Ray Tracing là gì?

Ray Tracing có thể là một trong những nâng cấp quan trọng nhất về đồ hoạ máy tính mà chúng ta được nhìn thấy trong hiện tại và nhiều năm tới. Vì đây là một công nghệ rất mới, và đang dần được áp dụng cho những tựa game lớn trên PC, đã đến lúc chúng ta nên bắt đầu tìm hiểu về nó. Vậy cụ thể Ray Tracing là gì, có ưu điểm ra sao và những game nào đang được áp dụng Ray Tracing? Bạn hãy tham khảo qua bài viết giới thiệu sau đây nhé.

Ray Tracing là gì?

Để hiểu về công nghệ mới này, bạn cần có một cái nhìn ngắn gọn về những "tiền bối" đã đi trước nó. Các trò chơi video hiện đại từ lâu đã sử dụng một kỹ thuật gọi là rasterization để tạo hình ảnh trên màn hình. Cách thức hoạt động là máy tính của bạn nhìn vào cảnh 3D và tính toán khoảng cách đến các vật thể nhất định, nơi ánh sáng bắt đầu chiếu, và vật thể nào ở trước vật thể nào. Sử dụng thông tin đó, nó sẽ xác định màu sắc của mỗi pixel trên màn hình của bạn, vẽ cảnh theo từng chấm dưới dạng hình ảnh 2D.

Theo thời gian, các nhà phát triển đã cải thiện công nghệ này khá nhiều, giúp các đối tượng có khả năng tạo bóng cơ bản dựa trên nguồn sáng hoặc sử dụng các thủ thuật như che khuất xung quanh để thêm bóng tối độc lập với nguồn sáng. Nhưng hầu hết các trò chơi không thực sự mô phỏng được cách hoạt động của ánh sáng trong thế giới thực - họ chỉ giả mạo nó bằng kỹ thuật này hay kỹ thuật khác - khiến cho việc tạo ra bóng và phản xạ thực sự khó khăn (đó là lý do tại sao bạn hiếm khi nhìn thấy gương trong các trò chơi video, và ngay cả khi nhìn thấy, hình ảnh bên trong gương thường khá thô).

Ray Tracing (tạm dịch là dò tia) là một kỹ thuật render nhằm mô phỏng cách ánh sáng chiếu vào các vật thể, từ đó tạo ra các bóng, phản xạ và hiệu ứng ánh sáng chân thực hơn. Tom Peterson - Giám đốc Tiếp thị Kỹ thuật của NVIDIA - đã mô tả nó như một cách tạo hình ảnh dựa trên vật lý, trái ngược với cách tạo hình ảnh nghệ thuật.

Trong thế giới thực, một nguồn sáng, chẳng hạn như đèn trong phòng ngủ, tạo ra các photon dội xung quanh phòng cho đến khi chúng chạm vào mắt bạn. Ray Tracing thực hiện quá trình này theo chiều ngược lại, theo dấu các tia sáng riêng lẻ từ "máy ảnh" của cảnh và theo dõi cách mỗi tia giao với các vật thể khác nhau, sau đó tạo bóng và phản xạ rồi quay trở lại nguồn sáng. Điều này đảm bảo máy tính không lãng phí năng lượng xử lý trên các đối tượng mà máy ảnh không nhìn thấy, trong khi vẫn tạo ra hiệu ứng ánh sáng chân thực hơn nhiều.

Kỹ thuật này đã xuất hiện trong nhiều năm và bạn đã thấy nó vô số lần trong các bộ phim có hiệu ứng đặc biệt do máy tính tạo ra. Hollywood sử dụng các trang trại render (render farm) để tính toán Ray Tracing cho các cảnh vì chúng hoạt động với các bộ dữ liệu lớn và thực hiện số lượng tia cực lớn cho toàn bộ cảnh. Có thể mất hàng giờ hoặc thậm chí nhiều ngày để hiển thị ngay cả đối với một cảnh ngắn trong phim CG khi sử dụng phương pháp Ray Tracing. Trước đây, số lượng tính toán cần thiết trên là điều khiến cho các video game không thể đáp ứng được vì nó cần được thực hiện trong thời gian thực để không ảnh hưởng đến gameplay.

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

Ray Tracing có thể phổ biến trong các bộ phim bom tấn Hollywood, nhưng những hiệu ứng đó được tạo ra trên các trang trại kết xuất vô cùng đắt tiền, và thậm chí sau đó có thể mất hàng giờ (hoặc thậm chí vài ngày) để hiển thị một khung hình do sự phức tạp của nó. Mặt khác, các trò chơi video phải được hiển thị trên thiết bị console hoặc PC của bạn trong thời gian thực, ở mức 30 đến 60 khung hình mỗi giây. Điều đó có nghĩa là các kỹ thuật chiếu sáng tiên tiến như thế này chưa bao giờ dễ thực hiện. Trên thực tế, khi IGN lần đầu chia sẻ bản demo Star Wars Ray Tracing ban đầu của NVIDIA từ GDC vào năm 2018, một nhà phê bình đã lưu ý: "Đó là một bản demo tốt nhưng phương pháp chiếu sáng này không thể có trong thời gian thực trên các PC giá cả phải chăng vào lúc này, có lẽ phải đợi 5 đến 10 năm nữa".

