Ray Tracing vs Rasterized Rendering - Giải thích

Sau sự ra mắt của dòng GPU Nvidia’s Turing vào năm 2018, thế giới game đã chứng kiến sự gia tăng theo cấp số nhân trong cuộc thảo luận về một tính năng được gọi là “Ray Tracing”. Loạt card đồ họa hoàn toàn mới “RTX” của Nvidia khi đó đã hỗ trợ một thứ gọi là “Theo dõi tia thời gian thực” trong trò chơi. Hầu hết mọi người đều không chắc chắn về tính năng mới này là gì và tại sao nó lại được Nvidia đẩy mạnh như vậy nhưng đồng thời tỏ ra hào hứng và thích thú với công nghệ này. Theo Nvidia, Ray Tracing là một điểm quan trọng đến mức họ cho rằng cần phải đặt nó ngay vào tên của các sản phẩm mà họ sẽ tung ra. Loạt thẻ GeForce “RTX” mới đã thay thế loại “GTX” cũ hơn khi nói đến các SKU hàng đầu như SKU 60,70,80 và -80Ti mà Nvidia thường phát hành.

Dòng card đồ họa RTX 2000 của Nvidia mang đến một số thay đổi về phần cứng cho phép hỗ trợ Ray Tracing trong các trò chơi. Các card đồ họa dựa trên Turing mới có các lõi đặc biệt dành riêng cho quá trình này và được gọi là RT Cores. Mục đích của các lõi RT là đặc biệt xử lý tất cả các tính toán đồ họa được yêu cầu để có thể thực hiện Truy tìm tia thời gian thực trong các trò chơi. Nvidia cũng bổ sung cho thẻ các lõi CUDA bổ sung để tăng sức mạnh thô của thẻ, đồng thời bổ sung một bộ lõi mới được gọi là Lõi Tensor. Những lõi này nhằm hỗ trợ cho các ứng dụng AI và học sâu, chẳng hạn như một dạng kỹ thuật nâng cấp mới được gọi là Deep Learning Super Sampling. Chúng ta đã thảo luận chi tiết về Deep Learning Super Sampling hoặc DLSS trong bài viết này, nơi bạn có thể tìm hiểu thêm về kỹ thuật nâng cấp do AI hỗ trợ.

Ray Tracing không phải là mới

Thoạt nhìn, có vẻ như Ray Tracing là một công nghệ mới được Nvidia đi tiên phong, nhưng sự thật lại không như vậy. Đúng, Nvidia là công ty đầu tiên triển khai hỗ trợ Ray Tracing theo thời gian thực trong trò chơi, nhưng điều đó không có nghĩa là Ray Tracing đã không tồn tại trước loạt RTX. Bạn có thể đã thưởng thức nó mà không biết trong nhiều năm nếu bạn đã xem bất kỳ bộ phim nào gần đây có Hiệu ứng CGI.

Việc thực hiện trong phim được thừa nhận là hơi khác và chuyên sâu hơn nhiều so với phiên bản chơi game. Các tác phẩm kinh phí lớn có khả năng chi ra một lượng lớn tiền và thời gian để dựng lại những cảnh đó. Các bộ phim hoạt hình nổi tiếng được cho là đã sử dụng khoảng 1000 siêu máy tính để kết xuất toàn bộ bộ phim với hiệu ứng Ray Tracing trong khoảng thời gian một tháng. Các quy trình kết xuất quy mô lớn như vậy tất nhiên là không khả thi hoặc không thể thực hiện được đối với những game thủ bình thường muốn chơi một số trò chơi với một số hình ảnh được cập nhật, do đó, phiên bản Ray Tracing có mặt trong các trò chơi hiện đại khá khác biệt về ứng dụng. Tuy nhiên, Ray Tracing là một tính năng có mặt trong nhiều lĩnh vực sản xuất ngoài game, trong đó phim ảnh là một trong những tính năng nổi bật hơn cả.

Phần mềm năng suất được các chuyên gia sử dụng để làm việc trên các cảnh đồ họa chuyên sâu, chẳng hạn như Blender, cũng hỗ trợ các tính năng Ray Tracing. Phần mềm kết xuất và đồ họa máy tính này sử dụng các cấp độ khác nhau của ứng dụng dò tia để tạo ra hình ảnh chân thực trong kết xuất tĩnh và hoạt ảnh 3D.

