Minecraft como un mundo simulado

 Sarge. (2024). Distant Horizons combined with Iris 1.7 shaders [Imagen]. CurseForge. https://www.curseforge.com/minecraft/mc-mods/distant-horizons/gallery

Minecraft se ha convertido en uno de los ejemplos más representativos de la simulación de mundos computacionales modernos. Este videojuego carga con un impacto cultural enorme además fue uno de los primeros entornos digitales populares en implementar de forma masiva la idea de mundos infinitos generados por de manera procedural. Una técnica donde el principal objetivo es dividir y direccionar tareas para que se realicen de forma automática para así generar de forma eficiente un terreno. en Minecraft esto sucede con un catalizador, una semilla que activa estos mecanismos dentro de la generación procedural como funciones de ruido que determinan biomas, ríos, y cordilleras, por esto es de importancia conocer al menos de forma superficial los algoritmos que envuelven este videojuego.

Núcleo Algorítmico

En cierta manera, podríamos llamar a Minecraft como una simulación algorítmica interactiva, en la cual cada entidad y bloque pertenece a un fenómeno en un modelo computacional. Entre estos, destaca el Ruido de Perlin, es un algoritmo que genera transiciones suaves y orgánicas en el terreno con ello evitando la aleatoriedad caótica y permitiendo que la simulación de la geografía se sienta natural y coherente. Sin embargo, la verdadera profundidad que quisiera destacar aparece con la Redstone.

Expandiendo el punto de la Redstone, no podemos verla solo como un cable. Desde una perspectiva tecnica, la Redstone debe entenderse como un sistema de señales discretas. El simulador opera bajo un reloj interno de 20 Ticks por segundo, o sea que cada cada 0.05 segundos el juego actualiza el estado de cada componente lógico en los chunks cargados.

Esta frecuencia de actualización es el equivalente al ciclo de reloj de un procesador. Al construir una computadora dentro de Minecraft, el ingeniero está limitado por esta velocidad de bus. Las antorchas de Redstone, al actuar como puertas NOT, introducen un retraso de 1 tick de redstone. Este fenómeno obliga a los creadores de hardware simulado a considerar conceptos de latencia de propagación y sincronización de señales, los mismos desafíos que enfrentan los ingenieros al diseñar microchips en la vida real. La capacidad de replicar una Unidad Aritmético Lógica capaz de realizar sumas y restas binarias dentro de este entorno es la prueba máxima de que estamos ante un simulador de sistemas complejos.

Como hemos visto este objeto tiene el poder de simular un circuito eléctrico, además de que su importancia radica en que permite la implementación de puertas lógicas. Al combinar estas puertas abrimos un mundo de posibilidades hacia un sistema lógico funcional, acercándonos a recrear y simular la realidad dentro de esta abstracción de realidad. La Redstone dota al juego de una característica técnica de la complejidad de Turing, lo que significa que Minecraft permite la construcción de máquinas complejas, incluyendo calculadoras, CPU, memorias RAM y computadoras completas simuladas dentro del propio mundo.

Para comprender la magnitud de la simulación en Minecraft, es de primera necesidad el analizar cómo se gestiona la información en la memoria por qué diferencia de la mayoría de los motores gráficos que utilizan mallas de polígonos para definir superficies huecas, Minecraft utiliza el concepto de vóxel. Cada bloque no es solo una representación visual, sino una entrada en una base de datos tridimensional que contiene atributos de estado, iluminación y física. Sin embargo, simular un mundo infinito bloque por bloque sería computacionalmente exagerado. Aquí es donde entra la ingeniería de optimización mediante Chunks.

 El motor divide el mundo en segmentos de 16 * 16 * 256 bloques. Esta subdivisión permite implementar una gestión de memoria dinámica, lo que quiere decir que solo los chunks dentro de un radio específico del jugador se cargan en la memoria RAM y se procesan en la CPU. Desde la perspectiva de la computación gráfica, esto facilita el Face Culling, el algoritmo detecta qué caras de los cubos están en contacto con otros bloques opacos y las elimina antes de enviarlas a la CPU. Si un bloque de tierra está rodeado por otros seis bloques, el motor entiende que no hay necesidad de gastar recursos procesando sus caras ocultas. Esta gestión de estructuras de datos es lo que permite que, a pesar de la ineficiencia histórica de Java, el sistema pueda manejar millones de puntos de datos en tiempo real.

El Desafío del Renderizado

Todo aquel que haya jugado Minecraft se ha envuelto en la tediosa tarea de tener que optimizar el juego de alguna forma u otra, esto se debe a que minecraft nació de Java y hoy lo podríamos llamar deficiente en cuanto a motores de videojuegos, esto implica enfrentarse al Garbage Collector que puede introducir latencias impredecibles, y a una gestión de memoria que no es tan directa como en lenguajes de bajo nivel como C++.Por esto se usan técnicas y algoritmos para aliviar la carga computacional.

El juego usa Frustum Culling, esta técnica se usa en una gran cantidad de videojuegos y consiste en dejar de procesar para dar un resultado visual a lo que el jugador deje de ver, pero esto sigue siendo ineficiente cuando hay otros miles de procesos o Voxes que son ineficientes. Esto genera un cuello de botella donde el peso del procesamiento recae en el renderizado de las caras individualmente, a comparación del peso que tendria la cantidad de bloques presentes en la escena. Como respuesta a esto, la comunidad ha creado diversos mods de optimización.

