Ray tracing là gì và nó sẽ thay đổi trò chơi như thế nào?

Dò tia (Ray tracing) là một kỹ thuật chiếu sáng mang lại độ chân thực cao hơn cho trò chơi. Nó mô phỏng cách ánh sáng phản xạ và khúc xạ trong thế giới thực, mang đến một môi trường đáng tin cậy hơn so với những gì thường thấy khi sử dụng ánh sáng tĩnh trong các trò chơi truyền thống hơn. Nhưng chính xác thì phương pháp dò tia là gì? Và quan trọng hơn, nó hoạt động như thế nào?

Một card đồ họa tốt có thể sử dụng phương pháp dò tia để tăng cường độ chìm, nhưng không phải GPU nào cũng có thể xử lý kỹ thuật này. Đọc tiếp để quyết định xem tính năng dò tia có cần thiết cho trải nghiệm chơi trò chơi của bạn hay không và liệu nó có hợp lý khi chi hàng trăm đô la cho một GPU được nâng cấp hay không.

Virtual photons

Để hiểu cách hoạt động của hệ thống chiếu sáng mang tính cách mạng của tính năng dò tia, chúng ta cần quay lại và hiểu cách các trò chơi trước đây tạo ra ánh sáng, cũng như những gì cần được mô phỏng để có trải nghiệm chân thực.

Các trò chơi không có tính năng dò tia dựa vào hệ thống chiếu sáng tĩnh "được tích hợp sẵn". Các nhà phát triển đặt các nguồn sáng trong một môi trường phát ra ánh sáng đồng đều trên mọi chế độ xem nhất định. Hơn nữa, các mô hình ảo như NPC và đối tượng không chứa bất kỳ thông tin nào về bất kỳ mô hình nào khác, yêu cầu GPU tính toán hành vi ánh sáng trong quá trình kết xuất. Kết cấu bề mặt có thể phản chiếu ánh sáng để bắt chước độ bóng, nhưng chỉ có ánh sáng phát ra từ nguồn tĩnh. Lấy ví dụ so sánh phản chiếu trong GTA V dưới đây.

Nhìn chung, sự phát triển của GPU đã giúp quá trình này trở nên chân thực hơn trong những năm qua, nhưng các trò chơi vẫn không chân thực về mặt phản xạ, khúc xạ và ánh sáng chung trong thế giới thực. Để thực hiện điều này, GPU cần có khả năng theo dõi các tia sáng ảo.

Trong thế giới thực, ánh sáng khả kiến là một phần nhỏ của họ bức xạ điện từ mà mắt người cảm nhận được. Nó chứa các photon vừa hoạt động như một hạt vừa như một làn sóng. Photon không có kích thước hoặc hình dạng thực chúng chỉ có thể được tạo ra hoặc phá hủy.

Điều đó nói rằng, ánh sáng có thể được xác định là một dòng photon. Bạn càng có nhiều photon, ánh sáng cảm nhận được càng sáng. Sự phản xạ xảy ra khi các photon bật ra khỏi một bề mặt. Hiện tượng khúc xạ xảy ra khi các photon truyền theo đường thẳng đi qua một chất trong suốt và đường này bị đổi hướng hoặc “uốn cong”. Các photon bị phá hủy có thể được coi là “được hấp thụ”.

Tính năng dò tia trong trò chơi cố gắng mô phỏng cách hoạt động của ánh sáng trong thế giới thực. Nó theo dõi đường đi của ánh sáng mô phỏng bằng cách theo dõi hàng triệu photon ảo. Ánh sáng càng sáng, GPU càng phải tính toán nhiều photon ảo và nó sẽ phản xạ, khúc xạ và phân tán ra khỏi và từ nhiều bề mặt hơn.

