Theo dõi đường dẫn so với theo dõi tia, giải thích

Cứ sau vài năm, dường như lại có một công nghệ mới tuyệt vời hứa hẹn làm cho trò chơi trông thực tế hơn bao giờ hết. Trong nhiều thập kỷ, chúng ta đã có các công cụ đổ bóng, phủ sóng, ánh xạ bóng, dò tia – và giờ đây có một tính năng mới: dò tìm đường dẫn.

Vì vậy, nếu bạn đang tìm kiếm thông tin chi tiết về sự phát triển mới nhất này trong công nghệ đồ họa, thì bạn đã đến đúng nơi. Hãy đi sâu vào thế giới kết xuất và đi theo con đường của ánh sáng và học hỏi.

Câu trả lời ngắn gọn và ngọt ngào cho câu hỏi này là… ” dò đường chỉ là dò tia .” Các phương trình mô hình hóa hành vi của ánh sáng là giống nhau, việc sử dụng cấu trúc dữ liệu để tăng tốc quá trình tìm kiếm các tương tác tia-tam giác cũng giống nhau và các GPU hiện đại sử dụng cùng một đơn vị để tăng tốc quá trình. Nó cũng rất chuyên sâu về mặt tính toán.

Nhưng, đợi đã. Nếu thực sự giống nhau thì tại sao tính năng truy tìm đường dẫn lại có một tên gọi khác, và nó mang lại lợi ích gì cho các nhà lập trình game? Theo dõi đường dẫn khác với theo dõi tia sáng ở chỗ thay vì theo dõi nhiều tia sáng, xuyên suốt toàn bộ cảnh, thuật toán chỉ theo dõi đường đi có khả năng nhất của ánh sáng.

Theo dõi đường dẫn khác với theo dõi tia sáng ở chỗ thay vì theo dõi nhiều tia sáng, xuyên suốt toàn bộ cảnh, thuật toán chỉ theo dõi đường đi có khả năng nhất của ánh sáng.

Chúng ta đã khám phá cách thức hoạt động của các tia (xem: Tìm hiểu sâu hơn: Rasterization và dò tia), nhưng ở đây cần phải giới thiệu sơ lược về quy trình này. Khung bắt đầu như bình thường: card đồ họa hiển thị tất cả các hình học – tất cả các hình tam giác tạo nên cảnh – và lưu nó vào bộ nhớ.

Đọc thêm:  14 trò chơi trên PC dành cho thời gian vui vẻ của gia đình

Sau khi xử lý thêm một chút, để sắp xếp thông tin theo cách mà hình học có thể được tìm kiếm nhanh hơn, tính năng dò tia bắt đầu hoạt động. Đối với mỗi pixel bao gồm khung, một tia duy nhất được truyền từ máy ảnh, đi vào khung hình. bối cảnh.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Theo dõi đường dẫn so với theo dõi tia, giải thích

Chà, không phải theo nghĩa đen – một phương trình vectơ được tạo ra, với các tham số được đặt trên cơ sở vị trí của máy ảnh và pixel. Sau đó, mỗi tia được kiểm tra dựa trên hình học của cảnh và đây là phần đầu tiên của độ phức tạp của phương pháp dò tia. May mắn thay, các GPU mới nhất của AMD và Nvidia đi kèm với các đơn vị phần cứng chuyên dụng để tăng tốc quá trình này.

Nếu một tia và đối tượng tương tác với nhau, thì một phép tính khác được thực hiện để tìm ra chính xác tam giác nào trong mô hình có liên quan và màu của tam giác sẽ thay đổi màu của pixel một cách hiệu quả.

Nhưng ánh sáng hiếm khi chiếu vào một vật thể và ánh sáng đó bị hấp thụ hoàn toàn. Trong thực tế, có rất nhiều phản xạ và khúc xạ đang diễn ra, vì vậy nếu bạn muốn hiển thị chân thực nhất có thể, các phương trình vectơ mới sẽ được tạo, mỗi phương trình cho tia phản xạ và tia khúc xạ.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Theo dõi đường dẫn so với theo dõi tia, giải thích

Đổi lại, những tia sáng đó được theo dõi cho đến khi chúng cũng chạm vào một vật thể và trình tự tiếp tục cho đến khi một chuỗi tia sáng cuối cùng bị dội ngược trở lại nguồn sáng trong cảnh. Từ tia sơ cấp ban đầu, tổng số tia được vẽ trên khung cảnh tăng theo cấp số nhân với mỗi lần nảy.

Đọc thêm:  TechSpot Best of CES 2016

Rửa sạch và lặp lại trên tất cả các pixel khác trong khung hình và kết quả cuối cùng là một cảnh được chiếu sáng chân thực… mặc dù vẫn cần một chút xử lý bổ sung hợp lý để làm gọn gàng hình ảnh cuối cùng.

Nhưng ngay cả với GPU và CPU mạnh nhất, một khung hình được dò tia đầy đủ cũng cần một lượng thời gian khổng lồ để tạo ra – lâu hơn, lâu hơn rất nhiều so với khung hình được kết xuất theo cách truyền thống, sử dụng máy tính và bộ đổ bóng pixel.

