Ray Tracing – Khi giới thiệu dòng card đồ họa thế hệ mới mang kiến trúc Turing đặc biệt, NVIDIA luôn đặc biệt chú trọng vào tính năng Ray Tracing, làm cho nó trở thành điểm nhấn chính trong các chiến dịch tiếp thị của hãng trong thời gian qua.”
Ray Tracing Là Gì?
Ray Tracing – còn được biết đến ở Việt Nam với tên gọi công nghệ dò tia – là phương pháp tạo hình ảnh dựa trên việc mô phỏng và theo dấu quỹ đạo của ánh sáng, cũng như việc tái tạo lại các tác động vật lý của ánh sáng lên các bề mặt bị chiếu sáng để đạt được hiệu quả hình ảnh chân thực, tương tự như ảnh chụp (photorealism).
Công nghệ này không phải là mới, với ngành điện ảnh đã áp dụng nó từ hơn 20 năm trước để tạo ra các hiệu ứng hình ảnh đặc sắc. Tuy nhiên, việc sử dụng công nghệ này bị hạn chế do yêu cầu cao về khối lượng dữ liệu cần xử lý cho mỗi hình ảnh, đòi hỏi sự hỗ trợ từ những hệ thống máy tính cực kỳ mạnh mẽ với hàng nghìn bộ vi xử lý để tạo ra từng khung hình.
Ngày nay, các studio sản xuất hiệu ứng hình ảnh vẫn phụ thuộc vào những hệ thống máy tính khổng lồ để tạo dựng hình ảnh cho các tác phẩm điện ảnh lớn, bao gồm cả những phim siêu anh hùng nổi tiếng của Marvel. Để tạo ra các cảnh quay đầy rẫy cảnh cháy nổ và sụp đổ hoành tráng, họ cần phải dựng hình 3D toàn bộ một thành phố lớn sử dụng công nghệ Ray Tracing, điều này cho thấy sức mạnh và tầm quan trọng của công nghệ này trong ngành công nghiệp điện ảnh hiện đại.
Một điểm đổi mới lớn khi so sánh với các phương pháp truyền thống là công nghệ của NVIDIA không yêu cầu sử dụng siêu máy tính cồng kềnh. Thay vào đó, nó tận dụng sức mạnh xử lý của card đồ họa mới nhất, cho phép tạo hình ảnh theo thời gian thực qua DirectX12, một thư viện đồ họa của Microsoft. Điều này mở ra khả năng ứng dụng công nghệ trong trò chơi điện tử với cụm từ Real Time Ray Tracing hay DirectX Ray Tracing (DXR).
Điểm khác biệt thứ hai liên quan đến việc thay thế hệ thống phần cứng truyền thống bằng cấu trúc tăng tốc đặc biệt, được NVIDIA tích hợp trực tiếp vào kiến trúc Turing của mình, được biết đến với tên gọi là RT Core. Cấu trúc này được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất xử lý của Ray Tracing, đem lại hiệu quả đáng kể so với các phương pháp cũ.
Các nhân RT Core trong kiến trúc Turing của NVIDIA, tương tự như các nhân Pixel Shader hoặc Vertex Shader trước đây (được tổng hợp thành nhân CUDA sau này), đều đảm nhận nhiệm vụ xử lý các tác vụ đặc biệt. Trong trường hợp này, chúng tập trung vào việc mô phỏng quỹ đạo của ánh sáng, sau đó gửi kết quả về cho nhân CUDA để xử lý hình ảnh như bình thường.
Sử dụng phần cứng được thiết kế đặc biệt cho việc mô phỏng dò tia ánh sáng theo thời gian thực giúp giảm bớt áp lực xử lý đáng kể cho các nhân CUDA thông thường. Nhờ vào cấu trúc này, thậm chí các card đồ họa RTX với cấu hình thấp như RTX 2060 cũng vượt trội hơn các card đồ họa dòng GTX có nhiều nhân CUDA hơn trong việc xử lý hình ảnh với DXR, thể hiện sự ưu việt trong các tác vụ dựng hình theo phương pháp Ray Tracing so với các phương pháp truyền thống như trên GTX 1080.
