Ray Tracing – Khi ra mắt dòng card đồ họa thế hệ mới với kiến trúc Turing độc đáo thì Ray Tracing luôn là một tính năng được NVIDIA nhấn mạnh và trở thành tâm điểm trong chiến lược marketing cũa hãng trong suốt thời gian gần đây.
Mặc dù vậy, khi những game đầu tiên sử dụng công nghệ này dần “đổ bộ” vào thị trường, các game thủ vẫn chưa cảm thấy thật sự ấn tượng cả về khả năng trình diễn cũng như sức mạnh mà các card đồ họa “đời mới” đem lại.
Những thử nghiệm truyền thống hay các game ra mắt trong một vài năm trở lại đây cho thấy mức gia tăng sức mạnh không được thuyết phục cho lắm trong khi mức giá lại “cao chót vót” khiến cho không ít các game thủ vẫn lựa chọn những sản phẩm “đời cũ” cho các cỗ máy “chiến game” mới toanh để có thể tiết kiệm chi phí.
Thậm chí họ còn gặp phải một vài rắc rối với các sản phẩm liên tục mắc lỗi do một số nguyên nhân chưa xác định, điều này cũng phần nào làm “chùn tay” các game thủ khi đưa ra quyết tâm nâng cấp dàn máy của mình.
Điều này ảnh hưởng không nhỏ đến doanh số của các card đồ họa kiến trúc Turing, buộc lòng NVIDIA phải tập trung mạnh mẽ đẩy mạnh tiếp thị công nghệ Ray Tracing, con át chủ bài của các card đồ họa RTX, ra thị trường với hàng loạt những hỗ trợ cho các studio phát triển game cỡ lớn, và gần đây nữa mở các cuộc thi làm game DXR cho các studio độc lập với phần thưởng vô cùng phong phú gần đây.
Chắc chắn rằng khá nhiều trong số các game thủ cũng đưa ra một thắc mắc thuộc hàng “muôn thuở”: Ray Tracing là gì? Và chúng được ứng dụng vào các game hiện hành ra sao? Tại sao lại có game dùng công nghệ này lại nặng và tại sao những game khác lại nhẹ hơn?
Bài viết sau đây sẽ giải đáp cho các bạn những thắc mắc kể trên bằng một cách dễ hiểu, dễ hình dung nhất. Hãy cùng Vietgame.asia tìm hiểu về công nghệ này các bạn nhé!
RAY TRACING LÀ GÌ?
Ray Tracing – hay còn được gọi là công nghệ dò tia tại Việt Nam – là công nghệ dựng hình bằng cách tính toán, theo dõi đường đi của ánh sáng và tái hiện lại các hiệu ứng vật lý của tia sáng trên các bề mặt mà ánh sáng tác động đến tạo nên hiệu quả hình ảnh thực như ảnh chụp (photorealism).
Công nghệ này không phải là một khái niệm quá mới mẻ, mà các nhà làm phim đã ứng dụng từ cách đây hơn 20 năm để thực hiện các kỹ xảo điện ảnh, thế nhưng tất cả cũng chỉ dừng lại ở đó vì lượng dữ liệu cần thiết để xử lý cho mỗi khung hình là vô cùng lớn, cần phải có các cỗ máy khổng lồ hàng ngàn bộ vi xử lý dựng ra từng khung hình một.
Cho đến tận ngày nay, các studio hiệu ứng vẫn sử dụng những mẫu máy khổng lồ để dựng hình cho các bộ phim “bom tấn”, thậm chí với các phim anh hùng của Marvel ngày nay, các cỗ máy này phải dựng hình 3D với công nghệ Ray Tracing cả một thành phố rộng lớn, chưa kể đến các cảnh cháy nổ, sụp đổ cho các cảnh quay hoành tráng.
