se denominan isótropos . En este caso, el material de la superficie no tiene una orientación particular (rotar la superficie alrededor de la normal no cambia la forma en que se refleja la luz). Los materiales en los que la orientación sí importa se denominan anisótropos e incluyen materiales como el acero cepillado o el aluminio. Aunque muchos materiales del mundo real son sutilmente anisótropos, la anisotropía suele ignorarse en los gráficos por computadora, ya que es más sencillo y eficiente tratar los materiales como isótropos. ^{[ 38 ] [ 39 ]}

Un caso extremo es un material "perfectamente rugoso" donde la cantidad de luz reflejada no depende del ángulo de la luz incidente y no hay reflejos. Un ejemplo de este tipo de material es el material lambertiano comúnmente utilizado en gráficos por computadora (no existe en el mundo real, pero un material llamado Spectralon , que es un polvo de polímero, es muy similar). Para un material lambertiano, la cantidad de luz reflejada es proporcional al coseno del ángulo entre el rayo saliente y la normal de la superficie. ^{[ 16 ] [ 1 ] : 27.5.2}

Los efectos mencionados anteriormente pueden describirse mediante una función denominada función de distribución de reflectancia bidireccional (BRDF). Los parámetros de estas funciones son las direcciones del rayo incidente y del rayo saliente con respecto a un sistema de referencia en la superficie (existen diversas formas de representar las direcciones numéricamente). El resultado de la función es un factor por el cual se debe multiplicar la cantidad de luz incidente para obtener la cantidad de luz saliente. La BRDF, tal como se define habitualmente, no incluye el factor de reflectancia lambertiana mencionado anteriormente (el coseno del ángulo entre el rayo saliente y la normal a la superficie), por lo que la BRDF para una superficie lambertiana es una función constante. Omitir este factor confiere a la BRDF la propiedad de reciprocidad : intercambiar los rayos incidente y saliente en los parámetros de la función no altera el resultado (por convención, ambas direcciones apuntan alejándose de la superficie). La BRDF se escala adecuadamente para su uso en las ecuaciones de transporte de luz (donde se multiplica por los valores de luz incidente y se integra), y devuelve un valor de 1/ π para un material lambertiano que no absorbe luz. ^{[ 38 ] [ 1 ] : 26.10,Ch27 [ 12 ] : 3.6}

Además de la reciprocidad, una propiedad importante de las BRDF válidas es que conservan la energía : cuando la BRDF se utiliza en ecuaciones de transporte de luz, la cantidad total de luz reflejada nunca debe ser mayor que la cantidad de luz que llega a la superficie. (Estas propiedades no se cumplen para longitudes de onda individuales cuando se observan efectos como la fluorescencia). La BRDF también debe devolver siempre un valor no negativo. ^{[ 38 ] [ 1 ] : Ch27}

Las BRDF pueden ser diferentes para cada longitud de onda de la luz. Por ejemplo, los materiales no metálicos suelen tener reflejos blancos, reflejando todas las longitudes de onda casi por igual en ciertos ángulos, a la vez que reflejan la luz de forma difusa dependiendo de la longitud de onda (lo que le da al material su color). Las BRDF que varían con la longitud de onda también pueden modelar materiales iridiscentes . ^{[ 38 ] [ 40 ]}

Las BRDF son una parte fundamental del trazado de rayos: se evalúan en cada vértice de la trayectoria donde un rayo interseca una superficie (para calcular el rendimiento de la parte restante de la trayectoria), y también al calcular la iluminación directa en los puntos de la superficie. Las BRDF no describen las propiedades de los materiales transparentes o parcialmente transparentes (para los cuales se necesitan otros tipos de funciones de distribución de dispersión). Sin embargo, las BRDF son útiles porque muchos materiales son prácticamente opacos a la luz visible, o tienen una cantidad muy pequeña de translucidez cerca de la superficie que puede ignorarse o aproximarse mediante la BRDF. ^{[ 38 ]}

Aunque los datos para las BRDF se pueden obtener midiendo la reflectancia de superficies reales, las BRDF utilizadas para la renderización en la práctica suelen ser funciones matemáticas (a menudo diseñadas para simular propiedades físicas simplificadas de superficies reales) que son razonablemente eficientes de evaluar y producen efectos similares a los de los materiales reales. A menudo tienen parámetros como la "rugosidad" que se pueden modificar fácilmente. En ocasiones, se superponen varias BRDF simples (a menudo llamadas lóbulos debido a la forma de las funciones). ^{[ 39 ] [ 1 ] : Ch27}