Dù có sự hỗ trợ từ phần cứng được thiết kế để tăng tốc xử lý, không thể không nhận thấy rằng việc đưa công việc nặng nhọc, trước đây chỉ dành cho các siêu máy tính, vào máy tính cá nhân vẫn là một thách thức lớn, cả về mặt công suất lẫn chi phí, đối với đa số người dùng. Điều này đặc biệt rõ ràng trong cộng đồng game thủ, nơi mà người chơi phổ thông, chiếm đa số, có thể thấy việc trải nghiệm công nghệ cao cấp này vượt quá khả năng chi trả và yêu cầu phần cứng của họ.
Do đó, NVIDIA đã phân chia công nghệ Ray Tracing thành các phần nhỏ hơn và tích hợp chúng vào các “bộ tính năng” mà nhà phát triển game có thể lựa chọn. Mục tiêu là để các studio có thể tích hợp một hoặc nhiều tính năng này mà không làm giảm đáng kể tốc độ khung hình của game, kể cả trên những hệ thống có cấu hình không quá cao.
Các “bộ tính năng” Ray Tracing bao gồm các tính năng chính như: Phản chiếu ánh sáng theo tia (Ray Traced Reflections), Tạo bóng theo tia (Ray Traced Shadows), Tạo bóng môi trường theo tia (Ray Traced Ambient Occlusion), và Chiếu sáng tổng thể theo tia (Ray Traced Global Illumination), giúp các nhà phát triển game tối ưu hóa trải nghiệm người chơi mà không cần hi sinh quá nhiều về mặt hiệu suất.
Phản Chiếu (Ray Tracing – Reflection)
Hiện tượng phản chiếu trong trò chơi điện tử đã được biết đến từ lâu, nhưng trước khi công nghệ Ray Tracing được áp dụng, mọi thứ chỉ dừng lại ở việc sử dụng các mánh khóe đồ họa chứ không phải tạo ra hình ảnh phản chiếu một cách chân thực.
Một trong những kỹ thuật đồ họa cổ điển mà nhà phát triển game thường dùng là “tạo ra” một bản sao giống hệt với hình ảnh thực tế trên một mặt phẳng được chỉ định làm gương. Phương pháp này khá sơ khai và chỉ có thể mô phỏng hiện tượng phản chiếu qua gương một cách đơn giản nhất.
Trong thực tế, nhiều loại vật liệu có khả năng phản chiếu hình ảnh và ánh sáng, dẫn đến sự phát triển của thuật toán “Reflective Bump Mapping”, hay còn gọi là kỹ thuật “ghi” hình ảnh phản chiếu lên bề mặt vật liệu.
Kỹ thuật này áp dụng các hình ảnh 2D lên bề mặt của đối tượng 3D để tạo ra một lớp hình ảnh giả mạo, mô phỏng sự phản chiếu của môi trường xung quanh lên bề mặt đó. Thuật toán này hiện nay được sử dụng rộng rãi trong nhiều trò chơi, bao gồm cả tựa game tương đối mới như “Marvel’s Spider-man” trên PlayStation 4, nơi mà hiệu ứng này được biểu hiện một cách nổi bật.
Phản chiếu trên các bề mặt như vũng nước hay cửa sổ của tòa nhà thực chất là hình ảnh 2D đã được vẽ trước, tạo nên một hiệu ứng ảo giác về sự phản chiếu mà không thực sự phản ánh sự thay đổi của môi trường xung quanh. Đặc biệt, khi môi trường có những biến đổi, những hình ảnh phản chiếu này không thể hiện được sự thay đổi đó, làm cho chúng trở nên kém thực tế hơn.