Rasterization là gì?

Vậy tại sao Nvidia lại cho là cần thiết để thực hiện một quy trình phức tạp như vậy vào các trò chơi truyền thống? Có sự khác biệt nào trong quá trình Ray Tracing trong trò chơi để làm cho nó tối ưu hơn cho khối lượng công việc không? Để hiểu cơ chế đằng sau Ray Tracing, trước tiên, chúng ta cần hiểu cơ chế mà các trò chơi được hiển thị theo truyền thống. Điều này sẽ giúp chúng ta hiểu tại sao Ray Tracing được coi là một cải tiến và là một bước tiến lớn về độ trung thực của đồ họa.

Kỹ thuật hiện đang được sử dụng để kết xuất được gọi là "Rasterization". Trong kỹ thuật này, mã trò chơi hướng GPU vẽ một cảnh 3D bằng cách sử dụng các đa giác. Các hình dạng 2D này (chủ yếu là hình tam giác) tạo nên hầu hết các yếu tố hình ảnh được hiển thị trên màn hình. Sau khi một cảnh được vẽ, nó sẽ được dịch hoặc "phân loại" thành các pixel riêng lẻ, sau đó được xử lý bởi một công cụ đổ bóng chuyên dụng. Bộ đổ bóng thêm màu sắc, kết cấu và hiệu ứng ánh sáng trên cơ sở từng pixel để tạo ra khung hình được kết xuất hoàn chỉnh. Kỹ thuật này cần được lặp lại khoảng 30-60 lần một giây để tạo ra hình ảnh 30FPS hoặc 60FPS trong trò chơi.

Hạn chế của Rasterization

Mặc dù rasterization đã là chế độ hiển thị mặc định trong trò chơi từ khá lâu rồi, nhưng quá trình cố hữu đằng sau quá trình rasterization có một số hạn chế. Vấn đề chính của quá trình rasterization là kỹ thuật này gặp khó khăn trong việc theo dõi chính xác cách ánh sáng trong cảnh di chuyển và tương tác với các yếu tố khác của cảnh. Kết xuất Rasterized không tạo ra kết quả giống như kết xuất Ray Traced khi nói đến hiệu ứng ánh sáng và độ chiếu sáng tổng thể của một cảnh cụ thể. Kết xuất nhanh đôi khi cũng có thể tạo ra hình ảnh hơi không chính xác liên quan đến ánh sáng, điều này có thể thực sự làm hỏng việc đắm chìm trong một trò chơi cụ thể. Đây là lý do tại sao Ray Tracing được coi là một hình thức kết xuất cao cấp khi nói đến độ trung thực của đồ họa, đặc biệt là liên quan đến ánh sáng.

Chính xác thì Ray Tracing là gì?

Bây giờ chúng ta đã thảo luận về hình thức dựng hình truyền thống, hãy thảo luận về ứng dụng mới của Truy tìm tia thời gian thực trong các trò chơi hiện đại. Ray Tracing là một kỹ thuật dựng hình tạo ra hình ảnh dựa trên ánh sáng ảo và cách nguồn sáng đó tương tác với tất cả các đối tượng bên trong cảnh ảo. Ray Tracing có thể tạo ra mô tả cảnh chân thực hơn rất nhiều nhờ lợi dụng sự tương tác của ánh sáng với các đối tượng bên trong cảnh để mang lại cảm giác chân thực. Nói một cách dễ hiểu, Ray Tracing là một kỹ thuật làm cho ánh sáng hoạt động trong trò chơi điện tử giống như trong cuộc sống thực.

Cơ chế đằng sau Ray Tracing

Cơ chế đằng sau Ray Tracing trong trò chơi vốn đã khác với các hình thức Ray Tracing khác đã có trong các ngành công nghiệp khác như phim ảnh. Thay vì theo dõi tất cả hàng triệu tia đến từ mỗi nguồn sáng, theo dõi tia ở cấp độ người tiêu dùng làm giảm tải tính toán bằng cách truy tìm một đường dẫn từ máy ảnh đại diện cho góc nhìn của người dùng, thông qua một pixel duy nhất, sau đó đến bất kỳ vật thể nào đằng sau đó pixel và cuối cùng quay lại nguồn sáng của cảnh được đề cập. Kỹ thuật Truy tìm tia này cũng có thể tạo ra nhiều hiệu ứng như hấp thụ, phản xạ, khúc xạ và khuếch tán ánh sáng được xác định bởi đối tượng tương tác với ánh sáng trong cảnh. Thuật toán Ray Tracing cũng có thể tính đến các tia kết quả để mọi hiệu ứng phản chiếu hoặc bóng đổ đều được hiển thị chính xác.