Las BRDF no incluyen, por sí solas, información sobre la textura de una superficie. En la representación realista, a menudo se codifican parámetros de color y "rugosidad" (y a veces orientación y cantidad de anisotropía) mediante mapeo de texturas y se utilizan para modificar la BRDF para puntos individuales en la superficie. ^{[ 39 ] [ 41 ] [ 1 ] : 27.15}

Un tipo de función similar que se utiliza cuando la luz atraviesa la superficie de un material transparente es la función de distribución de transmitancia bidireccional (BTDF). Un término que incluye tanto las BRDF como las BTDF es la función de distribución de dispersión bidireccional (BSDF). Para manejar la dispersión general en materiales transparentes, la renderización volumétrica utiliza una función similar (pero con una definición incompatible) llamada función de fase . ^{[ 38 ] [ 42 ] [ 1 ] : 14.9}

El trazado de rayos volumétrico se utiliza para renderizar escenas que contienen medios participantes , que son regiones 3D del espacio (en lugar de las superficies de los objetos) que emiten luz, o en las que la luz puede ser absorbida o dispersada. A menudo se piensa que los medios participantes contienen partículas, de modo que un rayo de luz que pasa a través del medio tiene una probabilidad mayor de interactuar con una partícula (y ser absorbido o dispersado) cuanto más lejos viaja el rayo. Los trazadores de rayos que realizan renderizado volumétrico generalmente permiten combinarlo con el renderizado de superficies. La ecuación de renderizado de Kayija se puede generalizar para el trazado de rayos volumétrico; sin embargo, existen otras ecuaciones de transporte de luz volumétrica que pueden conducir a algoritmos más prácticos (así como la forma original de la ecuación de renderizado generalmente se convierte para usar integrales sobre las direcciones de los rayos para el trazado de rayos estándar). ^{[ 43 ] [ 42 ] [ 8 ]}

El trazado de rayos volumétrico se realiza comúnmente hacia atrás desde la cámara, como el trazado de rayos estándar, aprovechando la propiedad de reciprocidad de la mayoría de las interacciones de la luz. Los rayos de la cámara se muestrean (o las direcciones de los rayos para reflexiones o iluminación global que llega a un punto en una superficie) como de costumbre, y luego se generan eventos de dispersión cuando un rayo pasa a través de un medio participante que puede dispersar la luz. La probabilidad de estos eventos de dispersión (y la distancia que suele recorrer el rayo antes del siguiente evento) está relacionada con la densidad del material. Cuando un rayo se dispersa, se emite un nuevo rayo en la nueva dirección, de forma similar a la dispersión desde una superficie, con la probabilidad de cada nueva dirección determinada por una función de densidad de probabilidad llamada función de fase . ^{[ 43 ] [ 42 ]}

El trazado de rayos volumétrico también utiliza la integración para calcular cuánta luz se absorbe y se dispersa cuando un rayo pasa por el espacio (llamada atenuación ), y cuánta luz se emite de vuelta a lo largo del rayo (teniendo en cuenta la absorción y la dispersión a lo largo del rayo) si el medio participante es emisivo. ^{[ 42 ]}

Todas estas operaciones son mucho más sencillas y rápidas si el medio participante es homogéneo (tiene la misma densidad en todas partes con respecto a la dispersión, la absorción y la emisión). En ese caso, la integración se puede realizar analíticamente para calcular la atenuación y la emisión, y también existe una forma más sencilla de generar eventos de dispersión con la distribución de probabilidad correcta. Los materiales que normalmente se representan como medios homogéneos (que aún pueden tener formas complejas) incluyen el agua y el vidrio coloreado. La fórmula utilizada para la absorción homogénea se conoce como la ley de Beer-Lambert o ley de Beer. ^{[ 42 ]}