Khi áp dụng công nghệ Ray Tracing, các nhân RT Cores tiến hành theo dõi tia sáng từ nguồn sáng, phản chiếu trên bề mặt vật liệu, sau đó các nhân CUDA sẽ tính toán và tạo ra hình ảnh phản chiếu theo thời gian thực. Nhờ vậy, hình ảnh phản chiếu trên bề mặt như vũng nước hay các vật liệu khác đều được sinh động và phản ánh chính xác môi trường xung quanh, không giống như các hình ảnh 2D tĩnh “dán” trên bề mặt trước đó.
Battlefield V là trò chơi tiên phong và cũng được NVIDIA quảng bá rộng rãi nhất với hiệu ứng phản chiếu thông qua công nghệ Ray Tracing. Nhóm phát triển DICE chọn lựa hiệu ứng này vì so với các hiệu ứng khác trong công nghệ Ray Tracing, nó tương đối “nhẹ” và dễ tích hợp hơn.
Khi kích hoạt tính năng DXR trong cài đặt, engine Frostbite 3 sẽ tự động nhận diện và tập trung vào một số vùng nhất định trong khung hình để các nhân RT Core thực hiện tính toán phản chiếu tia sáng. Các vùng này có thể bao gồm vũng nước, bề mặt sơn bóng của xe ô tô, hoặc kính cửa sổ của nhà, chúng chỉ chiếm một phần nhỏ trong toàn bộ khung hình.
Do đó, việc bật tính năng này chỉ làm giảm tốc độ khung hình trung bình khoảng 15% đến 20% tùy theo cảnh, không làm ảnh hưởng đáng kể đến trải nghiệm chơi game nhưng vẫn mang lại hiệu ứng hình ảnh ấn tượng, nâng cao chất lượng trải nghiệm cho người chơi.
Control, tựa game mới từ Remedy Entertainment, cũng đã chính thức hỗ trợ tính năng Ray Tracing với nhiều cấp độ hiệu ứng phản chiếu khác nhau trên các bề mặt như sàn gạch hay vũng nước, phụ thuộc vào cấu hình phần cứng của người chơi.
Đổ Bóng (Ray Traced Shadows)
Trước kỷ nguyên Ray Tracing, việc mô phỏng bóng (Shadows) thường chỉ là một mánh khóe đồ họa của họa sĩ game.
Những game thủ lâu năm có lẽ vẫn nhớ những biểu tượng đốm tròn đơn giản thay thế cho bóng của nhân vật trong các trò chơi cổ điển, một phương pháp đã được sử dụng trong hàng chục năm trước khi các kỹ thuật đổ bóng tiên tiến hơn được tích hợp vào trò chơi.
Một phương pháp phổ biến trong việc mô phỏng bóng là việc sử dụng hình ảnh 2D màu tối và bán trong suốt, được cố định và di chuyển song song với các đối tượng trong cảnh, tạo nên bóng cho chúng. Ngoài ra, kỹ thuật làm mềm viền bóng (Soft Shadows), ra mắt trong dòng game F.E.A.R từ năm 2005, đã thêm vào khả năng mờ đi viền của bóng đổ, giúp chúng hòa quyện một cách tự nhiên hơn với môi trường xung quanh.
Phương pháp truyền thống này phát huy hiệu quả trong những cảnh có ánh sáng tĩnh và dễ dàng kiểm soát. Tuy nhiên, nó trở nên kém thuyết phục trong các khu vực với nhiều nguồn sáng hoặc ánh sáng biến đổi liên tục, như ánh lập lòe từ đuốc lửa, làm cho bóng trở nên cứng nhắc và kém tự nhiên.
Ngược lại, Ray Tracing thông qua việc sử dụng nhân RT Cores, theo dõi mọi nguồn sáng trong môi trường game để chính xác định bóng che khuất của vật thể, tạo nên những “bóng thực” với độ trong suốt, màu sắc, và hướng phản chiếu phù hợp hoàn toàn với quy luật của ánh sáng trong vật lý.