Quá trình này không phải là bất cứ điều gì mới. CGI đã sử dụng phương pháp dò tia trong nhiều thập kỷ, mặc dù quá trình này yêu cầu nhiều máy tính trong những ngày đầu để tạo ra một bộ phim đầy đủ, với một khung hình duy nhất có thể mất hàng giờ hoặc thậm chí vài ngày để kết xuất. Giờ đây, PC gia đình có thể mô phỏng đồ họa dò tia trong thời gian thực, tận dụng khả năng tăng tốc phần cứng và thủ thuật chiếu sáng thông minh để giới hạn số lượng tia ở mức có thể quản lý được.

Đây là điều thực sự mở mang tầm mắt: Giống như bất kỳ bộ phim hoặc chương trình truyền hình nào, các cảnh trong hoạt hình CGI thường được “quay” bằng các góc độ khác nhau. Đối với mỗi khung hình, bạn có thể di chuyển camera để ghi lại hành động, phóng to, thu nhỏ hoặc xoay toàn bộ khu vực. Và giống như hoạt hình, bạn phải thao tác mọi thứ trên cơ sở từng khung hình để mô phỏng chuyển động. Ghép tất cả các cảnh quay lại với nhau và bạn có một câu chuyện trôi chảy.

Trong trò chơi, bạn điều khiển một camera duy nhất luôn chuyển động và luôn thay đổi góc nhìn, đặc biệt là trong các trò chơi có nhịp độ nhanh. Trong cả trò chơi CGI và trò chơi dò tia, GPU không chỉ phải tính toán cách ánh sáng phản xạ và khúc xạ trong bất kỳ cảnh nhất định nào, mà còn phải tính toán cách ánh sáng được ống kính chụp quan điểm của bạn. Đối với trò chơi, đó là một khối lượng công việc tính toán khổng lồ cho một PC hoặc bảng điều khiển.

Thật không may, chúng ta vẫn chưa có PC cấp người tiêu dùng thực sự có thể hiển thị đồ họa dò tia ở tốc độ khung hình cao. Thay vào đó, giờ đây chúng ta có phần cứng có thể gian lận một cách hiệu quả.

Hãy thực tế

Điểm tương đồng cơ bản của dò tia với cuộc sống thực khiến nó trở thành một kỹ thuật kết xuất 3D cực kỳ chân thực, thậm chí làm cho các trò chơi khối như Minecraft trông gần như ảnh thực trong điều kiện thích hợp. Chỉ có một vấn đề: Rất khó mô phỏng. Việc tái tạo cách thức hoạt động của ánh sáng trong thế giới thực rất phức tạp và tốn nhiều tài nguyên, đòi hỏi sức mạnh tính toán khổng lồ.

Đó là lý do tại sao các tùy chọn dò tia hiện có trong trò chơi, chẳng hạn như dò tia do RTX điều khiển của Nvidia, không đúng với thực tế. Chúng không phải là phương pháp dò tia thực, theo đó mọi điểm sáng đều được mô phỏng. Thay vào đó, GPU “gian lận” bằng cách sử dụng một số phép tính gần đúng thông minh để mang lại thứ gì đó gần giống với hiệu ứng hình ảnh giống nhau nhưng không quá nặng nề đối với phần cứng.

Battlefield V: Ray Tracing Cinematic Compilation – GEFORCE CỘNG ĐỒNG SHOWCASE

Hầu hết các trò chơi dò tia hiện nay sử dụng kết hợp các kỹ thuật chiếu sáng truyền thống, thường được gọi là rasterization và dò tia trên các bề mặt cụ thể như vũng nước phản chiếu và đồ kim loại. Battlefield V là một ví dụ tuyệt vời về điều đó. Bạn thấy hình ảnh phản chiếu của quân đội trong nước, hình ảnh phản chiếu của địa hình trên máy bay và hình ảnh phản chiếu của các vụ nổ trên lớp sơn của ô tô. Có thể hiển thị hình ảnh phản chiếu trong các công cụ 3D hiện đại, nhưng không ở mức độ chi tiết như trong các trò chơi như Battlefield V khi tính năng dò tia được bật.

Tính năng dò tia cũng có thể được tận dụng cho bóng tối để làm cho chúng trông sống động và chân thực hơn. Bạn sẽ thấy điều đó từng có hiệu quả tuyệt vời trong Shadow of the Tomb Raider.