Bây giờ đây là nơi dấu vết đường dẫn phù hợp với hình ảnh, nếu một người thứ lỗi cho cách chơi chữ.

Khái niệm ban đầu về theo dõi đường dẫn đã được James Kajiya giới thiệu từ năm 1986, khi ông còn là nhà nghiên cứu của Caltech. Ông đã chỉ ra rằng vấn đề khiến bộ xử lý bị dừng hoạt động, hoạt động thông qua số lượng tia ngày càng tăng, có thể được giải quyết thông qua việc sử dụng lấy mẫu thống kê của cảnh (cụ thể là thuật toán Monte Carlo).

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Theo dõi đường dẫn so với theo dõi tia, giải thích

Phương pháp dò tia truyền thống liên quan đến việc tính toán đường phản xạ hoặc khúc xạ chính xác của từng tia và lần theo tất cả các tia trở lại một hoặc nhiều nguồn sáng. Với tính năng dò tìm đường dẫn, nhiều tia được tạo cho mỗi pixel nhưng chúng bị bật ra theo hướng ngẫu nhiên. Điều này được lặp lại khi một tia chạm vào một vật thể và tiếp tục xảy ra cho đến khi đạt đến nguồn sáng hoặc đạt đến giới hạn dội lại đặt trước.

Đọc thêm:  25 năm sau: Phân tích ngắn gọn về hiệu quả xử lý của GPU

Bản thân điều này có vẻ không phải là một thay đổi lớn về số lượng máy tính cần thiết, vậy phần kỳ diệu ở đâu?

Không phải tất cả các tia sẽ được sử dụng để tạo ra màu cuối cùng của pixel trong khung. Chỉ một số lượng nhất định trong số chúng sẽ được lấy mẫu và thuật toán sử dụng dẫn đến một đường dội sáng gần như lý tưởng, từ máy ảnh đến nguồn sáng. Sau đó, người ta có thể chia tỷ lệ số lượng mẫu cho mỗi pixel để điều chỉnh độ chính xác của hình ảnh cuối cùng.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Theo dõi đường dẫn so với theo dõi tia, giải thích

Mặc dù có thêm một đống toán học và mã hóa liên quan, nhưng kết quả cuối cùng là có ít tia hơn để xử lý, mặc dù tính năng dò đường thường tạo ra hàng chục tia trên mỗi pixel. Theo dõi các tia và thực hiện các tính toán tương tác của chúng là lý do khiến hiệu suất đạt được, so với kết xuất thông thường, do đó, sử dụng ít tia hơn để tô màu một pixel rõ ràng là một điều tốt.

Nhưng đây là phần thực sự thông minh: thông thường ít tia hơn sẽ dẫn đến ánh sáng kém chân thực hơn, nhưng vì phần lớn màu sắc của các pixel của khung hình chỉ bị ảnh hưởng bởi các tia chính, nên việc loại bỏ hầu hết hoặc tất cả các tia phụ không ảnh hưởng đến mọi thứ nhiều như người ta có thể nghĩ.

Bây giờ, nếu cảnh chứa nhiều bề mặt sẽ phản xạ khúc xạ ánh sáng, chẳng hạn như thủy tinh hoặc nước, thì những tia phụ đó sẽ trở nên quan trọng. Để giải quyết vấn đề này, thuật toán sẽ được tinh chỉnh để giải thích cho sự phân bố của các loại tia mà người ta sẽ có trong một cảnh hoặc các bề mặt cụ thể đó được xử lý trong quá trình kết xuất ‘theo dõi tia hoàn toàn’ của riêng chúng.

Đọc thêm:  Điểm chuẩn SSD PCIe 4.0 so với PCIe 3.0

Một nhà phát triển giỏi sẽ sử dụng đầy đủ các công cụ kết xuất theo ý muốn của họ: rasterization với shader, theo dõi đường dẫn và theo dõi tia đầy đủ. Sẽ mất nhiều công sức hơn để tìm ra tất cả những điều này, nhưng cuối cùng phần cứng sẽ ít phải xử lý hơn.

Vài lần trong vài năm qua, chúng tôi đã thấy các tiêu đề đưa tin về việc các bản mod thêm tính năng dò tia vào các tác phẩm kinh điển cũ, nhưng hầu hết chúng thực sự đề cập đến tính năng theo dõi đường dẫn. Chúng tôi đã nghe lại điều đó vào năm 2019 với một bản mod thử nghiệm cho Crysis và Quake 2, hoặc gần đây hơn với bản mod dò tia Half-Life không chính thức và bản mod Classic Doom. Tất cả theo dõi đường dẫn.