Các hình thức khác nhau của Ray Tracing

Không phải tất cả các triển khai của Ray Tracing đều giống nhau. Nhiều trò chơi hỗ trợ Ray Tracing, mỗi trò chơi triển khai tính năng theo một cách hơi khác nhau. Điều này tùy thuộc vào nhà phát triển trò chơi để tăng hoặc giảm độ phức tạp của Truy tìm tia trong trò chơi để trò chơi mang lại sự cân bằng hoàn hảo giữa hiệu suất và chất lượng hình ảnh. Kể từ năm 2020, hầu hết các trò chơi hỗ trợ Ray Tracing thường chỉ sử dụng Ray Tracing cho một khía cạnh của cảnh thay vì hiển thị toàn bộ cảnh bằng chính Ray Tracing. Có thể thực hiện được, nhưng chi phí tính toán của Truy tìm tia toàn cảnh là thiên văn so với các phương pháp tiếp cận khác và do đó không đáng để nỗ lực ít nhất là ngay bây giờ. Tính đến thời điểm viết bài, các cách triển khai khác nhau của Truy tìm tia hiện đang được sử dụng trong trò chơi là:

Bóng: Việc triển khai Ray Tracing đơn giản nhất và ít chuyên sâu nhất được cho là liên quan đến bóng đổ. Ở đây, Ray Tracing được sử dụng để kết xuất bóng tối một cách hoàn hảo trong một cảnh dựa trên nguồn gốc của ánh sáng từ nguồn sáng và vị trí của chính đối tượng. Kỹ thuật này được sử dụng đáng chú ý nhất trong “Shadow of the Tomb Raider” để tạo ra một bản đồ bóng chi tiết hơn phản ứng với những thay đổi trong môi trường xung quanh các đối tượng tạo ra bóng. Đáng chú ý nhất, chuyển động và góc của nguồn sáng giờ đây có thể tạo ra những thay đổi tương tự đối với các bóng tạo ra như chúng ta quan sát trong cuộc sống thực.
Suy ngẫm: Các phản xạ có tính toán cao hơn một chút để kết xuất bằng cách sử dụng Ray Tracing, tuy nhiên, các phản xạ Ray Traced trông rất phi thường trong các trò chơi hiện đại và có lẽ là cải tiến đồ họa đáng chú ý nhất có thể đạt được bằng cách sử dụng Ray Tracing. Phản xạ sử dụng nguồn ánh sáng trong một cảnh để hiển thị chính xác phản xạ từ các vật thể phản chiếu như thủy tinh và nước. Một trong những trò chơi phổ biến nhất sử dụng phản xạ Ray Traced là “Control”.
Môi trường xung quanh tắc nghẽn: Điều này cũng liên quan đến bóng đổ và ít nhiều bị ràng buộc vào cùng một quy trình cơ bản. Ambient Occlusion sử dụng Ray Tracing để dự đoán góc và cường độ của bóng tối dựa trên vị trí và vị trí của các đối tượng trong một cảnh. Khi được thực hiện đúng, Ambient Occlusion có thể thêm một số chi tiết và hiện thực đáng kinh ngạc vào trò chơi.
Chiếu sáng toàn cầu: Có lẽ là hình thức triển khai Ray Tracing chuyên sâu về tính toán nhất trong các trò chơi hiện đại, Global Illumination sử dụng Ray Tracing để mô tả chính xác ánh sáng thế giới. Điều này mang lại cảm giác ánh sáng thực tế hơn nhiều khi nó được bật, nhưng nó cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất do lượng dữ liệu được xử lý tuyệt đối. “Metro Exodus” sử dụng Ray Tracing để cung cấp một hình thức Global Illumination thực tế hơn nhiều.
Theo dõi đường dẫn đầy đủ: Cuối cùng, chúng ta cũng thấy một số trò chơi xuất hiện được theo dõi đường dẫn đầy đủ, về cơ bản có nghĩa là mọi thứ đều là Ray Traced. Hiện đã được cấp phép, những trò chơi này có phần đơn giản hơn và nhỏ hơn so với những trò chơi khác vốn ít nhiều là tựa AAA của các công ty lớn, nhưng điều này không có nghĩa là chúng trông không ấn tượng. Trên thực tế, một số người có thể tranh luận rằng những trò chơi này có tính năng dò đường đầy đủ trông đẹp hơn tất cả các triển khai Ray Tracing khác. “Minecraft RTX” và “Quake RTX” là hai trong số những tựa game được truy nguyên đường dẫn đầy đủ tại thời điểm viết bài.