Shadow of the Tomb Raider: GeForce RTX Real-Time Ray Traced Shadows

Hệ thống chiếu sáng dò tia có thể tạo ra các bóng tối chân thực hơn nhiều trong các cảnh tối và sáng, với các cạnh mềm mại hơn và độ nét cao hơn. Đạt được vẻ ngoài đó mà không cần dò tia cực kỳ khó. Các nhà phát triển chỉ có thể giả mạo nó thông qua việc sử dụng cẩn thận, có kiểm soát các nguồn sáng tĩnh, đặt trước. Việc đặt tất cả “đèn sân khấu” này tốn rất nhiều thời gian và công sức và thậm chí sau đó, kết quả cũng không hoàn toàn như ý.

Một số trò chơi sử dụng toàn bộ con heo và sử dụng phương pháp dò tia để chiếu sáng toàn cầu, dò tia toàn bộ cảnh một cách hiệu quả. Nhưng đó là tùy chọn tốn kém nhất về mặt tính toán và cần có card đồ họa hiện đại mạnh nhất để chạy hiệu quả. Metro Exodus sử dụng kỹ thuật này, mặc dù việc triển khai không hoàn hảo.

Metro Exodus: GeForce RTX Real-Time Ray Traced Global Illumination Demo #2

Do đó, các biện pháp nửa vời như chỉ bóng dò tia hoặc bề mặt phản chiếu là phổ biến. Các trò chơi khác tận dụng các công nghệ của Nvidia như khử nhiễu và Deep Learning Super Sampling để cải thiện hiệu suất và che đậy một số trục trặc hình ảnh xảy ra do hiển thị ít tia hơn mức cần thiết để tạo ra một cảnh theo dõi tia thực sự. Chúng vẫn được dành riêng cho các ảnh chụp màn hình và phim được kết xuất trước, nơi các máy chủ mạnh mẽ có thể dành nhiều ngày để hiển thị các khung hình đơn lẻ.

Phần cứng đằng sau các tia

Để xử lý ngay cả những triển khai dò tia tương đối khiêm tốn này, cạc đồ họa sê-ri RTX 20 của Nvidia đã giới thiệu phần cứng được chế tạo riêng cho dò tia.

Giờ đây, tất cả các thẻ RTX đều hỗ trợ dò tia và các GPU sê-ri RTX 40 gần đây nhất còn có một cách khác để gian lận hiệu suất. SER, hoặc Sắp xếp lại thực thi Shader, có sẵn trên RTX 4090 và RTX 4080, và Nvidia cho biết nó có thể tăng hiệu suất lên 25% trong các trò chơi có tính năng dò tia. Nó hoạt động bằng cách sắp xếp lại khi các hướng dẫn dò tia được xử lý bởi GPU, tối ưu hóa tác vụ cho sức mạnh tính toán có sẵn.

Mặc dù những ngày đầu của công nghệ dò tia còn nhiều khó khăn, nhưng các thẻ gần đây của Nvidia đã hoạt động tốt hơn nhiều. Với SER ở thế hệ tiếp theo, cùng với DLSS 3, chúng tôi có thể thấy tính năng dò tia không làm giảm tốc độ khung hình của bạn.

NEON NOIR: Phản xạ theo dõi tia thời gian thực - Đạt được bằng CRYENGINE

Tuy nhiên, phương pháp dò tia của Nvidia không phải là tùy chọn duy nhất khả dụng. Ngoài ra còn có các hiệu ứng xử lý hậu kỳ “dấu vết đường dẫn” của Reshade mang lại hình ảnh có thể so sánh được mà không có bất kỳ thứ gì giống như hiệu suất tương tự.

Skyrim SE 2019 - RAY TRACING - RT Shader của Marty McFly - Ultra Modded - 4k

AMD hiện cũng có các tùy chọn để dò tia, mà chúng ta sẽ chuyển sang phần tiếp theo.