Điểm khác biệt đầu tiên khi so sánh với công nghệ truyền thống đến từ công nghệ của NVIDIA chính là hiệu ứng này không cần đến các siêu máy tính khổng lồ, mà dựa vào khả năng xử lý mạnh mẽ của các card đồ họa thế hệ mới để dựng hình theo thời gian thực nhờ vào hệ thống thư viện đồ họa DirectX12 của Microsoft, nên hoàn toàn có thể ứng dụng vào game dưới tên gọi Real Time Ray Tracing hay DirectX Ray Tracing (DXR).
Khác biệt thứ hai nằm ở chỗ thay vì sử dụng các hệ thống phần cứng thông thường, công nghệ mới của NVIDIA sử dụng một cấu trúc tăng tốc riêng biệt được hãng thiết kế vào trong kiến trúc Turing với tên gọi các nhân RT Core.
Các nhân này giống như các nhân Pixel Shader hay Vertex Shader trước đây (mà sau này được “gom” lại thống nhất thành các nhân CUDA) phụ trách các tác vụ riêng biệt là tính toán theo dõi đường đi của các tia sáng, từ đó, trả kết quả lại cho các nhân CUDA dựng hình như thông thường.
Việc nhờ vào phần cứng “thửa riêng” để tính toán dò tia theo thời gian thực giúp giảm tải đáng kể cho các nhân CUDA thông thường, nhờ đó mà các card đồ họa dòng RTX dù “bèo nhèo” như các phiên bản RTX 2060 vẫn có khả năng dựng hình với DXR mạnh hơn cả các card đồ họa dòng GTX có số nhân CUDA nhiều hơn và có ưu thế hơn trong các phép dựng hình truyền thống như GTX 1080.
Mặc dù đã có phần cứng phụ trợ tăng tốc xử lý, thế nhưng vẫn không thể phủ nhận được rằng “công việc” vốn dành cho các siêu máy tính xử lý được “nhồi nhét” vào cho các máy tính thương mại vẫn là một công việc quá sức và quá tầm tiền với so với mặt bằng người dùng phổ thông, thành phần vẫn chiếm số lượng vô cùng đông đảo trong cộng đồng game thủ.
Chính vì thế mà NVIDIA “chia nhỏ” công nghệ Ray Tracing ra thành từng bộ phận nhỏ và “đóng gói” chuyển cho nhà phát triển game để các studio này cân nhắc, áp dụng một hay nhiều “gói tính năng” phù hợp sao cho tốc độ khung hình game không tụt giảm nghiêm trọng dù chạy trên các máy có cấu hình tầm trung.
Những “gói tính năng” đó có thể kể đến bao gồm bốn tính năng chính sau: Phản chiếu (Ray Traced Reflection), Đổ bóng (Ray Traced Shadows), Đổ bóng môi trường (Ray Traced Ambient Occlusion) và Chiếu sáng tổng thể (Ray Traced Global Illumination).
Hãy cùng Vietgame.asia tìm hiểu về công nghệ Ray Tracing và các “gói tính năng” này các bạn nhé!
1. PHẢN CHIẾU (RAY TRACING – REFLECTION)
Phản chiếu (reflection) là một hiện tượng được thể hiện trên game từ khá lâu rồi, nhưng phải nói trước khi Ray Tracing được ứng dụng thì tất cả đều chỉ là những thủ thuật đồ họa hơn là tạo ra các hình ảnh phản chiếu một cách đúng nghĩa.
Thủ thuật “xa xưa” nhất mà các nhà làm game sử dụng chính là “dựng thêm” một hình ảnh giống y hệt hình ảnh bên ngoài qua một mặt phẳng được xác định là tấm gương. Phương thức này tương đối “nguyên thủy” và chỉ thể hiện được duy nhất hiện tượng phản chiếu qua gương một cách đơn giản mà thôi.
Trong khi đó có rất nhiều vật liệu khác cũng có thể phản chiếu hình ảnh và ánh sáng, điều này thôi thúc sự ra đời của thuật toán “Reflective Bump Mapping” (tạm dịch là “dán” các hình ảnh phản chiếu lên bề mặt vật liệu)
Thuật toán này dùng các hình vẽ 2D phủ lên trên bề mặt của vật thể 3D một lớp hình ảnh giả thể hiện sự phản chiếu môi trường bên ngoài lên bề mặt vật thể. Thuật toán này được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các game hiện nay, kể cả một game khá mới là Marvel’s Spider-man trên nền tảng PS4 thể hiện rất rõ nét thuật toán này.