Tôi cần gì cho Ray Tracing?

Như đã đề cập trước đây, Ray Tracing là một công việc đòi hỏi nhiều tính toán nên nó đòi hỏi một số phần cứng cao cấp nhất định để thực hiện tốt. Tính đến thời điểm viết bài, có một số card đồ họa của cả AMD và Nvidia hỗ trợ Ray Tracing được tăng tốc phần cứng. Ngay cả các hệ máy console của Sony và Microsoft cũng hỗ trợ tính năng này. Điều đó mở rộng danh sách phần cứng được hỗ trợ một chút:

Dòng Nvidia GeForce RTX 2000
Dòng Nvidia GeForce RTX 3000
Dòng AMD Radeon RX 6000
Microsoft Xbox Series X
Sony PlayStation 5

Hãy nhớ rằng nếu AMD xử lý Ray Tracing hơi khác so với Nvidia, do đó, có một hình phạt hiệu suất hơi lớn hơn được quan sát thấy khi bạn đang sử dụng thẻ AMD cho Ray Tracing. Ngoài ra, nếu bạn muốn trải nghiệm hiệu suất được cải thiện bằng cách sử dụng Deep Learning Super Sampling, thì tính năng đó cũng chỉ khả dụng trên thẻ RTX của Nvidia. AMD được cho là đang làm việc trên một tính năng giống DLSS cho các thẻ dòng RX 6000 của họ, nhưng hiện tại, nó vẫn đang được phát triển tại thời điểm viết bài.

Nvidia cũng đã đặt ra thuật ngữ “Giga Rays” để cung cấp cho người dùng ý tưởng về khả năng Ray Tracing tương đối của Card đồ họa RTX của mình. Nvidia nói rằng 5 Giga Rays mỗi giây là lượng ánh sáng ảo tối thiểu cần thiết để chiếu sáng hoàn toàn một căn phòng điển hình trong môi trường trò chơi điện tử. GeForce RTX 2070 cung cấp 5 Giga Rays / giây, trong khi RTX 2080 cung cấp 8 Giga Rays mỗi giây. RTX 2080Ti cung cấp một con số khổng lồ 10 Giga Rays / giây. Tuy nhiên, nó là một đơn vị hơi tùy ý vì vậy nó chỉ nên được sử dụng chung để thể hiện các kỳ vọng về hiệu suất tương đối.

Mất hiệu suất và DLSS

Như đã thấy rõ cho đến nay, nhược điểm lớn nhất của Ray Tracing là ảnh hưởng đến hiệu suất do số lượng lớn tính toán chuyên dụng cần được thực hiện trong quá trình này. Trong một số trò chơi, hiệu suất đạt được lớn đến mức có thể đưa trò chơi đến tốc độ khung hình không còn được coi là có thể chơi được nữa. Hiệu suất thậm chí còn lớn hơn trong các trò chơi sử dụng các triển khai phức tạp hơn của Ray Tracing như Reflections, Global Illumination hoặc Full Path Tracing.