Cuando el medio participante es inhomogéneo (tiene densidad u otras propiedades que varían espacialmente), se deben utilizar algoritmos más complejos y lentos. Este tipo de medios incluye nubes, niebla, humo y fuego. Los datos de entrada para la representación de estos materiales suelen ser datos volumétricos (estructurados de forma similar a los vóxeles ). Para realizar operaciones como la integración, el código a menudo necesita recorrer el medio mediante rayos, consultando datos para puntos a lo largo del rayo. Esto se puede hacer de forma dispersa (examinando el material en solo unos pocos puntos, generalmente elegidos al azar) o densa (examinando puntos muy próximos), según el algoritmo. El algoritmo de dispersión nula, de uso común , trata el medio como homogéneo al elegir qué puntos muestrear, lo que le permite muestrear el medio de forma dispersa, y puede ser muy eficiente si el medio es casi homogéneo. ^{[ 44 ] [ 45 ]}

El muestreo de la integral se puede realizar mediante cualquiera de los dos enfoques distintos siguientes:

• El trazado de rayos inverso consiste en generar trayectorias partiendo de la cámara y rebotando por la escena hasta encontrar una fuente de luz. Se denomina "inverso" porque el inicio de la trayectoria desde la cámara y su movimiento hacia la fuente de luz es opuesto a la dirección real de la luz. Aun así, produce el mismo resultado, ya que todos los sistemas ópticos son reversibles.
• El trazado de luz (o trazado de trayectoria hacia adelante ) consiste en generar trayectorias que parten de las fuentes de luz y rebotan por la escena hasta que llegan a la cámara.

En ambos casos, se puede utilizar una técnica llamada estimación del siguiente evento para reducir la varianza. Esta técnica funciona muestreando directamente una característica importante (la cámara en el caso del trazado de luz , o una fuente de luz en el caso del trazado de ruta inverso ) en lugar de esperar a que una ruta la alcance por casualidad. Esta técnica suele ser eficaz, pero se vuelve menos útil cuando hay BRDF especulares o casi especulares. Para el trazado de ruta inverso , esto crea una alta varianza para las rutas cáusticas que interactúan con una superficie difusa y luego rebotan en una superficie especular antes de alcanzar una fuente de luz. La estimación del siguiente evento no se puede utilizar para muestrear estas rutas directamente desde la superficie difusa, porque la interacción especular se encuentra en el medio. Del mismo modo, no se puede utilizar para muestrear rutas desde la superficie especular porque solo hay una dirección en la que la luz puede rebotar. El trazado de luz tiene un problema similar cuando las rutas interactúan con una superficie especular antes de alcanzar la cámara. Debido a que esta situación es mucho más común, y a que los objetos de vidrio ruidosos (o completamente negros) resultan muy molestos visualmente, el trazado de rayos inverso es el único método que se utiliza en la práctica para el trazado de rayos unidireccional.

El trazado de trayectorias bidireccional proporciona un algoritmo que combina ambos enfoques y puede producir una varianza menor que cualquiera de los métodos por separado. Para cada muestra, se trazan dos trayectorias de forma independiente: una desde la fuente de luz y otra desde la cámara. Esto produce un conjunto de posibles estrategias de muestreo, donde cada vértice de una trayectoria se puede conectar directamente con cada vértice de la otra. Los algoritmos originales de trazado de luz y trazado de trayectorias inverso son casos especiales de estas estrategias. Para el trazado de luz , se conectan los vértices de la trayectoria de la cámara directamente con el primer vértice de la trayectoria de luz. Para el trazado de trayectorias inverso , se conectan los vértices de la trayectoria de luz con el primer vértice de la trayectoria de la cámara. Además, existen varias estrategias de muestreo completamente nuevas, donde se conectan vértices intermedios. La ponderación de todas estas estrategias de muestreo mediante el muestreo de importancia múltiple crea un nuevo muestreador que puede converger más rápido que el trazado de trayectorias unidireccional, aunque se requiere más trabajo para cada muestra. Esto funciona particularmente bien para cáusticas o escenas iluminadas principalmente mediante iluminación indirecta.