Tính năng này tăng cường sử dụng tài nguyên phần cứng một cách tỷ lệ thuận với số lượng nguồn sáng, đặc biệt là trong các cảnh quay ban đêm, khi máy tính cần phải làm việc hết công suất để mô phỏng các “bóng thật” một cách chân thực. Ngược lại, trong các cảnh ban ngày với nguồn sáng chủ yếu là mặt trời, hiệu quả của bóng đổ không quá nổi bật so với các phương pháp truyền thống.
“Shadow of the Tomb Raider” có thể được coi là tựa game đầu tiên tích hợp hiệu ứng bóng đổ Ray Tracing, nhưng các cảnh game ban ngày không làm nổi bật được công nghệ này, không tạo được sự ấn tượng mạnh mẽ và khác biệt rõ ràng so với những phương pháp truyền thống, như cách mà hiệu ứng phản chiếu được sử dụng trong “Battlefield V“.
Tuy nhiên, những cảnh quay về đêm tiết lộ rõ ràng sự đóng góp của Ray Tracing đối với việc làm sống động hóa ánh sáng. Dù việc này có thể làm giảm đáng kể tốc độ khung hình, giảm tới hơn 30% và trong một số trường hợp cụ thể, giảm tới 50% so với việc dựng hình theo phương pháp cũ.
NVIDIA cũng thường xuyên sử dụng tựa game “Võ Lâm Truyền Kỳ 3” trong việc trình diễn tính năng này, với phiên bản nâng cấp engine dự kiến sẽ ra mắt thị trường trong thời gian sắp tới.
Chiếu Sáng Tổng Thể (Ray Traced Global Illumination)
Các kỹ thuật dựng hình cổ điển thường không thể mô phỏng chính xác khả năng chiếu sáng gián tiếp, ngay cả khi các nhà thiết kế game áp dụng đa dạng thủ thuật. Đây là hiệu ứng mà ánh sáng từ một nguồn sáng không chỉ chiếu trực tiếp lên các vật thể mà còn phản xạ ra không gian xung quanh, một phần của quá trình chiếu sáng tổng thể.
Về mặt vật lý, công nghệ này tái hiện ánh sáng được phản chiếu từ bề mặt vật liệu ra môi trường, tạo ra một hệ thống chiếu sáng phức tạp và đa dạng. Không có Ray Tracing, sự phong phú và phức tạp của hiệu ứng chiếu sáng tổng thể không thể được tái tạo một cách thuyết phục bằng các phương pháp dựng hình truyền thống.
Hiệu ứng Global Illumination đương nhiên yêu cầu một lượng lớn tài nguyên phần cứng để có thể xử lý hàng loạt tia sáng phản xạ và tán xạ khắp nơi trên các bề mặt trong một cảnh game. Điều này càng trở nên phức tạp hơn khi một khung cảnh có sự xuất hiện của nhiều nguồn sáng đồng thời.
Do tính năng này tiêu thụ nhiều tài nguyên, Metro Exodus, tựa game tiên phong trong việc tích hợp Global Illumination, đã phải cân nhắc giảm số lượng nguồn sáng trong mỗi cảnh xuống mức cực kỳ hạn chế. Điều này trái ngược với cách tiếp cận của Shadow of the Tomb Raider, nơi có thể có nhiều nguồn sáng hiển thị cùng một lúc.
Tuy tính năng này mang lại hiệu ứng ánh sáng đáng kinh ngạc, nhưng nó có thể gây ra sự sụt giảm đáng kể về hiệu suất, giảm tốc độ khung hình trung bình lên tới 30% trong các tình huống bình thường và thậm chí trên 50% trong các môi trường trong nhà với nhiều nguồn sáng và bố cục ánh sáng phức tạp, so với việc sử dụng các kỹ thuật dựng hình cổ điển.
