Nếu gần đây bạn chỉ nhìn thoáng qua về tin tức trò chơi và đồ họa, thì bạn đã nghe thấy từ thông dụng mới nhất và hay nhất: dò tia. Bạn cũng có thể đã nghe thấy một từ có âm thanh tương tự được gọi là dò đường. Và bạn hoàn toàn có thể được tha thứ vì không hiểu đầy đủ một trong hai quy trình là gì.
Một lời giải thích đơn giản là cả dò đường và dò tia đều là các kỹ thuật đồ họa tạo ra hình ảnh trông thực tế hơn với chi phí là sức mạnh tính toán cao hơn đáng kể. Có một video Minecraft trên YouTube thể hiện các khía cạnh cụ thể của việc dò tia một cách rõ ràng, nhưng cũng minh họa sự căng thẳng mà nó gây ra cho một hệ thống.
Nếu đó là lời giải thích duy nhất bạn cần, thật tuyệt! Nhưng nếu bạn muốn tìm hiểu sâu và tìm hiểu cách thức hoạt động của từng kỹ thuật và lý do tại sao các công ty phần cứng GPU đang tính một khoản tiền nhỏ cho các thẻ có khả năng dò tia, hãy đọc tiếp.
Nội dung bài viết
Rasterization và đồ họa máy tính
Bất kỳ hình ảnh nào bạn thấy được hiển thị trên màn hình máy tính không bắt đầu như hình ảnh đó. Nó bắt đầu dưới dạng một đường raster hoặc một hình ảnh vectơ. Hình ảnh raster bao gồm một tập hợp các pixel bóng mờ.
Hình ảnh vectơ dựa trên các công thức toán học có nghĩa là hình ảnh có thể được tăng kích thước gần như vô hạn. Nhược điểm của ảnh vector là khó đạt được các chi tiết chính xác hơn. Hình ảnh vectơ được sử dụng tốt nhất khi chỉ cần một vài màu sắc.
Điểm mạnh chính của rasterization là tốc độ của nó, đặc biệt là so với các kỹ thuật như dò tia. GPU hoặc đơn vị xử lý đồ họa của bạn sẽ yêu cầu trò chơi tạo hình ảnh 3D từ các hình dạng nhỏ, thường là hình tam giác. Những hình tam giác này được biến thành các pixel riêng lẻ và sau đó được đưa qua một bộ đổ bóng để tạo ra hình ảnh mà bạn nhìn thấy trên màn hình.
Rasterization đã là lựa chọn hàng đầu cho đồ họa trò chơi điện tử trong một thời gian dài do tốc độ xử lý của nó, nhưng khi công nghệ hiện tại bắt đầu đi ngược lại giới hạn của nó, cần có nhiều kỹ thuật tiên tiến hơn để vượt lên cấp độ tiếp theo. Đó là nơi xuất hiện tính năng dò tia.
Theo dõi tia trông thực tế hơn nhiều so với quá trình rasterization, như hình ảnh bên dưới minh họa. Nhìn vào hình ảnh phản chiếu trên ấm trà và thìa.
Ray Tracing là gì?
Ở cấp độ bề mặt, dò tia là một thuật ngữ ô có nghĩa là tất cả mọi thứ từ một giao điểm duy nhất của ánh sáng và vật thể để hoàn thành chủ nghĩa quang thực. Tuy nhiên, trong ngữ cảnh phổ biến nhất được sử dụng ngày nay, dò tia đề cập đến một kỹ thuật kết xuất theo sau một chùm ánh sáng (tính bằng pixel) từ một điểm đặt và mô phỏng cách nó phản ứng khi gặp các đối tượng.
Hãy dành một chút thời gian và nhìn vào bức tường của căn phòng mà bạn đang ở. Có nguồn sáng trên tường hay ánh sáng bị phản xạ khỏi tường từ một nguồn khác? Đồ họa theo dõi tia sáng sẽ bắt đầu từ mắt bạn và theo đường nhìn của bạn đến bức tường, sau đó đi theo đường ánh sáng từ bức tường trở lại nguồn sáng.
Sơ đồ trên minh họa cách thức hoạt động của điều này. Lý do cho “đôi mắt” mô phỏng (máy ảnh trong sơ đồ này) là để giảm tải cho GPU.
Tại sao? Chà, theo dõi tia không phải là một thương hiệu mới. Nó thực sự đã tồn tại khá lâu. Pixar sử dụng kỹ thuật dò tia để tạo ra nhiều bộ phim của mình, nhưng đồ họa từng khung hình, độ trung thực cao ở độ phân giải mà Pixar đạt được cần có thời gian.
Rất nhiều của thời gian. Một số khung hình trong Đại học Quái vật mất 29 giờ mỗi báo cáo. Câu chuyện đồ chơi 3 mất trung bình 7 giờ cho mỗi khung hình, với một số khung hình mất 39 giờ theo một câu chuyện năm 2010 từ Có dây.