El muestreo de importancia puede utilizarse para mejorar la eficiencia de la integración de Monte Carlo mediante el uso de una distribución de muestra aproximadamente proporcional al valor que se integra. Sin embargo, esto solo funciona si se conoce una buena distribución y existe una forma práctica de extraer muestras de ella. Las distribuciones de muestra utilizadas en el trazado de trayectorias suelen estar lejos de ser óptimas, especialmente si los rayos que parten de la cámara deben reflejarse o refractarse para alcanzar la luz. Una forma alternativa de realizar la integración de MC, el método de Metropolis , utiliza un paseo aleatorio para generar muestras con una distribución mejorada. Es un método de Monte Carlo de cadena de Markov (MCMC) que data de 1953 (extendido por Hastings en 1970), pero su primer uso publicado en el trazado de trayectorias, denominado transporte de luz de Metropolis (MLT), no se produjo hasta 1997, por Veach y Guibas (aunque otros investigadores habían explorado previamente el uso de MCMC para encontrar el estado de equilibrio para el transporte de luz ). ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 8 ]}

En el muestreo de importancia estándar, las muestras se generan de forma independiente, por ejemplo, muestreando direcciones de rayos y puntos en luces de área dentro de una función de trazado de ruta que toma una lista de números aleatorios como entrada (o utiliza llamadas sucesivas a un generador de números pseudoaleatorios ). Con el método de Metropolis, las muestras (llamadas propuestas ) se generan a partir de otras muestras modificándolas aleatoriamente. En el contexto de MLT, las muestras son rutas completas desde la cámara hasta la fuente de luz, y las propuestas se llaman mutaciones (de rutas). El principal beneficio del algoritmo radica en su capacidad para generar nuevas rutas que son "cercanas" a las existentes, por lo que es probable que sean buenas rutas para el muestreo de importancia si la ruta original era buena. Si estas rutas se utilizaran en el muestreo de importancia estándar, el trazador de ruta necesitaría conocer la probabilidad absoluta de generar cada ruta, lo cual probablemente sea intratable de calcular, pero el método de Metropolis solo requiere conocer la probabilidad condicional de generar cada ruta mutada dada la ruta anterior (y la probabilidad condicional de la transformación inversa). ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]}

Se utiliza una función objetivo (típicamente la luminancia de la luz que aporta a la imagen una trayectoria determinada) para guiar el muestreo. Una vez generada una nueva trayectoria a partir de una existente, se evalúa la función objetivo para la nueva trayectoria y, a continuación, el método de Metropolis proporciona una fórmula para decidir (probabilísticamente) si se debe utilizar la nueva trayectoria (continuando el recorrido aleatorio en el "espacio de trayectorias" en esa dirección) o mantener la trayectoria anterior e intentarlo de nuevo. Se dice que las trayectorias (propuestas) elegidas son aceptadas . Las trayectorias con una función objetivo más alta tienen mayor probabilidad de ser aceptadas, y las trayectorias inválidas (por ejemplo, si algún borde de la trayectoria está bloqueado por otro objeto) nunca se aceptan. ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]}

Si bien el método Metropolis podría, en teoría, aplicarse al trazado de ruta unidireccional estándar (que parte de la cámara) y utilizarse para generar muestras para un solo píxel a la vez, Veach y Guibas estaban interesados ​​en usarlo para escenarios de iluminación "difíciles" donde el trazado de ruta bidireccional suele ser útil; un paso inicial de generación de ruta y un paso de normalización (que estima el brillo general de la imagen) también harían que el método fuera ineficiente para píxeles individuales. MLT permite que las rutas generadas "vaguen" por toda la imagen, contribuyendo a cualquier píxel (de forma similar a las rutas utilizadas para las cáusticas en el trazado de ruta bidireccional). ^{[ 47 ] [ 12 ]}

MLT necesita generar una muestra inicial imparcial para usarla como ruta "semilla" antes de poder comenzar a generar mutaciones. Esto generalmente se hace mediante remuestreo, generando muestras (ponderadas) con una distribución proporcional a la función objetivo. Se utilizan nuevas rutas semilla cada cierto número de mutaciones para ayudar a asegurar que todo el espacio de rutas se muestree adecuadamente. El algoritmo original seleccionó rutas semilla de conjuntos de rutas generadas por trazado de ruta bidireccional. ^{[ 47 ] [ 12 ]}

Mutaciones utilizadas en el algoritmo MLT original ^{[ 47 ] [ 12 ]} En las siguientes descripciones, un "vértice especular" es un punto de la superficie donde se produce reflexión o refracción con muy poca dispersión de la luz (por ejemplo, un punto en la superficie del vidrio o del agua, o en un espejo), y un "vértice difuso" es un punto en una trayectoria que dispersa la luz de forma difusa hacia la cámara.