Hình ảnh phản chiếu từ các vũng nước, hay từ cửa sổ tòa nhà đều thể hiện các hình 2D được vẽ sẵn, tạo ra ảo giác về phản chiếu chứ không thật sự thay đổi theo môi trường bên ngoài, nhất là khi có các thay đổi trong môi trường xung quanh đều không thật sự có ảnh phản chiếu ra ngoài.
Với công nghệ Ray Tracing được ứng dụng, các nhân RT Cores sẽ dò theo tia sáng phát ra từ nguồn sáng “đánh” lên các bề mặt vật liệu mà qua đó được tính toán để các nhân CUDA tạo ra các hình ảnh phản chiếu theo thời gian thực, nhờ đó mà hình ảnh phản chiếu trên các bề mặt vật liệu hay vũng nước đều là hình ảnh chuyển động “khớp” với môi trường bên ngoài chứ không đơn thuần là các hình ảnh 2D được “dán” lên trên bề mặt.
Battlefield V là game đầu tiên và cũng là game được quảng bá mạnh mẽ nhất cho gói hiệu ứng Phản chiếu trong công nghệ Ray Tracing, và nhóm phát triển DICE lựa chọn gói hiệu ứng này đơn giản chỉ vì nó khá… nhẹ trong nhóm các gói hiệu ứng.
Khi bật tính năng DXR lên trong menu settings, engine Frostbite 3 sẽ chọn lựa trọng điểm một số khu vực nhỏ trên khung hình cần đến các nhân RT Core tính toán tia sáng phản chiếu.
Đó có thể là mặt nước đọng, là sơn bóng trên vỏ ô tô hay kính cửa sổ của căn nhà, và vì xuất hiện rất ít trên khung hình nên khi bật tính năng này lên, tốc độ trung bình chỉ suy giảm từ 15% đến 20% tùy khung cảnh, không ảnh hưởng quá nhiều đến trải nghiệm game mà vẫn tạo được ấn tượng mạnh mẽ cho người chơi.
Một game khác cũng được hỗ trợ tính năng này đã xuất hiện chính thức trên thị trường hiện nay là “bom xịt” Control của Remedy Entertainment với vài cấp độ khác nhau của hiệu ứng phản chiếu trên các bề mặt vật liệu như sàn gạch và vũng nước tùy thuộc vào cấu hình phần cứng của bạn.
2. ĐỔ BÓNG (RAY TRACED SHADOWS)
Đổ bóng (Shadows) cũng lại tiếp tục là một “cú lừa” khác về đồ họa của các họa sĩ trước khi Ray Tracing được áp dụng rộng rãi.
Nếu là một game thủ lâu đời, chắc chắn không ít người còn nhớ… cái đốm tròn tượng trưng cho bóng nhân vật trong các trò chơi xưa cũ kéo dài hàng chục năm trước khi những phương pháp đổ bóng khác được áp dụng cho game.
Thường gặp nhất là một hình vẽ 2D màu tối bán trong suốt được dựng và “dán” trên bề mặt cần đổ bóng song song với chuyển động của các vật thể trong khung cảnh, chưa kể đến tính năng làm mềm viền bóng (Soft Shadows) được giới thiệu cùng với dòng game F.E.A.R vào năm 2005 sẽ phần nào làm mờ cục bộ các vùng tối của bóng để hòa nhập vào môi trường xung quanh.
Cách này vẫn thể hiện tốt với các khung cảnh có ánh sáng cố định và được kiểm soát tốt, thế nhưng với những khu vực có quá nhiều nguồn sáng hay ánh sáng động dạng lập lòe như trên các bó đuốc thì cái bóng lại bị… trơ, đem lại cảm giác giả tạo cho người chơi.