Ngoài ra còn có một dòng tweet từ Dihara Wijetunga, một kỹ sư đồ họa R&D cao cấp của AMD, người đã công bố dự án cập nhật trò chơi Return to Castle Wolfenstein ban đầu của mình với một trình kết xuất theo dõi đường dẫn.

mẫu 1

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Theo dõi đường dẫn so với theo dõi tia, giải thích

Sau đó, sử dụng theo dõi đường dẫn …

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Theo dõi đường dẫn so với theo dõi tia, giải thích

mẫu 2

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Theo dõi đường dẫn so với theo dõi tia, giải thích

Sử dụng theo dõi đường dẫn…

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Theo dõi đường dẫn so với theo dõi tia, giải thích

mẫu 3

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Theo dõi đường dẫn so với theo dõi tia, giải thích

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Theo dõi đường dẫn so với theo dõi tia, giải thích

Như đã lưu ý ở trên, vào năm 2019, Nvidia đã công bố bản làm lại Quake II có trình kết xuất đồ họa tia để giúp quảng bá công nghệ RTX. Ban đầu, đây là công việc của một người, Christoph Schied, người đã tạo ra bản remaster (tên kỹ thuật là Q2VKPT) như một phần của dự án nghiên cứu. Với sự đóng góp của các chuyên gia khác trong công nghệ đồ họa, Quake II RTX đã ra đời và là trò chơi nổi tiếng đầu tiên sử dụng tính năng dò đường cho tất cả ánh sáng của nó.

Đọc thêm:  Hiệu suất Windows 10 so với Windows 8.1 so với Windows 7

Các mô hình và kết cấu ban đầu vẫn còn và khía cạnh duy nhất đã được thay đổi là cách các bề mặt được chiếu sáng và tạo bóng. Hình ảnh tĩnh không phải là phương tiện tốt nhất để chứng minh mức độ hiệu quả của mô hình chiếu sáng mới, nhưng bạn có thể lấy một bản sao miễn phí cho chính mình hoặc xem video này…

Bandying làm mát các cụm từ như thuật toán lấy mẫu ngẫu nhiên đa mức quan trọng và giảm phương sai , dự án nêu bật hai điều: trước hết, tính năng theo dõi đường dẫn trông thực sự thú vị và thứ hai, nó vẫn rất khó khăn đối với các nhà phát triển cũng như phần cứng. Nếu bạn muốn biết toán học phức tạp như thế nào, hãy đọc Chương 47 của Ray Tracing Gems II.

Nhưng trong khi những thứ như Quake II RTX cho thấy những gì có thể đạt được khi theo dõi mọi thứ, thì những thứ như Control và Cyberpunk 2077 chứng minh rằng đồ họa đáng kinh ngạc có thể đạt được thông qua việc kết hợp tất cả các phương pháp chiếu sáng và tạo bóng – rasterization và shader vẫn chiếm ưu thế, với phương pháp dò tia cho phản xạ và bóng tối.

Vì vậy, chúng tôi vẫn còn một chặng đường dài trước khi chúng tôi thấy tất cả các trò chơi được hiển thị không sử dụng gì ngoài theo dõi đường dẫn.

Mặc dù còn tương đối mới trong thế giới kết xuất thời gian thực, nhưng tính năng theo dõi đường dẫn chắc chắn sẽ tồn tại. Chúng tôi đã thấy kết quả trong một trò chơi và tính năng theo dõi đường dẫn đã được sử dụng nhiều trong các kết xuất ngoại tuyến, chẳng hạn như Blender, cũng như ngành công nghiệp điện ảnh, như Autodesk Arnold và RenderMan của Pixar.

Đọc thêm:  Trình phát phương tiện và định dạng video: Phân tích thời lượng pin chi tiết

Chưa có dấu hiệu nào cho thấy GPU sắp đạt đến bất kỳ loại giới hạn nào đối với sức mạnh tính toán tối đa của chúng, vì vậy, trong khi phương pháp dò tia, phương pháp truyền thống hoặc phương pháp dò đường, vẫn rất khắt khe, phần cứng mạnh hơn sẽ xuất hiện trên thị trường trong những năm tới.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Theo dõi đường dẫn so với theo dõi tia, giải thích

Tất cả điều đó có nghĩa là các nhà phát triển trò chơi trên PC trong tương lai chắc chắn sẽ khám phá bất kỳ kỹ thuật kết xuất nào tạo ra đồ họa tuyệt vời với hiệu suất có thể đạt được và tính năng theo dõi đường dẫn có khả năng làm được điều đó.

Có bảng điều khiển để xem xét, quá. Xbox Series X và PlayStation 5 đều cung cấp hỗ trợ dò tia ‘truyền thống’, nhưng do GPU của chúng sẽ tương đối lỗi thời chỉ sau vài năm nữa, các nhà phát triển sẽ tìm cách tận dụng mọi lối tắt có thể để vắt kiệt những cặn bã cuối cùng của tắt nguồn những chiếc máy đó trước khi chuyển sang thế hệ máy chơi game tiếp theo.

Vậy là bạn đã có – phương pháp dò đường, người anh em họ nhanh chóng của phương pháp dò tia. Trông gần như tốt, hoạt động nhanh hơn rất nhiều. Với những tiến bộ không ngừng của công nghệ và hiệu suất đồ họa máy tính gia đình và bảng điều khiển, sẽ không lâu nữa chúng ta sẽ thấy đồ họa máy tính từ những bộ phim bom tấn mới nhất trong các trò chơi yêu thích của mình.