Tất nhiên, Nvidia đã nghĩ đến tình huống phạt hiệu suất này và cũng đã phát triển một kỹ thuật bồi thường mới được gọi là Deep Learning Super Sampling. Kỹ thuật này được gọi là DLSS đã được phát hành cùng với dòng RTX 2000 của Nvidia vào năm 2018. Chúng ta đã tìm hiểu chi tiết về DLSS trong bài viết này, nhưng bản chất của công nghệ này là nó hiển thị hình ảnh ở độ phân giải thấp hơn và sau đó nâng cấp hình ảnh một cách thông minh và có phương pháp. để phù hợp với độ phân giải đầu ra để mang lại hiệu suất vượt trội hơn rất nhiều so với kết xuất nguyên bản. DLSS là một cơ chế bù đắp tuyệt vời cho việc mất hiệu suất của Ray Tracing, nhưng nó cũng có thể được sử dụng mà không cần Ray Tracing để cung cấp tốc độ khung hình thậm chí cao hơn và trải nghiệm tốt hơn nhiều.

Ưu điểm lớn nhất của DLSS là nó sử dụng Deep Learning và AI để nâng cấp hình ảnh để có sự khác biệt rõ ràng về hình ảnh giữa hình ảnh gốc và hình ảnh được nâng cấp. Nvidia sử dụng lõi Tensor trên loạt thẻ RTX của mình để tăng tốc quá trình DLSS để quá trình tính toán nâng cấp này có thể được thực hiện theo tốc độ của trò chơi đang được hiển thị. Đây là một công nghệ thực sự thú vị mà chúng tôi muốn phát triển hơn nữa và trở nên tốt hơn hiện tại.

Tương lai của Ray Tracing

Ray Tracing trong trò chơi chỉ mới bắt đầu và chúng tôi có thể nói chắc chắn rằng nó sẽ tồn tại ở đây. AMD vừa phát hành dòng thẻ đầu tiên hỗ trợ Truy tìm tia thời gian thực đầy đủ với dòng RX 6000và PlayStation 5 và Xbox Series X cũng có hỗ trợ Ray Tracing. Các rào cản hiện tại cần được khắc phục bao gồm việc giảm hiệu suất và số lượng trò chơi hỗ trợ nó thấp. Các trò chơi hiện tại hỗ trợ Ray Tracing tại thời điểm viết bài này bao gồm:

Giữa cái ác
Battlefield V
Bộ nhớ sáng sủa
Call of Duty: Modern Warfare (2019)
Call Of Duty: Black Ops Cold War
Điều khiển
Crysis Remastered
Giao mặt trăng cho chúng tôi
Fortnite
Ghostrunner
Sự công bằng
Mechwarrior V: Lính đánh thuê
Metro Exodus
Minecraft
Moonlight Blade
Bí ngô Jack
Quake II RTX
Shadow of the Tomb Raider
Ở trong ánh sáng
Watch Dogs Legion
Wolfenstein: Youngblood

Trong khi đó, Nvidia đã xác nhận rằng các tựa game sau cũng sẽ hỗ trợ Ray Tracing khi chúng ra mắt:

Trái tim nguyên tử
Cyberpunk 2077 (khởi chạy)
Dying Light 2
Doom Eternal
Đã nhập ngũ (phiên bản beta đã đóng vào tháng 11)
JX3
Mortal Shell (tháng 11)
Người quan sát: System Redux
Sẵn sàng hay Chưa (khởi chạy quyền truy cập sớm)
Ring Of Elysium (ra mắt)
Đã đồng bộ hóa: Off-Planet
The Witcher III
Vampire: The Masquerade - Bloodlines 2
World Of Warcraft: Shadowlands (tháng 11)
Xuan-Yuan Sword VII (ra mắt)

Mặc dù những trò chơi này có vẻ không giống với nhiều trò chơi, nhưng nó thể hiện sự khởi đầu theo hướng mà hình thức kết xuất chủ yếu rất có thể là Truy tìm tia sáng. Bây giờ về hiệu suất, thực sự khó có thể đoán được liệu hiệu suất đánh từ Ray Tracing có bị giảm đi một chút hay không. Tuy nhiên, điều hợp lý để mong đợi là để DLSS trở nên tốt hơn và cung cấp đủ bù đắp cho tổn thất hiệu suất phát sinh khi bật tính năng Truy tìm tia. Tính đến thời điểm viết bài, danh sách các trò chơi hỗ trợ DLSS không được mở rộng bằng bất kỳ phương tiện nào, nhưng đó là một khởi đầu tốt, hãy nhớ rằng Nvidia cũng đã công bố hỗ trợ DLSS cho một số trò chơi sắp tới. Dưới đây là tất cả các trò chơi hiện hỗ trợ Deep Learning Super Sampling:

Quốc ca
Battlefield V
Bộ nhớ sáng sủa
Call Of Duty: Black Ops Cold War
Điều khiển
Death Stranding
Giao mặt trăng cho chúng tôi
F1 2020
Final Fantasy XV
Fortnite
Ghostrunner
Sự công bằng
Marvel’s Avengers
Mechwarrior V: Lính đánh thuê
Metro Exodus
Minecraft
Monster Hunter: World
Shadow of the Tomb Raider
Watch Dogs Legion
Wolfenstein Youngblood

Như bạn có thể nhận thấy, hầu hết các trò chơi hỗ trợ DLSS đều là những tựa game có một số dạng hỗ trợ Ray Tracing. Điều này cung cấp thêm xác nhận cho lý thuyết rằng DLSS đã được phát triển và phát hành chủ yếu như một công nghệ bù đắp để giảm bớt sự mất mát lớn về hiệu suất trong Ray Tracing. DLSS là một công nghệ cực kỳ ấn tượng, như Nvidia đã giải thích rằng nó sử dụng một siêu máy tính để thực hiện các phép tính phức tạp, đào tạo thuật toán mà các lõi Tensor bên trong các GPU Nvidia tuân theo. Cũng giống như Ray Tracing, DLSS dự kiến cũng sẽ có nhiều trò chơi hơn:

Giữa cái ác
Trái tim nguyên tử
Ranh giới
Cyberpunk 2077 (khởi chạy)
Edge Of Eternity (tháng 11)
JX3
Mortal Shell (tháng 11)
Mount & Blade II Bannerlord (tháng 11)
Sẵn sàng hay Chưa (khởi chạy quyền truy cập sớm)
Người nhặt rác
Vampire: The Masquerade - Bloodlines 2
Xuan-Yuan Sword VII (ra mắt)

DLSS, kết hợp với Ray Tracing dường như là tương lai của ngành công nghiệp game vào năm 2020.

Phần kết luận

Rasterization là kỹ thuật đã được sử dụng để chuyển đổi một mặt phẳng 2D của các đa giác thành hình ảnh 3D trên màn hình trong trò chơi từ rất lâu rồi. Vào năm 2018, Nvidia đã giới thiệu dòng card đồ họa RTX 2000 với hỗ trợ đầy đủ cho Ray Tracing theo thời gian thực trong trò chơi, một kỹ thuật sử dụng các phép tính phức tạp để theo dõi các tia sáng trong một cảnh để tạo ra các mô tả chính xác về cách ánh sáng sẽ tương tác. các đối tượng trong một cảnh. Điều này đã khiến thế giới game bị một cơn bão bất ngờ ập đến và toàn bộ ngành công nghiệp đặt Ray Tracing là trọng tâm chính của họ trong tương lai.

Tính đến thời điểm viết bài, Nvidia đã phát hành một thế hệ card đồ họa khác giúp cải thiện hơn nữa hiệu suất Ray Tracing của họ trong khi cả AMD và bảng điều khiển cũng đã công bố hỗ trợ đầy đủ tính năng này. Nvidia cũng đã cải tiến kỹ thuật lấy mẫu siêu sâu trong Deep Learning, sử dụng AI và Deep Learning để nâng cấp thông minh hình ảnh được hiển thị ở độ phân giải thấp hơn nhằm bù đắp cho sự mất hiệu suất do Ray Tracing.

Có vẻ như Ray Tracing sẽ ở lại đây, và mặc dù số lượng game ban đầu hỗ trợ tính năng này không nhiều, nhưng ngày càng có nhiều tựa game được công bố có hỗ trợ hoàn toàn cho Ray Tracing theo thời gian thực trong tương lai. Giờ đây, các nhà phát triển có thể tinh chỉnh các tính năng Ray Tracing trong các trò chơi sắp tới của họ và cũng để tăng số lượng các tựa game hỗ trợ tính năng này. Nvidia và AMD cũng có trách nhiệm làm cho phần cứng của họ được tối ưu hóa cho tính năng này để các game thủ không phải trải qua tình trạng giảm hiệu suất nghiêm trọng bất cứ khi nào họ muốn bật Ray Tracing.