Với Ray Tracing, các nhân RT Cores sẽ dò tất cả các nguồn sáng có mặt trong màn chơi để xác định độ che khuất của vật thể so với nguồn sáng để tạo ra “bóng thật” của vật thể với độ “trong”, màu sắc và hướng tương tác hoàn toàn tuân thủ theo định luật vật lý.
Tính năng này đòi hỏi tài nguyên phần cứng xử lý tăng lên theo số lượng của nguồn sáng một cách đáng kể, nên không khó để thấy được với các cảnh đêm tối, máy sẽ phải hoạt động cật lực hơn để tạo ra các “bóng thật” một cách tự nhiên nhất, hơn là các cảnh ban ngày chỉ cố định nguồn sáng từ phía mặt trời.
Shadow of the Tomb Raider có thể xem như game đầu tiên áp dụng hiệu ứng này, và với hầu hết các khung cảnh “sáng sủa” ban ngày, chúng không thật sự ấn tượng và dễ dàng phân biệt so với cách dựng hình truyền thống như như với hiệu ứng phản chiếu được ứng dụng trên Battlefield V.
Thế nhưng khi quan sát kỹ các cảnh về đêm, vẫn có thể thấy Ray Tracing đã “thổi hồn” cho ánh sáng, khiến các cảnh về đêm trở nên sinh động hơn dù chúng “kéo tốc độ” khung hình xuống “thê thảm” hơn nhiều, lên đến trên 30%, cá biệt có đoạn lên đến 50% so với phương thức dựng hình truyền thống.
Một game khác cũng hay được NVIDIA đem ra làm trình diễn cho tính năng này chính là Võ lâm truyền kỳ 3 với bản nâng cấp engine sẽ được tung ra thị trường trong thời gian tới.
3. CHIẾU SÁNG TỔNG THỂ (RAY TRACED GLOBAL ILLUMINATION)
Một trong các vấn đề mà các phương pháp dựng hình truyền thống không thể diễn tả được một cách hợp lý dù cho các “họa sĩ game” có dùng nhiều tiểu xảo đến thế nào đi chăng nữa, đó là khả năng chiếu sáng gián tiếp (Indirect Illumination), hay mở rộng ra trên toàn bộ khung cảnh để trở thành khả năng chiếu sáng tổng thể (Global Illumination).
Về mặt vật lý, tính năng này thể hiện khả năng phản xạ ánh sáng của bề mặt vật liệu ra môi trường xung quanh và tạo nên một tổng thể môi trường vô cùng phức tạp mà không có Ray Tracing, các phương pháp dựng hình truyền thống không thể nào tái hiện được.
Gói hiệu ứng này tất nhiên là đòi hỏi một lượng phần cứng khổng lồ để xử lý một lượng lớn các tia sáng hoạt động hỗn loạn vừa phản xạ, vừa tán xạ trên khắp các bề mặt trong màn chơi. Cũng giống như với tính năng đổ bóng, sự việc sẽ càng phức tạp hơn khi có cùng lúc nhiều nguồn sáng hoạt động trong cùng một khung cảnh.
Tính năng này nặng nề tới mức mà Metro Exodus, game đầu tiên ứng dụng tính năng này phải khéo léo hạn chế số lượng nguồn sáng trong mỗi khung cảnh xuống một con số rất “tối thiểu” chứ không dám “thả” cho nhiều nguồn sáng cùng thể hiện một lúc như với Shadow of the Tomb Raider.
Mặc dù vậy, tính năng này vẫn có thể kéo tụt tốc độ trung bình của màn chơi lên đến 30% ở các cảnh thông thường, và trên 50% với các khu vực trong nhà có nguồn sáng đan xen phức tạp so với dựng hình bằng phương pháp truyền thống.
Cho đến thời điểm này, ngoại trừ Metro Exodus ra, chỉ có vài demo tech sử dụng công nghệ này đơn thuần là để trình diễn hơn là ứng dụng thực tế vào các game vì “sức nặng” của nó rất khó “phổ cập” cho cộng đồng game thủ phổ thông.