• Mutación bidireccional: una porción elegida al azar del camino (en cualquiera de los extremos, o en el medio, quizás de longitud cero) se reemplaza por un nuevo subcamino (quizás de longitud cero).
• Perturbación de la lente: el primer vértice no especular después de que la cámara se desplaza ligeramente cambiando la dirección del rayo de la cámara y encontrando el nuevo primer vértice en una superficie difusa.
• Perturbación cáustica: similar a la perturbación de lente, pero omite un vértice difuso inmediatamente después de la cámara y cualquier vértice especular subsiguiente, y luego perturba la dirección del rayo de luz que regresa desde la fuente de luz o el siguiente vértice difuso.
• Perturbación multicadena: permite perturbar un vértice difuso al que se llega a través de vértices especulares tanto de la cámara como de la fuente de luz (por ejemplo, para cáusticas en el fondo de una piscina).
• Mutación de subtrayectoria de lente: reemplaza el rayo de la cámara y los vértices especulares subsiguientes para generar una trayectoria para un nuevo píxel (generalmente un píxel cercano). Este reemplazo se realiza de forma estratificada para asegurar la cobertura de toda la imagen.

El trazado de rayos tiene dificultades para renderizar las cáusticas : manchas brillantes de luz que aparecen cuando una fuente de luz pequeña o altamente direccional (como el sol) se refleja o refracta en una superficie brillante o un objeto transparente antes de iluminar otra superficie. El resultado suele ser muy ruidoso, con muchos "píxeles brillantes dispersos" (llamativos "luciérnagas"), o simplemente pueden faltar las cáusticas. El trazado de rayos bidireccional puede renderizar las cáusticas si se permite que las subtrazas de luz contribuyan a cualquier píxel de la imagen (rompiendo el modelo de renderizado píxel a píxel), pero aun así pueden faltar las cáusticas si se observan en un espejo. Este tipo de iluminación difícil también puede causar ruido en otras partes de la imagen. ^{[ 49 ] [ 12 ] [ 50 ] : 16.2.2}

Una técnica de renderizado diferente, denominada mapeo de fotones o estimación de densidad de fotones, permite renderizar cáusticas de forma más eficaz. El mapeo de fotones funciona como la parte de "seguimiento directo" o de "seguimiento de partículas" del trazado de ruta bidireccional, simulando las trayectorias de muchos "paquetes" de luz emitidos por una fuente de luz. Estos se denominan fotones en el algoritmo, pero generalmente no representan fotones físicos. Los fotones se rastrean a través de reflexiones y refracciones hasta que impactan en una superficie difusa ( mate ) o abandonan la escena. La información sobre los fotones que impactan en una superficie se acumula en una estructura de datos llamada mapa de fotones y se utiliza posteriormente, en lugar de utilizarse inmediatamente para renderizar un píxel en particular. El mapa de fotones se implementa utilizando una estructura espacial como un árbol k -d o una cuadrícula hash. El mapeo de fotones presenta un sesgo , ya que utiliza un filtro de estimación de densidad para suavizar los datos y permitir estimar la intensidad de la luz en un punto arbitrario de una superficie. Si se utiliza un número insuficiente de muestras de luz, la imagen puede presentar un aspecto borroso o con manchas debido al filtro. El mapeo de fotones generalmente se combina con alguna forma de trazado de rayos , lo que permite una iluminación directa precisa y la reflexión y refracción de los rayos de la cámara, mientras que los mapas de fotones se utilizan solo para cáusticas y/o iluminación global difusa (a menudo con mapas separados para cada uno, porque las cáusticas requieren un muestreo más denso). ^{[ 19 ] : 7.6 [ 1 ] : 31.19,32.6 [ 49 ]}

Una variante temprana del mapeo de fotones utilizaba un mapa de fotones para "guiar" los rayos para la iluminación global (que se renderizaba mediante el trazado de rayos de distribución), en lugar de utilizar directamente la información de radiancia del mapa. Esto es similar a la guía de trayectorias en el trazado de trayectorias moderno. Otro método explorado fue el uso de datos de mapas de fotones como variables de control para reducir la varianza del trazado de trayectorias. Ambos enfoques pueden ser imparciales. ^{[ 49 ] [ 28 ] : 2}

