Ray Tracing là gì? - Khám phá công nghệ đồ họa tiên tiến

Ray Tracing được xem là một trong những bước đột phá quan trọng nhất trong lĩnh vực đồ họa máy tính hiện nay và trong tương lai. Là công nghệ mới, nó đang dần được tích hợp vào các tựa game lớn trên PC. Đã đến lúc chúng ta tìm hiểu về nó. Vậy Ray Tracing là gì, ưu điểm của nó ra sao, và những tựa game nào đang áp dụng công nghệ này? Hãy cùng khám phá qua bài viết sau.

Ray Tracing là gì? - Tìm hiểu về công nghệ đồ họa đỉnh cao

Để hiểu rõ về Ray Tracing, trước tiên cần nắm được những công nghệ tiền nhiệm. Các trò chơi hiện đại từ lâu đã sử dụng kỹ thuật rasterization để tạo hình ảnh. Cách thức hoạt động là máy tính tính toán khoảng cách đến các vật thể, xác định nguồn sáng, và vị trí tương đối giữa các vật thể. Từ đó, nó quyết định màu sắc của từng pixel trên màn hình, tạo ra cảnh 3D dưới dạng hình ảnh 2D.

Theo thời gian, công nghệ đồ họa đã được cải tiến đáng kể, cho phép các đối tượng tạo bóng dựa trên nguồn sáng hoặc sử dụng các kỹ thuật như che khuất để thêm bóng tối. Tuy nhiên, hầu hết các trò chơi vẫn chưa thể mô phỏng chính xác cách ánh sáng hoạt động trong thế giới thực, thay vào đó chỉ tạo hiệu ứng giả lập. Điều này khiến việc tạo bóng và phản xạ trở nên khó khăn, lý giải tại sao gương trong game thường hiếm và hình ảnh phản chiếu thường kém chân thực.

Ray Tracing (dò tia) là kỹ thuật render mô phỏng cách ánh sáng tương tác với vật thể, tạo ra bóng, phản xạ và hiệu ứng ánh sáng chân thực hơn. Tom Peterson - Giám đốc Tiếp thị Kỹ thuật của NVIDIA - mô tả nó như một phương pháp tạo hình ảnh dựa trên vật lý, khác biệt hoàn toàn với cách tiếp cận nghệ thuật truyền thống.

Trong thế giới thực, ánh sáng từ một nguồn như đèn phòng ngủ phát ra các photon, dội qua các bề mặt trước khi đến mắt người. Ray Tracing đảo ngược quá trình này, bắt đầu từ 'máy ảnh' của cảnh và theo dõi từng tia sáng khi chúng tương tác với các vật thể, tạo bóng và phản xạ trước khi quay về nguồn sáng. Cách tiếp cận này giúp tiết kiệm tài nguyên tính toán bằng cách chỉ xử lý những đối tượng trong tầm nhìn, đồng thời mang lại hiệu ứng ánh sáng chân thực hơn.

Ray Tracing đã xuất hiện từ lâu và được sử dụng rộng rãi trong các bộ phim có hiệu ứng đặc biệt. Hollywood dùng các trang trại render để tính toán Ray Tracing cho từng cảnh, vì chúng xử lý lượng dữ liệu khổng lồ và số lượng tia sáng cực lớn. Một cảnh ngắn trong phim CG có thể mất hàng giờ hoặc nhiều ngày để render. Trước đây, lượng tính toán này khiến Ray Tracing không khả thi với game do yêu cầu xử lý thời gian thực để không ảnh hưởng đến trải nghiệm người chơi.

GPU Ray Tracing dành cho game thủ có gì đặc biệt?

Ray Tracing tuy phổ biến trong các bộ phim Hollywood, nhưng việc tạo ra hiệu ứng này đòi hỏi các trang trại render đắt đỏ và thời gian xử lý lâu, có thể mất hàng giờ hoặc vài ngày chỉ để render một khung hình. Trong khi đó, game yêu cầu render thời gian thực với tốc độ 30 đến 60 khung hình/giây trên PC hoặc console. Điều này khiến các kỹ thuật chiếu sáng tiên tiến như Ray Tracing trở nên khó áp dụng. Khi NVIDIA giới thiệu bản demo Star Wars Ray Tracing tại GDC 2018, một nhà phê bình nhận định: "Đây là bản demo ấn tượng, nhưng công nghệ này chưa thể áp dụng thời gian thực trên PC giá rẻ trong 5 đến 10 năm tới."

Bản demo đó chạy trên bốn GPU Tesla V100, và chỉ năm tháng sau, NVIDIA đã trình diễn nó trên card RTX Quadro. Dù Quadro có giá cao gấp sáu lần dòng RTX 2080 Ti dành cho game, đây vẫn là bước tiến lớn trong thời gian ngắn, đưa Ray Tracing thời gian thực đến gần hơn với thiết bị chơi game tại nhà.