Mods como Sodium o Optifine reescriben el pipeline de renderizado de OpenGL. Una de las innovaciones más importantes es el Occlusion Culling basado en hardware, además se han implementado técnicas de Entity Culling asíncrono. En el motor estándar, el juego intenta calcular la visibilidad de todas las entidades tales como animales, monstruos u objetos en el hilo principal de procesamiento, lo que reduce los FPS de manera exagerada. Los mods modernos mueven estos cálculos a hilos secundarios, a lo que llamamos Multithreading, permitiendo que el procesador gestione miles de entidades simultáneamente.

Finalmente, la introducción de Multithreaded Path-Tracing en mods de iluminación ha permitido que un motor basado en bloques soporte efectos de luz que antes eran exclusivos de motores de última generación como Unreal Engine. Al distribuir el trazado de rayos en múltiples núcleos y usar estructuras de datos más eficientes como los BVH.

Evolución Visual

La estética de Minecraft, basada en el pixel art tridimensional, fue inicialmente una solución de compromiso ante las limitaciones de rendimiento. Pero, aun teniendo esta simplicidad geométrica se convirtió en la base de una de las evoluciones visuales más disruptivas de la industria. Al no depender de la complejidad de mallas poligonales detalladas, el sistema pudo centrar sus recursos en la coherencia del mundo y la simulación de sistemas.

Sin embargo, el verdadero salto técnico ocurrió cuando la comunidad comenzó a manipular el lenguaje de sombreado GLSL, Los conocidos shaders o sombreadores no son simplemente filtros de imagen, mejor descritos son programas que se ejecutan directamente en las unidades de procesamiento de la GPU para calcular la interacción de la luz con cada superficie en tiempo real.

La implementación de técnicas como el Deferred Rendering marcó un antes y un después en la capacidad visual del motor, permitiendo que la comunidad introdujera efectos de post-procesamiento que el código original de Java no podía gestionar de forma nativa. Mediante esta arquitectura, el cálculo de la iluminación se separa de la geometría de los objetos, lo que facilita la integración de algoritmos de Iluminación Global. Estos algoritmos son capaces de calcular cómo los fotones rebotan de una superficie a otra, logrando fenómenos como el sangrado de color, donde un bloque de lana saturada puede proyectar sutilmente su tonalidad sobre las superficies adyacentes, otorgando una coherencia cromática que la iluminación estática no puede alcanzar.

Esta complejidad se extiende a la simulación de la atmósfera mediante el uso de Sombras Dinámicas y Efectos Volumétricos. En lugar de simplemente oscurecer áreas, el sistema calcula la densidad del aire para modelar la dispersión de la luz, generando los conocidos god rays al interactuar con el follaje o las estructuras. A esto se suma el uso de Reflexiones en Espacio de Pantalla, algoritmos que analizan el búfer de profundidad para proyectar reflejos realistas en superficies líquidas sin el costo computacional de renderizar la escena por duplicado, optimizando así el uso de la memoria de video.

Esta evolución técnica alcanzó su punto álgido con la integración del Ray acelerado por hardware. En este nivel, Minecraft trasciende su estética de bloques para transformarse en un laboratorio de física óptica en tiempo real. El motor debe trazar miles de trayectorias de fotones simulados que interactúan con cada vóxel, procesando cálculos de refracción, reflexión y absorción según las propiedades materiales de cada bloque. Lo verdaderamente fascinante desde la perspectiva de la arquitectura de software es que, a pesar de este realismo visual extremo, la lógica interna del sistema, sus ticks, el estado de la redstone y las colisiones permanece inalterada

  Queda claro que su éxito no reside en la simplicidad de su apariencia, sino en la robustez de sus cimientos algorítmicos. Lo que comenzó como un proyecto experimental en Java se ha consolidado como un caso de estudio magistral sobre la simulación de sistemas emergentes. La capacidad de generar mundos infinitos mediante funciones de ruido, la gestión eficiente de estructuras de datos masivas a través de chunks y la implementación de una lógica interna capaz de alcanzar la completitud de Turing, demuestran que el valor real de un entorno digital es su coherencia funcional. 

Creditos

Autor: Samuel Fernely Arias Gómez

Editor: Carlos Iván Pinzón Romero

Código: UCCG-10

Universidad: Universidad Central

Fuentes

Akenine-Möller, T., Haines, E., y Hoffman, N. (2018). Real-time rendering (4a ed.). CRC Press.

Cipollone, M., Schifter, C. C., y Moffat, R. A. (2014). Minecraft as a creative tool: A settlement-building and logic-simulation case study. International Journal of Game-Based Learning, 4(2), 1-14. https://doi.org/10.4018/ijgbl.2014040101    

        Perlin, K. (1985). An image synthesizer. ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 19(3), 287-296. https://doi.org/10.1145/325165.325247

Laine, S., & Karras, T. (2010). Efficient sparse voxel octrees. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 17(8), 1048-1059. https://doi.org/10.1109/TVCG.2010.240

Gregory, J. (2018). Game engine architecture (3a ed.). CRC Press.