4. ĐỔ BÓNG MÔI TRƯỜNG (RAY TRACED AMBIENT OCCLUSION)
Đổ bóng môi trường (Ambient Occlusion) có thể hiểu nôm na là thuật toán dựng hình mà trong đó, các vật thể được tính toán “phơi sáng” và “che tối” riêng biệt tạo nên độ “nổi khối” cho vật thể.
Trước khi công nghệ Ray Tracing được phát triển dành cho game, hiệu ứng đổ bóng môi trường là một hiệu ứng được phát triển rất mạnh với nhiều thuật toán khác nhau.
Có thể kể đến Công nghệ đổ bóng môi trường theo chiều ngang (Horizontal Based Ambient Occulsion – HBAO) nổi lên cùng với World of Warcraft trước đây hay Công nghệ đổ bóng môi trường không gian (Screen Space Ambient Occlusion – SSAO) xuất hiện cùng với “sát thủ phần cứng” một thời Crysis.
Nhìn chung, cả hai công nghệ đều tạo ra “bóng giả” dựa trên một bộ đệm (buffer depth) xác định chiều sâu của pixel so với các pixel xung quanh rồi… tô màu cho các pixel đó trở nên đậm hơn.
Đến với Ray Tracing, các pixel này được đổ bóng dựa theo tính toán luồng ánh sáng từ các nhân RT Cores, đem đến cảm giác nổi khối thật hơn, các khu vực đổ bóng tự nhiên hơn khi phô diễn với các luồng sáng động.
Tuy vậy, đây vẫn là một trong các hiệu ứng gây tranh cãi khi ứng dụng của nó quá khó phân biệt với các phương thức đổ bóng môi trường theo phương thức truyền thống và cũng không đủ ấn tượng để người dùng phải ngạc nhiên như cách mà hiệu ứng phản chiếu thể hiện trên Battlefield V.
Trên thực tế, hiện chỉ có Metro Exodus là game duy nhất được trang bị hiệu ứng này cùng với một vài demo tech phô diễn công nghệ. Tuy nhiên, Cyberpunk 2077 được dự kiến sẽ ứng dụng hiệu ứng này bên cạnh các hiệu ứng phản chiếu và chiếu sáng tổng thể để đem lại một thế giới tương lai chân thực và đẹp mắt.
5. PHÁT XẠ ÁNH SÁNG (RAY TRACING EMISSIVE LIGHTING)
Update 11/2/2020: Metro Exodus, tựa game có thể xem như sát thủ phần cứng hàng đầu của năm 2019 với hàng loạt các gói công nghệ Ray Tracing được ứng dụng sắp sửa “đổ bộ” lên trên nền tảng Steam vào tháng 2 này với các bản cập nhật mới, trong đó đáng chú ý nhất là bản mở rộng Two Colonels ra mắt hồi cuối tháng 8 vừa qua, đem đến cho người chơi một gói công nghệ hoàn toàn mới, tiếp tục ứng dụng công nghệ hàng đầu này lên một tầm cao mới.
Trong phương pháp dựng hình truyền thống, các nhà phát triển thường áp dụng một phương pháp “giả cầy” nguồn sáng, đó là đặt một nguồn sáng cố định (do engine game quy định) vào khu vực của hình vẽ “được cho” là nguồn sáng, chẳng hạn như mặt trời, bóng đèn hay ngọn lửa trại… còn các hiệu ứng khác như “độ lập lòe” của ánh lửa đều được thêm thắt bằng các lớp layer có texture bán trong suốt chặn một phần của ánh sáng phát ra từ nguồn.
Chính vì thế mà rất nhiều game hiện đại, thậm chí là một game “mới toanh toe” ra mắt năm 2019 vừa qua như Total War: Three Kingdoms thì lửa từ những vụ cháy lại… sáng trưng như bóng đèn, còn ánh lửa từ các mũi tên hay ngọn đuốc thì lại chẳng có tí ánh sáng nào mà chỉ là các bộ hình vẽ hiệu ứng có màu đỏ mà thôi.