Tính đến nay, ngoài Metro Exodus, chỉ có một số ít demo kỹ thuật sử dụng công nghệ này chủ yếu để mục đích trưng bày chứ không thực sự được tích hợp vào trò chơi, do “trọng lượng” của nó vẫn còn quá nặng để có thể phổ biến rộng rãi trong cộng đồng game thủ nói chung.
Đổ Bóng Môi Trường (Ray Traced Ambient Occlusion)
Đổ bóng môi trường hay Ambient Occlusion, là một kỹ thuật đồ họa tính toán cách ánh sáng tương tác với các bề mặt, nhấn mạnh việc phơi sáng và tạo bóng riêng biệt cho các vật thể, từ đó làm tăng tính chân thực và cảm giác ba chiều của hình ảnh.
Trước sự ra đời của công nghệ Ray Tracing trong ngành game, hiệu ứng đổ bóng môi trường đã được nghiên cứu và phát triển nhiệt liệt, qua đó sinh ra nhiều phương pháp đa dạng để mô phỏng hiệu ứng này.
Công nghệ đổ bóng môi trường theo chiều ngang (Horizontal Based Ambient Occlusion – HBAO) đã được biết đến rộng rãi qua việc áp dụng trong trò chơi World of Warcraft, trong khi Công nghệ đổ bóng môi trường không gian (Screen Space Ambient Occlusion – SSAO) lại nổi tiếng với trò chơi Crysis, một tựa game nổi tiếng vì yêu cầu phần cứng máy tính cao lúc bấy giờ.
Cả hai phương pháp này đều tạo ra “bóng giả” bằng cách sử dụng thông tin về chiều sâu từ một bộ đệm độ sâu (depth buffer), để xác định mối quan hệ không gian giữa các pixel và tạo ra bóng tối ở những khu vực tương đối gần nhau, từ đó tạo nên cảm giác vật thể có chiều sâu và khối hơn.
Hiện tại, Metro Exodus là tựa game duy nhất tích hợp hiệu ứng Ambient Occlusion, cùng với một số bản demo kỹ thuật nổi bật khác để trình diễn công nghệ này. Cyberpunk 2077 cũng được kỳ vọng sẽ áp dụng hiệu ứng này, cùng với các hiệu ứng phản chiếu và chiếu sáng tổng thể, nhằm tạo ra một thế giới tương lai sống động và hấp dẫn.
Phát Xạ Ánh Sáng (Ray Tracing Emissive Lighting)
Metro Exodus, game được xem là một trong những tựa game đòi hỏi cấu hình phần cứng cao nhất trong năm 2019, sẽ sớm có mặt trên nền tảng Steam trong tháng 2 này với các bản cập nhật mới. Đặc biệt phải kể đến là bản mở rộng “Two Colonels” được phát hành vào cuối tháng 8 trước, mang đến những đột phá mới về công nghệ, tiếp tục nâng cao sử dụng Ray Tracing.
Trong khi đó, theo các kỹ thuật dựng hình truyền thống, các nhà phát triển thường tạo ra nguồn sáng giả mạo bằng cách đặt một nguồn sáng tĩnh do engine trò chơi xác định trước, như ánh sáng mặt trời, đèn hoặc lửa trại, và hiệu ứng như sự lập lòe của ngọn lửa thường được mô phỏng thông qua các lớp texture bán trong suốt để tạo hiệu ứng chắn một phần ánh sáng phát ra từ nguồn đó.
Đó là lý do tại sao trong nhiều tựa game hiện đại, kể cả những game mới ra mắt trong năm 2019 như Total War: Three Kingdoms, hiệu ứng lửa trong các vụ cháy thường bị biểu diễn một cách không thực tế, sáng rực như đèn neon, trong khi ánh sáng từ mũi tên lửa hoặc ngọn đuốc thì không tỏa ra ánh sáng thực sự, mà chỉ là những hình vẽ màu đỏ mang tính chất hiệu ứng mà thôi.
