Kể từ khi công bố năm 2018 về card đồ họa RTX 20-series của Nvidia, tính năng “dò tia” của chúng đã trở thành một thuật ngữ phổ biến trong giới chơi game. Nhưng có thể khó hiểu tia dò tia là gì, nó hoạt động như thế nào và tại sao nó trông đẹp hơn các kỹ thuật trước đây.
Ray tracing là gì và nó hoạt động như thế nào?
Trong thế giới thực khi bạn nhìn thấy thứ gì đó, thứ bạn thấy là một photon đến từ một nguồn sáng. Trên đường đi của nó, photon đó có thể đã bị phản xạ bởi một hoặc nhiều bề mặt. Mỗi phản xạ thay đổi đặc điểm của ánh sáng truyền đến mắt bạn.
Mặt trời phát ra nhiều màu ánh sáng, với mỗi bề mặt hấp thụ một số ánh sáng và phản chiếu những ánh sáng khác. Những gì chúng ta nhìn thấy như một bề mặt xanh lá cây, chẳng hạn như một chiếc lá, trông như vậy vì nó chủ yếu phản chiếu ánh sáng xanh lục. Nếu ánh sáng phản chiếu từ tấm giấy chiếu vào một bề mặt khác, chẳng hạn như bức tường trắng, thì bề mặt đó sẽ trông hơi khác so với bề mặt đó nếu là ánh sáng trắng tinh chiếu vào nó. Mỗi phản xạ ảnh hưởng đến mọi bề mặt tương lai mà ánh sáng tương tác, thay đổi cường độ và màu sắc có thể nhìn thấy của nó.
Ray tracing là một kỹ thuật đồ họa tuân theo các nguyên tắc tương tự. Các tia sáng được chiếu, tính các đặc tính của ánh sáng phản xạ và khúc xạ, chẳng hạn như màu sắc, và tia tiếp tục truyền đi.
Trong thế giới thực, mọi nguồn sáng, như bóng đèn hay mặt trời, đều phát ra các photon theo mọi hướng, hầu hết không bao giờ đến được mắt. Mô phỏng điều này sẽ là một quá trình cực kỳ khốc liệt tạo ra một kết quả hầu hết là lãng phí. Để giảm khối lượng công việc, tính năng dò tia hoạt động ngược lại, chiếu tia từ máy ảnh. Mỗi tia có thể di chuyển một khoảng cách nhất định mà không bị phản xạ hoặc bị phản xạ một số lần nhất định trước khi thực hiện các phép tính và giá trị pixel được đặt.
Ví dụ: một chùm tia được chiếu từ góc nhìn của người xem, khi nó chạm vào một bức tường trắng, một thuật toán tạo ra một cách đệ quy một chùm tia phản xạ, sau đó truyền qua một tấm kính màu xanh lam, cuối cùng chùm tia phản xạ chạm vào một nguồn sáng trắng và bị hấp thụ. Kính màu xanh lam hấp thụ mọi thứ ngoại trừ ánh sáng xanh lam chiếu ánh sáng xanh lam lên tường, dẫn đến màu xanh lam của điểm ảnh.
Tại sao Ray Tracing trông đẹp hơn rất nhiều?
Phương pháp tiêu chuẩn để hiển thị cảnh trong thời gian thực liên quan đến việc sử dụng bản đồ ánh sáng được tính toán trước và chiếu sáng toàn bộ cảnh. Một số trò chơi sử dụng ánh sáng thể tích hạn chế để bao gồm các nguồn sáng chuyển động và cho phép tạo ra bóng động, kỹ thuật này được sử dụng ít mặc dù nó khá chuyên sâu về bộ xử lý.
Theo dõi tia có thể đạt được kết quả như ảnh thực nếu công việc bổ sung được thực hiện trong giai đoạn thiết kế trò chơi. Nếu tất cả các bề mặt bao gồm các chi tiết như hệ số phản xạ, độ trong suốt và cách ánh sáng sẽ khúc xạ qua chúng, thì kết quả tổng thể có thể trông tự nhiên hơn. Mặc dù cách tiếp cận này rõ ràng liên quan đến nhiều công việc hơn trong giai đoạn thiết kế trò chơi, nhưng nó cho phép kết quả có vẻ chân thực với ánh sáng phản ứng như nó cần khi phản chiếu từ bê tông, kim loại, gỗ và thủy tinh, v.v.
Tính năng dò tia cho phép bạn chiếu các phản xạ và bóng đổ chính xác như một phần của quá trình kết xuất. Trong các phương pháp kết xuất truyền thống, cả hai hiệu ứng đều hoàn toàn không bắt buộc và có thể gây ra kết quả đáng kể.
Ray tracing chính nó đã rất thành công về mặt hiệu suất. Cho đến khi các card đồ họa RTX của Nvidia với khả năng tăng tốc phần cứng để dò tia được công bố, người ta tin rằng sức mạnh xử lý cần thiết để thực hiện theo dõi tia thời gian thực trong phần mềm đã hơn một thập kỷ. Ngay cả khi tăng tốc phần cứng, dò tia vẫn gây ra hiệu suất đáng kể, vì nó vẫn là phần chậm nhất trong việc kết xuất khung hình.
