Ray Tracing là gì?

Kể từ khi Nvidia công bố năm 2018 về card đồ họa RTX 20-series, tính năng sát thủ của nó, “dò tia” đã trở thành một thuật ngữ phổ biến trong giới trò chơi video. 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 đang thấy là một photon từ một nguồn sáng. Trên đường đến với bạn, 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 loại ánh sáng có màu sắc khác nhau, 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 màu xanh lá cây, chẳng hạn như một chiếc lá, nó xuất hiện theo cách đó bởi vì nó phản xạ phần lớn ánh sáng xanh lục. Nếu ánh sáng phản xạ từ chiếc lá chiếu vào một bề mặt khác, chẳng hạn như một bức tường trắng, thì bề mặt đó sẽ trông hơi khác so với bề mặt đó nếu nó là một ánh sáng trắng thuần khiết chiếu vào nó. Mỗi phản xạ ảnh hưởng đến mọi bề mặt tương lai mà ánh sáng tương tác, làm thay đổi cường độ và màu sắc có thể nhìn thấy được.

Ray tracing là một kỹ thuật đồ họa tuân theo các nguyên tắc tương tự. Các tia sáng được chiếu, các thuộc tính của ánh sáng phản xạ và khúc xạ, chẳng hạn như màu sắc được tính toán, và tia tiếp tục truyền đi.

Trong thế giới thực, mọi nguồn sáng, chẳng hạn như bóng đèn hoặc Mặt trời, phát ra các photon theo mọi hướng, phần lớn trong số đó không bao giờ đến được mắt bạn. Mô phỏng điều này sẽ là một quá trình cực kỳ chuyên sâu 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 được phép di chuyển một khoảng cách nhất định mà không bị phản xạ hoặc phản xạ một số lần nhất định trước khi các phép tính được thực hiện và giá trị pixel được đặt.

Ví dụ: một tia được truyền từ góc nhìn của người xem, khi nó chạm vào một bức tường trắng, một thuật toán tạo ra một cách đệ quy một tia phản xạ sau đó truyền qua một tấm kính màu xanh lam, cuối cùng, tia phản xạ chạm vào nguồn sáng trắng và bị hấp thụ. Kính màu xanh lam hấp thụ tất cả ánh sáng, trừ ánh sáng xanh làm phát ra ánh sáng xanh lam trên tường, dẫn đến điểm ảnh có màu xanh lam.

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 ánh sáng toàn cảnh. Một số trò chơi sử dụng ánh sáng thể tích hạn chế để bao gồm các nguồn sáng chuyển động và cho phép các bóng động, kỹ thuật này được sử dụng ít mặc dù nó khá tốn bộ xử lý.

Theo dõi tia có thể đạt được kết quả như thật nếu một số 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 là đòi hỏi nhiều công việc hơn ở giai đoạn thiết kế trò chơi, nhưng nó cho phép kết quả có vẻ chân thực với ánh sáng phản ứng theo cách mà nó cần khi phản chiếu bê tông, kim loại, gỗ và thủy tinh, v.v.

Tính năng dò tia cho phép phản xạ chính xác và đổ bóng như một phần của quá trình kết xuất. trong các phương pháp kết xuất truyền thống, cả hai hiệu ứng này đều hoàn toàn là tùy chọn và có thể gây ra số lần truy cập hiệu suất đáng kể.

Ray theo dõi chính nó đi kèm với một thành công hiệu suất lớn. Cho đến khi các card đồ họa RTX của Nvidia được công bố với khả năng tăng tốc phần cứng để dò tia, người ta cho rằng sức mạnh xử lý cần thiết để thực hiện dò tia trong thời gian thực trong phần mềm còn hơn một thập kỷ nữa. Ngay cả khi tăng tốc phần cứng, dò tia vẫn làm giảm hiệu suất đáng kể vì nó vẫn là phần chậm nhất trong việc kết xuất khung hình.