Las mejoras en el rendimiento de la GPU y la aceleración del trazado de rayos han permitido el uso generalizado de esta técnica en videojuegos , pero para renderizar iluminación realista en escenas iluminadas por un gran número de luces y una iluminación global difusa con múltiples rebotes, es necesario lanzar muchos rayos. Esto resulta difícil de lograr en tiempo real a una velocidad de fotogramas aceptable, especialmente al renderizar entornos grandes y detallados (en particular, el trazado de rutas sin sesgo, con longitudes de ruta arbitrarias, no suele ser práctico en tiempo real). Un enfoque para abordar este problema consiste en compartir datos entre píxeles de la imagen o entre fotogramas consecutivos, de modo que se necesiten menos lanzamientos de rayos por píxel. Esto se suele hacer mediante reductores de ruido y suavizado temporal (que permiten usar menos muestras por píxel); sin embargo, pueden causar desenfoque de la imagen, artefactos de "efecto fantasma" entre fotogramas, fugas de luz alrededor de las esquinas y otros tipos de sesgo. Los algoritmos de reutilización basados ​​en precomputación y almacenamiento en caché pueden no responder con la suficiente rapidez a los cambios de iluminación durante la renderización en tiempo real y pueden causar un sesgo significativo. ^{[ 53 ]}

Una familia de técnicas denominada remuestreo de reservorio espaciotemporal , o ReSTIR , permite compartir muestras entre píxeles cercanos y transferirlas al siguiente fotograma incluso cuando los objetos o la cámara se han movido. Esto se puede lograr sin introducir sesgo, o bien, se puede utilizar en modos con sesgo que ofrecen un mejor rendimiento y menos ruido. ReSTIR consta de pasos para generar nuevas muestras de luz directa o iluminación global para un píxel específico, pasos de reutilización espacial que intentan reutilizar muestras de píxeles cercanos y pasos de reutilización temporal que intentan reutilizar muestras del fotograma anterior (utilizando el flujo óptico , también conocido como reproyección temporal o retroproyección , para seleccionar un píxel correspondiente, teniendo en cuenta el movimiento de la cámara y los objetos de la escena). ^{[ 53 ] [ 54 ] : 2,10}

ReSTIR utiliza una forma de muestreo de reservorio ponderado , manteniendo una estructura de datos llamada reservorio para cada píxel. El reservorio almacena una sola muestra junto con un peso similar a los pesos utilizados en el muestreo de importancia . (También se pueden usar reservorios que almacenen más de una muestra: la implementación original de ReSTIR usaba 4 muestras por reservorio para su versión sesgada, pero solo 1 muestra para la versión no sesgada, que es más costosa). ^{[ 55 ] : 15 [ 54 ] : 10}

La versión más antigua de ReSTIR, ahora llamada ReSTIR DI, está diseñada para iluminación directa en escenas con muchas luces. Para generar muestras iniciales, utiliza una técnica antigua llamada muestreo de importancia remuestreado (RIS). Toma muchas muestras de luces de forma económica (sin considerar la visibilidad) y elige una en función de su brillo (esta es una forma aproximada o estocástica de muestreo de importancia). La muestra elegida (por ejemplo, un punto en una luz específica) se prueba para determinar si es visible (si no lo es, se puede tratar como una muestra de luz con brillo cero) y se almacena en el repositorio, junto con un peso. ^{[ 54 ] : 4-6 [ 55 ] : 18}

Durante los pasos de reutilización espacial, se elige aleatoriamente otro píxel de un vecindario alrededor del píxel objetivo (por ejemplo, todos los píxeles con una distancia menor a 30 píxeles). La muestra en el reservorio de este otro píxel se fusiona con el reservorio del píxel objetivo calculando múltiples ponderaciones de muestreo de importancia (MIS) para las dos muestras y eligiendo una muestra utilizando probabilidades proporcionales a las ponderaciones (un procedimiento similar al RIS). La ponderación en el reservorio se actualiza independientemente de si se eligió o no la muestra del otro píxel. Este proceso es costoso en versiones no sesgadas, ya que el cálculo de las ponderaciones MIS requiere conocer la visibilidad y el brillo de ambas muestras de luz en los puntos de la superficie correspondientes a ambos píxeles, lo que generalmente implica trazar dos rayos o trayectorias (este costo se puede reducir utilizando un patrón de reutilización recíproca). Algunas implementaciones examinan múltiples píxeles vecinos (por ejemplo, 4 vecinos) y eligen uno, lo que ayuda a reducir la varianza pero es más costoso, ya que requiere trazar más rayos. ^{[ 54 ] : 5-6 [ 55 ] : 12,16}