Bản demo đó đã chạy trên bốn GPU Tesla V100 và tại sự kiện của NVIDIA năm tháng sau đó, công ty trình diễn nó chạy trên một card RTX Quadro. Chắc chắn, Quadro vẫn có giá cao hơn sáu lần so với dòng RTX 2080 Ti tập trung vào gaming, nhưng đó là một bước tiến lớn trong một khoảng thời gian ngắn đáng kinh ngạc, và viễn cảnh về Ray Tracing thời gian thực cho các thiết bị chơi game ở nhà đang dần sát hơn với thực tế.

Dòng GPU GeForce RTX của NVIDIA, được phát hành năm 2018, là card đồ họa gaming đầu tiên hỗ trợ Ray Tracing thời gian thực - nhưng chúng đi kèm với một số lưu ý. Các card này sử dụng cái mà NVIDIA gọi là "mô hình render lai" kết hợp phương pháp Ray Tracing với kỹ thuật rasterization, nhờ các lõi dò tia chuyên dụng được thiết kế để tính toán giao điểm của mỗi tia. Nó cũng sử dụng các thuật toán khử nhiễu đặc biệt và phần cứng trí tuệ nhân tạo chuyên dụng, được gọi là "Tensor Core", để giảm số lượng tia cần phải theo dõi. Nói cách khác, họ vẫn còn "gian lận" một chút, vì những card này sẽ không nhất thiết phải theo dõi tia sáng trong toàn bộ cảnh ở thời gian thực; tuy nhiên kết quả này vẫn là một bước tiến đáng kể so với các phương pháp rasterization hiện tại.

Hình ảnh bên dưới của NVIDIA giúp bạn so sánh mô hình render mới của họ so với rasterization thẳng – cách mà GPU chỉ đơn thuần là chuyển đổi các hình thù thành các chấm trên màn hình của bạn.

Tuy nhiên, các lõi RT và Tensor này không nhất thiết phải có để thực hiện các tính toán trên. Cuối cùng, NVIDIA đã phát hành bản hỗ trợ Ray Tracing cho các card GTX cũ hơn (ít nhất là GTX dựa trên kiến trúc Pascal và Turing) mà không có các lõi RT hoặc Tensor bổ sung. Mặc dù vậy, nếu không có các lõi đó, Ray Tracing sẽ kém hiệu quả hơn nhiều. Tổng quát lại, hiệu suất chính là vấn đề lớn nhất khiến công nghệ Ray Tracing chưa thể thật sự phổ biến.

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

Khi bạn bật tính năng Ray Tracing trong các trò chơi trên PC có hỗ trợ, bạn sẽ thấy tốc độ khung hình thấp hơn so với khi tắt đi. Khi chơi thử nghiệm phiên bản đang phát triển của Shadow of the Tomb Raider và Battlefield V với Ray Tracing vào năm 2018, gần như không thể đạt tốc độ 60 FPS liên tục ở độ phân giải 1920x1080 - chỉ từ khoảng 30 đến 50 FPS, mặc dù GPU đang sử dụng là RTX 2080 Ti.

Kể từ đó, các bản cập nhật driver và bản patch trò chơi đã cải thiện hiệu suất khá nhiều, dễ dàng đạt được 60 FPS hơn trong Battlefield V, tùy thuộc vào cài đặt của bạn. Nhưng bạn vẫn sẽ thấy hiệu suất thấp hơn so với khi Ray Tracing bị vô hiệu hóa: một số trò chơi bị ảnh hưởng lên tới 40%, trong khi đa phần những trò chơi khác đều bị giảm tốc độ khung hình khoảng 15%.

Nguyên nhân là vì các trò chơi khác nhau thực hiện Ray Tracing theo những cách khác nhau. Ví dụ như Battlefield V sử dụng phương pháp Ray Tracing để tạo ra sự phản xạ chân thực hơn ở phía mặt bên của các vật kim loại hoặc trong các vũng nước trên mặt đất. Shadow of the Tomb Raider chủ yếu dùng Ray Tracing để cải thiện chất lượng bóng của nó. Mặt khác, Metro: Exodus sử dụng "chiếu sáng toàn cầu" để tạo ra ánh sáng chân thực hơn xung quanh bạn, điều này dẫn đến một hiệu suất nặng hơn so với những trò chơi khác.

Ray Tracing thời gian thực trong Battlefield V

Các card đồ hoạ hỗ trợ Ray Tracing

Năm 2019, các dòng card đồ họa duy nhất hỗ trợ Ray Tracing thời gian thực đều đến từ NVIDIA. Để cảm nhận một cuộc sống có Ray Tracing, bạn nên sử dụng ít nhất một chiếc NVIDIA GeForce RTX 2060. Tuy nhiên, nếu có thể chịu chi hơn để đổi lấy NVIDIA GeForce RTX 2080 Ti, bạn sẽ có trải nghiệm tốt hơn nhiều.

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

- 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 trên, mình đã giới thiệu cho các bạn về Ray Tracing - một công nghệ còn rất mới trong lĩnh vực đồ hoạ máy tính. Tất nhiên bài viết chỉ giới thiệu một cách tổng quan, còn rất nhiều điều khác có thể bàn đến khi nói về một công nghệ có thể thay đổi cả tương lai như vậy. Nhưng ít nhất, bạn cũng đã hiểu được Ray Tracing là gì, nguyên lý và hiệu suất của Ray Tracing, cũng như các dòng card đồ hoạ hỗ trợ Ray Tracing tính đến hiện tại. Hi vọng rằng những thông tin vừa chia sẻ ở trên sẽ giúp ích cho bạn!