Làm thế nào để tạo ra một game đồ họa 3D, khiến anh em mê mẩn vì quá đẹp?

Hiểu đơn giản, một phần rất lớn sức hút của một trò chơi trong mắt anh em chính là tác động từ cái nhìn đầu tiên, hay nói cách khác là vẻ đẹp của đồ họa tác phẩm ấy. Phải thẳng thắn thừa nhận rằng, cách chơi mới là thứ giữ chân anh em, nhưng khi chưa biết một chút gì về cách chơi cũng như mức độ giải trí và chiều sâu của lối chơi, thì hình ảnh vẫn là khía cạnh quan trọng nhất thu hút cộng đồng.

Từ những hình họa sprite 2D áp vào thế giới ảo của Super Mario Bros, cho tới những mô hình vật thể 3D với lớp áo texture phủ lên mô hình thô ở độ phân giải 4K, thậm chí còn cao hơn, hay những game indie với phong cách hình ảnh độc nhất vô nhị, khiến chúng trở thành những cái tên lạ của làng game, công nghệ hình ảnh của giải trí tương tác đã có bước phát triển rất xa chỉ trong vòng chưa đầy 50 năm. Phần cứng máy tính càng phát triển, thì các nhà làm game càng có đất diễn để tạo ra những tác phẩm xuất sắc về mặt nghe nhìn.



Để tạo ra một trò chơi đẹp, chúng ta không thể bắt đầu với việc chỉ đơn giản là để cho các nghệ sỹ đồ họa 3D tạo ra những mô hình không góc chết. Mọi thứ phải bắt đầu với định hướng mỹ thuật phác thảo ra trong quá trình lên ý tưởng phát triển một trò chơi. Lúc này, đạo diễn game, giám đốc sáng tạo, cùng trưởng các nhóm phụ trách mỹ thuật sẽ ngồi lại với nhau để tìm ra định hướng mỹ thuật của toàn bộ trò chơi. Quá trình này, giống hệt như những khía cạnh khác của một dự án phát triển game, ví dụ như cốt truyện, cách chơi hay âm thanh, việc xác định một cách cụ thể định hướng hình ảnh sẽ đóng vai trò quyết định trong việc tạo ra thành phẩm cuối cùng, hay trong một vài trường hợp, còn quyết định luôn cả việc trò chơi tốn bao nhiêu thời gian để hoàn thành.

Sở dĩ mình nói vậy là vì, sau khi có định hướng hình ảnh, dù có rõ ràng hay không, sẽ ảnh hưởng đến mọi giai đoạn phát triển từ khâu vẽ concept cho tới quy trình hoàn thiện từng mô hình vật thể trong game. Nếu định hướng không rõ ràng, giữa quá trình làm game đúng theo kiểu cuốn chiếu, không loại trừ khả năng đội ngũ phát triển sẽ phải làm lại hoặc làm mới rất nhiều asset từ con số 0. Asset là khái niệm mô tả mọi nội dung, tài sản trí tuệ được các nhân sự trong một nhóm phát triển tạo ra để làm một trò chơi, dù chúng có được dùng vào game hay không.

Đối với những tựa game lấy phong cách đồ họa chân thực, tức là cố gắng mô phỏng hình ảnh càng giống đời thật càng tốt, thì quá trình định hướng mỹ thuật còn bao gồm cả những chuyến đi thực tế để thu thập hình ảnh và video clip. Bước này được làm để các họa sỹ ở nhà có được ý tưởng cụ thể, hình dung ra họ muốn có những gì trong thế giới ảo, và cần những gì để tạo ra thế giới ảo ấy.

Lấy ví dụ God of War và Death Stranding, nhóm phát triển đã chu du tới tận Bắc Âu để lấy tư liệu thế giới thật. Hai tác phẩm với phong cách và bối cảnh gần như trái ngược nhau, một giả tưởng thần thoại, một khoa học viễn tưởng, nhưng đều có điểm chung, đó là thiên nhiên gần như chưa bị con người khai thác và phá hủy của vùng cao nguyên Iceland, từ những đồng bằng xanh rì cỏ non, đến những vách đá phủ kín rêu.




Một ví dụ khác là The Last of Us Part II. Các nghệ sĩ cũng phải đi thực địa, để qua đó tạo ra được thành phố Seattle hậu thảm họa, nơi thiên nhiên giành lại đất sống từ con người, tạo ra những tàn tích của nền văn minh đã mất hàng chục năm về trước. Kết quả là, trong game, từ những khu phố từng sầm uất, khu trung tâm thương mại, đến công viên thủy sinh bên bờ biển đều được khắc họa đầy ấn tượng, kết hợp với công nghệ cây cỏ đầy chi tiết cùng những hiệu ứng khác mà ngoài Naughty Dog ra, hiếm có hãng nào khác làm được.



Đấy là bước 1. Gọi đây là bước quan trọng nhất cũng không phải, vì theo mình, mọi nhiệm vụ của các mảng trong quá trình phát triển đồ họa đều quan trọng như nhau. Có điều như đã nói, định hướng tốt, cụ thể, rõ ràng, thì những bước sau này sẽ mượt mà, nhanh gọn hơn nhiều.