Còn trong các tựa game bắn súng đỉnh cao với đồ họa hàng đầu như Battlefield V hay Call of Duty: Modern Warfare, tia lửa từ nòng súng thường được các nghệ sĩ đồ họa mô phỏng bằng cách thêm vào các lớp texture bán trong suốt có màu sáng và tông màu vàng cam hoặc vàng đỏ trên các bề mặt kế cận, nhằm “giả mạo” hiệu ứng chớp lửa tại chỗ mà không thực sự tạo ra sự lan tỏa ánh sáng ra không gian xung quanh.
Để đạt được mức độ hiện thực cao hơn trong trò chơi, nhóm kỹ sư đồ họa tại 4A Games đã triển khai một bộ công nghệ Ray Tracing tiên tiến mới được phát triển gần đây, được biết đến với tên gọi “Ray Traced Emissive Lighting“. Công nghệ này mô phỏng cả những dải sáng nhỏ với độ sáng đa dạng và hiệu ứng của chúng đối với môi trường xung quanh một cách tỉ mỉ.
Để thực hiện điều này, nhóm thiết kế đồ họa gắn thuộc tính phát sáng cho các đối tượng cụ thể trong cảnh với số lượng tia sáng được xác định trước, như đèn trang trí nhỏ, tia lửa từ súng hoặc ngọn lửa từ súng phun lửa, mỗi loại với những giá trị cường độ sáng khác nhau. Ánh sáng này sau đó tương tác với môi trường xung quanh, tạo nên hiệu ứng thực tế và đẹp mắt, ví dụ như tia lửa từ nòng súng hay đường sáng từ đuôi tên lửa có thể chiếu rọi và làm sáng lên khu vực lân cận.
Công nghệ mô phỏng ánh sáng với những nguồn sáng nhỏ này rất độc đáo, thậm chí là trong ngành điện ảnh cũng mới chỉ được áp dụng gần đây. Một ví dụ nổi bật là trong bộ phim hoạt hình “Coco” của Pixar phát hành năm 2017, nơi một số cảnh quay có tới… 8 triệu nguồn sáng, yêu cầu sức mạnh tính toán của hàng ngàn máy tính mạnh mẽ nhất có thể tổng hợp được, làm việc không mệt mỏi hàng trăm giờ để tạo ra từng khung hình cho một “địa ngục tươi đẹp”.
Sự phức tạp của công nghệ này đòi hỏi hệ thống phải xử lý nhiều tia sáng và hiệu ứng lan tỏa ánh sáng nhiều hơn, thách thức hơn so với những công nghệ trước đây. Có thể, một cây thông Noel lộng lẫy có thể trở thành thách thức lớn cho hệ thống, ngay cả khi nó được trang bị phần cứng hiện đại và mạnh mẽ nhất hiện nay.
Tuy nhiên, không thể không công nhận rằng công nghệ “Ray Traced Emissive Lighting” này đã nâng cao độ thực tế của đồ họa máy tính lên một tầm cao mới, tạo ra những hình ảnh đẹp đẽ và sống động chưa từng có.
Tổng Kết
Dù những yêu cầu phần cứng nghiêm ngặt của công nghệ Ray Tracing có thể khiến một số nhà phát triển game và thậm chí là những công ty lớn như AMD chưa hoàn toàn sẵn sàng đón nhận nó trong thời điểm hiện tại, nhưng không thể phủ nhận tiềm năng to lớn của công nghệ này trong việc nâng cấp độ thực tế cho trải nghiệm gaming, vượt ra ngoài các hiệu ứng hình ảnh giả mạo đã được thiết kế trước, để đến với một thế giới ánh sáng phù hợp với nguyên lý vật lý.
Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ phần cứng, chắc chắn rằng Ray Tracing sẽ được áp dụng ngày càng phổ biến và sâu rộng trong các tựa game cao cấp trong tương lai, thay vì chỉ giới hạn trong việc triển khai một số tính năng cụ thể để giảm bớt gánh nặng cho hệ thống như hiện nay.