Hay ngay cả các game bắn súng hàng đầu hiện nay nổi tiếng về đồ họa như Battlefield V hay Call of Duty: Modern Warfare, chớp lửa đầu nòng được họa sĩ thể hiện bằng cách gắn thêm các lớp vân bề mặt bán trong suốt sáng màu bằng các tông màu vàng cam hay vàng đỏ đè lên các bề mặt xung quanh, “giả lập” hiệu ứng chớp lửa … tại chỗ mà không thể phát ra ánh sáng đi ra môi trường xung quanh.
Để làm cho game trở nên chân thực hơn, đội ngũ kỹ sư đồ họa của 4A Games đã áp dụng một gói công nghệ Ray Tracing mới được phát triển trong thời gian gần đây có tên gọi “Phát xạ ánh sáng” (Ray Traced Emissive Lighting) để giả lập ngay cả các luồng sáng nhỏ với các cường độ ánh sáng khác nhau và các tác động của nó với môi trường xung quanh.
Để làm được điều này, các họa sĩ dựng hình sẽ “gán” thuộc tính ánh sáng với một lượng tia sáng nhất định vào các hình ảnh dựng sẵn, chẳng hạn như các bóng đèn trang trí nhỏ, chớp lửa đầu nòng súng, hay ngọn lửa phun ra từ súng phun lửa… với các giá trị khác nhau. Ánh sáng này sẽ tương tác được với môi trường xung quanh và từ đó tạo nên những hiệu ứng chân thực, ấn tượng, chẳng hạn như tia lửa từ nòng súng hay vệt sáng từ đuôi tên lửa có thể chiếu sáng cả vùng xung quanh như đoạn video clip Phía trên.
Công nghệ dựng hình với các nguồn sáng nhỏ này thật sự rất mới mẻ, ngay cả trong điện ảnh cũng chỉ mới được ứng dụng gần đây, đặc biệt là phim hoạt hình Coco do Pixar sản xuất năm 2017 với một số cảnh sở hữu đến… 8 triệu nguồn sáng, buộc các siêu máy tính có công suất bằng… vài ngàn cỗ PC chơi game mạnh nhất mà bạn có thể ráp trên thị trường “ì ạch” dựng hình trong hàng trăm giờ cho mỗi khung hình “địa ngục tươi đẹp”.
Công nghệ mới mẻ này buộc hệ thống phải xử lý cật lực hơn bởi lượng tia sáng phát tán ra môi trường nhiều hơn, hỗn độn hơn so với trước đây. Thậm chí nó có thể biến một … cây thông Noel được trang trí đẹp mắt trở thành “cơn ác mộng” với bất kỳ hệ thống nào, dù sở hữu các linh kiện “khủng long” nhất trên thị trường.
Nhưng không thể phủ nhận được rằng, công nghệ “Phát xạ ánh sáng” này tiếp tục đẩy tầm chân thực của hình ảnh được dựng bằng máy tính lên một tầm cao hoàn toàn mới.
TỔNG KẾT
Mặc dù sở hữu các đòi hỏi khắc nghiệt về phần cứng cũng làm cho một số nhà sản xuất game và thậm chí cả “ông lớn” AMD không quá mặn mà với công nghệ Ray Tracing trong hiện tại, thế nhưng không thể phủ nhận được rằng đây là một công nghệ sáng giá khi tăng độ chân thực đáng kể cho thế giới game, thoát ra khỏi các hiệu ứng giả được “tô vẽ” trước đây bằng một thế giới ánh sáng tuân theo các định luật vật lý.
Nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của sức mạnh phần cứng như vũ bão hiện nay, chắc chắn rằng Ray Tracing sẽ ngày càng được ứng dụng nhiều hơn, sâu rộng hơn trong các game “hạng nặng” thay vì chỉ ứng dụng một vài gói tính năng nhỏ lẻ để “giảm tải” như hiện nay.