Bởi vì bộ phim minh họa sự phản chiếu của ánh sáng từ mọi bề mặt để tạo ra phong cách đồ họa mà mọi người đã từng biết đến và yêu thích, nên khối lượng công việc gần như không thể tưởng tượng được. Bằng cách giới hạn kỹ thuật dò tia ở những gì mắt thường có thể nhìn thấy, các trò chơi có thể sử dụng kỹ thuật này mà không khiến bộ xử lý đồ họa của bạn gặp sự cố (theo nghĩa đen).
Hãy nhìn vào hình ảnh bên dưới.
Đó không phải là một bức ảnh, mặc dù nó trông thật như thế nào. Đó là một hình ảnh theo dõi tia. Hãy thử tưởng tượng lượng điện năng cần thiết để tạo ra một hình ảnh như thế này. Một tia có thể được truy tìm và xử lý mà không gặp nhiều khó khăn, nhưng còn khi tia đó bật ra khỏi một vật thể thì sao?
Một tia duy nhất có thể biến thành 10 tia, và 10 tia đó có thể biến thành 100, v.v. Sự gia tăng là cấp số nhân. Sau một thời điểm, số lần trả lại và phản xạ ngoài màn hình hiển thị bậc ba và bậc bốn giảm dần. Nói cách khác, chúng đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để tính toán và hiển thị so với giá trị của chúng. Để hiển thị một hình ảnh, một giới hạn phải được vẽ ra ở đâu đó.
Bây giờ hãy tưởng tượng làm điều đó từ 30 đến 60 lần mỗi giây. Đó là lượng điện năng cần thiết để sử dụng kỹ thuật dò tia trong trò chơi. Nó chắc chắn rất ấn tượng, phải không?
Khả năng tương thích của các cạc đồ họa có khả năng dò tia sẽ tăng lên theo thời gian và cuối cùng kỹ thuật này sẽ trở nên sẵn có như đồ họa 3D. Tuy nhiên, hiện tại, dò tia vẫn được coi là công nghệ tiên tiến của đồ họa máy tính. Vì vậy, làm thế nào để truy tìm đường dẫn phát huy tác dụng?
Truy tìm đường dẫn là gì?
Theo dõi đường dẫn là một loại dò tia. Nó nằm dưới cái ô đó, nhưng nơi mà dò tia ban đầu được đưa ra lý thuyết vào năm 1968, tính năng dò đường không xuất hiện cho đến năm 1986 (và kết quả không ấn tượng như bây giờ).
Hãy nhớ sự gia tăng cấp số nhân của các tia đã đề cập trước đó? Theo dõi đường dẫn cung cấp một giải pháp cho điều đó. Khi sử dụng tính năng dò đường để kết xuất, các tia chỉ tạo ra một tia duy nhất cho mỗi lần bị trả lại. Các tia không theo một đường định sẵn cho mỗi lần nảy, mà bắn ra theo một hướng ngẫu nhiên.
Thuật toán dò đường sau đó sẽ lấy mẫu ngẫu nhiên của tất cả các tia để tạo ra hình ảnh cuối cùng. Điều này dẫn đến việc lấy mẫu nhiều loại ánh sáng khác nhau, nhưng đặc biệt là chiếu sáng toàn cầu.
Một điều thú vị về tính năng dò đường là hiệu ứng có thể được mô phỏng thông qua việc sử dụng các bộ đổ bóng. Một bản vá đổ bóng đã xuất hiện gần đây cho trình giả lập Nintendo Switch cho phép người chơi mô phỏng ánh sáng toàn cầu theo dõi đường đi trong các tựa game như Truyền thuyết về Zelda: Hơi thở của hoang dã và Super Mario Odyssey. Mặc dù các hiệu ứng trông đẹp mắt, nhưng chúng không hoàn chỉnh như dò đường thực sự.
Theo dõi đường đi chỉ là một hình thức dò tia. Mặc dù nó được ca ngợi là cách tốt nhất để kết xuất hình ảnh, nhưng tính năng dò đường đi kèm với những sai sót của riêng nó.
Nhưng cuối cùng, cả dò đường và dò tia đều cho ra những hình ảnh đẹp hoàn toàn. Giờ đây, phần cứng trong các máy dành cho người tiêu dùng đã đạt đến mức có thể theo dõi tia trong thời gian thực trong trò chơi điện tử, ngành công nghiệp này đã sẵn sàng tạo ra một bước đột phá gần như ấn tượng như bước chuyển từ đồ họa 2D sang 3D.
Tuy nhiên, sẽ còn một thời gian — ít nhất là vài năm — trước khi phần cứng cần thiết được coi là “giá cả phải chăng”. Hiện tại, ngay cả những card đồ họa cần thiết cũng có giá trên 1.000 USD.