Dòng GPU GeForce RTX của NVIDIA, ra mắt năm 2018, là card đồ họa đầu tiên hỗ trợ Ray Tracing thời gian thực. Tuy nhiên, chúng sử dụng mô hình render lai, kết hợp Ray Tracing với rasterization, nhờ các lõi dò tia chuyên dụng để tính toán giao điểm của tia sáng. Card cũng tích hợp thuật toán khử nhiễu và Tensor Core - phần cứng AI chuyên dụng - để giảm số lượng tia cần tính toán. Dù vẫn có một số hạn chế, đây là bước tiến đáng kể so với phương pháp rasterization truyền thống.

Hình ảnh so sánh từ NVIDIA dưới đây giúp bạn thấy rõ sự khác biệt giữa mô hình render mới của họ và phương pháp rasterization truyền thống - nơi GPU chỉ đơn giản chuyển đổi các hình khối thành các điểm ảnh trên màn hình.

Tuy nhiên, các lõi RT và Tensor không phải là yếu tố bắt buộc để thực hiện tính toán Ray Tracing. NVIDIA đã phát hành hỗ trợ Ray Tracing cho các card GTX cũ (ít nhất là dòng dựa trên kiến trúc Pascal và Turing) mà không cần các lõi RT hoặc Tensor. Tuy nhiên, thiếu các lõi này, hiệu suất Ray Tracing sẽ giảm đáng kể. Nhìn chung, hiệu suất vẫn là rào cản lớn nhất khiến Ray Tracing chưa thể trở nên phổ biến rộng rãi.

Ray Tracing ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất chơi game?

Khi kích hoạt Ray Tracing trong các tựa game hỗ trợ, bạn sẽ nhận thấy tốc độ khung hình giảm đáng kể so với khi tắt tính năng này. Trong các thử nghiệm với phiên bản phát triển của Shadow of the Tomb Raider và Battlefield V vào năm 2018, việc duy trì 60 FPS ở độ phân giải 1920x1080 gần như là không thể - tốc độ chỉ dao động từ 30 đến 50 FPS, ngay cả khi sử dụng GPU RTX 2080 Ti.

Kể từ đó, các bản cập nhật driver và patch game đã cải thiện đáng kể hiệu suất, giúp đạt được 60 FPS dễ dàng hơn trong Battlefield V, tùy thuộc vào cài đặt. Tuy nhiên, hiệu suất vẫn thấp hơn so với khi tắt Ray Tracing: một số game giảm tới 40%, trong khi hầu hết giảm khoảng 15% tốc độ khung hình.

Lý do là mỗi game triển khai Ray Tracing theo cách khác nhau. Ví dụ, Battlefield V sử dụng Ray Tracing để tạo phản xạ chân thực trên bề mặt kim loại và vũng nước. Shadow of the Tomb Raider tập trung vào cải thiện chất lượng bóng đổ. Trong khi đó, Metro: Exodus áp dụng "chiếu sáng toàn cầu" để tạo ánh sáng chân thực hơn, dẫn đến hiệu suất nặng nề hơn so với các game khác.

Ray Tracing thời gian thực trong Battlefield V

Các card đồ họa hỗ trợ Ray Tracing

Năm 2019, NVIDIA là nhà sản xuất duy nhất cung cấp các dòng card đồ họa hỗ trợ Ray Tracing thời gian thực. Để trải nghiệm Ray Tracing mượt mà, bạn cần ít nhất một chiếc NVIDIA GeForce RTX 2060. Tuy nhiên, nếu đầu tư thêm cho RTX 2080 Ti, bạn sẽ được tận hưởng hiệu năng vượt trội hơn nhiều.

Dưới đây là danh sách các card đồ họa chính thức hỗ trợ Ray Tracing thời gian thực tính đến thời điểm hiện tại. Tất cả đều mang tên gọi "RTX".

- NVIDIA GeForce RTX 2060 | 30 lõi RT | 6 GB GDDR6

- NVIDIA GeForce RTX 2060 Super | 34 lõi RT | 8GB GDDR6

- NVIDIA GeForce RTX 2070 | 36 lõi RT | 8 GB GDDR6

- NVIDIA GeForce RTX 2070 Super | 40 lõi RT | 8GB GDDR6

- NVIDIA GeForce RTX 2080 | 46 lõi RT | 8GB GDDR6

- NVIDIA GeForce RTX 2080 Super | 48 lõi RT | 8GB GDDR6

- NVIDIA GeForce RTX 2080 Ti | 68 lõi RT | 11 GB GDDR6

- NVIDIA Titan RTX | 72 lõi RT | 24 GB GDDR6

Qua bài viết này, mình đã chia sẻ với các bạn về Ray Tracing - một công nghệ tiên phong trong lĩnh vực đồ họa máy tính. Dù chỉ là cái nhìn tổng quan, nhưng hy vọng bạn đã phần nào hiểu được Ray Tracing là gì, nguyên lý hoạt động, hiệu suất, và các dòng card đồ họa hỗ trợ công nghệ này. Đây là một bước tiến có thể định hình tương lai đồ họa, và mong rằng những thông tin trên sẽ hữu ích cho bạn!