La reutilización temporal, que consiste en reutilizar muestras de un píxel correspondiente en el fotograma anterior, se implementa de forma similar a la reutilización espacial. Dado que la cámara y los objetos de la escena pueden haberse movido y la iluminación puede haber cambiado, es necesario calcular la visibilidad y el brillo de ambas muestras de luz en el punto de la superficie en ambos fotogramas para calcular los pesos correctos, lo que generalmente requiere trazar dos rayos adicionales. ^{[ 54 ] : 6 [ 55 ] : 16,19}

Una secuencia típica de pasos por fotograma (que probablemente requiera múltiples pasadas sobre todos los píxeles) sería: ^{[ 55 ] : 16-17}

1. Generar nuevas muestras iniciales para los píxeles.
2. Realizar reutilización temporal
3. Realizar la reutilización del espacio (una o más veces)
4. Renderiza los píxeles del fotograma actual utilizando las muestras que se encuentran ahora en los depósitos.
5. Realizar la eliminación de ruido de la imagen renderizada.

Al combinar los pasos de esta manera, las muestras pueden propagarse rápidamente a los píxeles vecinos, lo que permite una gran cantidad de reutilización potencial de cualquier muestra "buena" que se encuentre. Esto puede ser útil en situaciones de iluminación difíciles (por ejemplo, cuando hay muchas luces pero la mayoría están en sombra); sin embargo, la reutilización excesiva de un pequeño número de muestras causa artefactos de correlación que pueden ser muy visibles. ^{[ 55 ] : 16-17 [ 56 ] : 16-17}

El trazado de rutas puede usar la versión imparcial de ReSTIR DI para calcular la luz directa para el primer punto de la superficie intersectado por el rayo de la cámara. Una versión más general de ReSTIR para trazado de rutas, llamada ReSTIR PT, extiende el algoritmo para admitir la reutilización de rutas arbitrarias en lugar de solo muestras de luz directa. Esto implica aplicar una transformación de mapeo de desplazamiento a una muestra para hacerla aplicable a la posición y orientación de la superficie necesarias para un píxel diferente o un fotograma diferente (los mapeos de desplazamiento se introdujeron como parte de la renderización en el dominio del gradiente). Por ejemplo, un mapeo de desplazamiento llamado desplazamiento de reconexión permite reutilizar la porción de una ruta después de la segunda intersección de la superficie, necesitando solo trazar un rayo para verificar la visibilidad entre la primera y la segunda intersecciones. El desplazamiento de reconexión es muy efectivo para la iluminación global difusa y es la base de un algoritmo simplificado llamado ReSTIR GI (que asume que todas las superficies son lambertianas en la segunda intersección) que se ha utilizado en juegos. ^{[ 55 ] : 22 [ 57 ] : 8 [ 58 ]}

ReSTIR está diseñado principalmente para la renderización en tiempo real, pero también puede utilizarse para acelerar la renderización fuera de línea. Si bien ReSTIR puede ser imparcial, sus posibles inconvenientes (que podrían hacerlo menos adecuado para la renderización fuera de línea) incluyen la correlación no deseada entre errores en píxeles adyacentes (que puede producir artefactos) y entre fotogramas (que puede impedir la convergencia), y el ruido de color (el brillo de los píxeles es correcto, pero el color presenta ruido que no disminuye con múltiples pasadas). Para mitigar estos problemas, se puede omitir la parte de reutilización temporal y, en su lugar, repetir varias veces el muestreo inicial y la reutilización espacial, promediando los resultados. ^{[ 56 ] : 12,16}

Actualmente existen muchas variantes de ReSTIR, que aplican la técnica a la renderización de volumen, a los efectos de profundidad de campo y desenfoque de movimiento, y la combinan con otras técnicas como la guía de trayectorias. Aunque la mayoría de las formas de ReSTIR funcionan en el espacio de la pantalla (con un reservorio para cada píxel), también existen versiones en el espacio del mundo que utilizan RIS y reutilización espaciotemporal para encontrar buenas muestras de luz para regiones del espacio en una cuadrícula 3D. ^{[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]}

• Arnold (software)
• Blender (software) : programa 3D que integra Cycles , un motor de renderizado acelerado por GPU basado en trazado de rayos.
• Renderizado de Octane
• Pixar RenderMan
• LuxCoreRenderer
• Trazado de trayectorias volumétrico