Bạn sẽ vẫn muốn có một card đồ họa mạnh mẽ để dò tia bất kể việc triển khai là gì, nhưng khi kỹ thuật này bắt kịp với các nhà phát triển trò chơi, chúng ta có thể thấy một loạt phần cứng hỗ trợ với giá cả phải chăng hơn nhiều.

AMD thì sao?

AMD đã phải vật lộn trong vài năm qua để cung cấp khả năng dò tia được tăng tốc bằng phần cứng, nhưng điều đó đã thay đổi với sự ra mắt của RX 6800, 6800 XT và 6900 XT. Các thẻ mới này có tính năng hỗ trợ dò tia DirectX 12 và mang lại hiệu suất tuyệt vời, ngay cả khi AMD không hoàn toàn ngang tầm với Nvidia trong bộ phận dò tia (đọc phần so sánh RX 6800 XT so với RTX 3080 và RX 6900 XT so với RTX 3090 của chúng tôi để biết thêm).

Điều đó hầu như không gây ngạc nhiên, vì kiến trúc Big Navi cung cấp năng lượng cho thẻ RX 6000 của AMD rất giống với khả năng tăng tốc dò tia thế hệ đầu tiên. Đó là cùng một kiến trúc cung cấp năng lượng cho hình ảnh trong PlayStation 5 và Xbox Series X, phục vụ cho cấp hiệu suất tổng thể thấp hơn so với các thẻ hàng đầu của Nvidia. Tuy nhiên, vì dò tia là một tính năng nổi bật trên bảng điều khiển thế hệ tiếp theo, chúng tôi mong đợi sự hỗ trợ và tối ưu hóa tốt hơn trong tương lai. Trong tương lai gần, chúng ta sẽ chứng kiến sự ra mắt của AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) dành cho PC chơi game và cả các phiên bản mới nhất của Microsoft Xbox.

Làm thế nào bạn có thể thấy phương pháp dò tia ở nhà?

Bạn sẽ cần một card đồ họa mới và đắt tiền để xem tính năng dò tia ở nhà. Tính năng dò tia được tăng tốc phần cứng chỉ khả dụng trên GPU Nvidia RTX hoặc trên GPU dòng RX 6000 của AMD. Các thẻ sê-ri GTX 10 và sê-ri 16 hỗ trợ dò tia nhưng thiếu lõi RT để có thể chơi thoải mái.

Nếu bạn muốn chơi ở độ phân giải trên 1080p và với tốc độ khung hình từ 60 khung hình/giây trở lên, cách tốt nhất của bạn là vung tiền mua một card đồ họa hàng đầu. Ở 4K, RTX 3080 và RX 6800 XT là những thẻ nổi bật, nhưng bạn có thể sử dụng RTX 3070 hoặc RX 6800 nếu bạn sẵn sàng chuyển sang 1440p trong một số tựa game nhất định.

Có một số lượng hạn chế các trò chơi hỗ trợ dò tia, nhưng số lượng đang tăng lên. Các ví dụ điển hình về dò tia bao gồm các bản demo đầu tiên của RTX, như Battlefield V, Shadow of the Tomb Raider và Metro Exodus. Các trò chơi gần đây hơn như Control và MechWarrior 5: Mercenaries cũng có vẻ hấp dẫn. Stay in the Light là một trò chơi kinh dị độc lập được xây dựng bằng cách sử dụng bóng và phản xạ dò tia. Quake II được làm lại với tính năng dò tia RTX là một ví dụ tuyệt vời khác.

Có ít trò chơi dò tia hơn trên thị trường, nhưng ngành này đang phát triển. Khi PlayStation 5 và Xbox Series X bắt đầu theo dõi tia quảng cáo, các đối thủ cạnh tranh sẽ sớm theo sau. Trò chơi đa nền tảng Watch Dogs 2 khác với Watch Dogs: Legion mới, vì trò chơi mới đã bắt đầu dò tia để hoạt động trên bảng điều khiển và máy tính.

Hãy thử sử dụng tính năng dò tia Port Royal của UL Benchmark để xác định xem PC của bạn có hoạt động với tính năng dò tia hay không.

digitaltrends