Sau khi đã có định hướng, cũng trong quá trình lên khung sườn nội dung trò chơi, các họa sỹ của studio sẽ bắt tay vào công đoạn vẽ concept art. Nội dung concept art rất đa dạng: Môi trường, khung cảnh, mô hình nhân vật, trang phục, trang bị, vũ khí, phương tiện, màn chơi,… Quy trình này cũng là một trong những bước biến trí tưởng tượng dần trở thành hiện thực, khi những bức concept art được phê duyệt sẽ là tiền đề để các khâu tiếp theo làm việc. Các khâu này bao gồm thiết kế mô hình 3D, thiết kế texture vật thể, và sau đó là thiết kế màn chơi, đặt những asset đó vào trong môi trường game engine để tạo ra thế giới ảo.



Cùng lúc, một đội khác gọi là storyboard artist sẽ làm việc với đạo diễn và biên kịch game để phác thảo những tấm hình vẽ mô tả cốt truyện hay những đoạn cắt cảnh của game. Quy trình này giống hệt như quá trình vẽ storyboard cho phim ảnh. Nhờ storyboard artist, đạo diễn game cùng những người chịu trách nhiệm phần điện ảnh của trò chơi sẽ biết nên chọn góc máy quay nào, nội dung từng đoạn cắt cảnh ra sao.

Với bước này, mình sẽ chọn Far Cry 6 làm ví dụ điển hình. Những tấm concept art được Ubisoft chia sẻ công khai trên Artstation nhìn rất mướt mắt. Có những thiết kế không được phê duyệt, còn những thiết kế được duyệt sẽ được chuyển sang cho các nhóm nghệ sĩ 2D, 3D, texture tiếp tục tác nghiệp:

Duyệt xong concept art, các họa sỹ 2D và 3D sẽ bắt tay vào làm việc. Lúc này, đội ngũ phát triển đồ họa sẽ ngồi “vẽ” từng asset cần có trong các màn chơi, theo yêu cầu của team leader. Những phần mềm quen thuộc như Maya, Max, Blender,… sẽ được ứng dụng ở mức tối đa để tạo ra những mô hình bao gồm hàng triệu đa giác kết nối với nhau. Lượng đa giác càng nhiều thì mô hình càng chi tiết, và dĩ nhiên, càng tạo ra gánh nặng lên CPU máy tính và máy chơi game của anh em, vì đó là phần cứng xử lý bộ khung đa giác của mọi chi tiết trong thế giới ảo. Card đồ họa sau đó mới xử lý đến texture đắp lên mô hình vật thể cũng như các hiệu ứng ánh sáng và post-processing.

Cũng vì lý do kể trên, ban đầu, các 3D Artist sẽ tạo ra những mô hình cực kỳ chi tiết, lượng đa giác cao hơn rất nhiều, dùng để làm phim cắt cảnh được render sẵn rồi xuất ra format video đưa vào bộ cài game. Còn phiên bản đa giác chất lượng thấp hơn sẽ dùng trong quá trình render real-time mỗi màn chơi. Đấy chính là lý do vì sao Unreal Engine 5 lúc ra mắt được khen ngợi hết lời, vì nó có hệ thống tự động nâng hoặc hạ chất lượng mô hình vật thể để phù hợp với yêu cầu của màn chơi cũng như của nhà phát triển, không phải làm việc đó bằng… cơm như trước nữa.





Những mô hình này, đôi khi, sẽ được các hãng game outsource sang các đơn vị không thuộc biên chế nhà phát hành để giảm tải khối lượng công việc của đội ngũ phát triển chính. Ấy vậy nên thỉnh thoảng chơi điện tử, anh em nán lại đến cuối, sẽ thấy tên của những anh chị em artist người Việt Nam đang làm việc tại Glass Egg Digital Media hiện lên.

Sau đó, đến lượt texture artist làm việc, tạo ra những lớp áo phủ lên các mô hình 3D đã được vẽ ở bước kể trên. Tương tự như số lượng mesh trong mỗi mô hình, texture độ phân giải càng cao, thì áp lực đè nặng lên GPU và bộ nhớ của GPU càng lớn. Vậy nên trong game trên PC, anh em hay có tùy chọn thay đổi độ nét và chất lượng của texture là vì thế. Thông thường, texture là những tệp tin dưới định dạng hình ảnh 2D, rất hiếm khi là 3D. Dưới dạng cơ bản, nhìn chúng tương đối kinh dị vì được thiết kế để “bọc” lên những mô hình lưới dạng 3D như trong hình trên. Nhưng khi áp texture lên mô hình 3D, thì đây là kết quả:



Tương tự với mô hình cây cỏ, xe cộ, nhà cửa và đường xá trong game.

Vậy tiếp đến là cử động và phim cắt cảnh. Làm thế nào để nhân vật trong game cử động “giống thật?” Đó là nhiệm vụ của anh chị em làm animator, với kinh nghiệm cơ bản không khác gì so với những nghệ sỹ làm phim hoạt hình. Họ sử dụng những phần mềm 3D để mô phỏng từng bộ phận trên cơ thể, chia mô hình mesh thành từng khu vực, sử dụng bộ khung xương cơ bản gọi là “rig” để điều khiển chuyển động. Những rig này có thể được lập trình bằng tay, hoặc bằng diễn viên motion capture nếu là những dự án lớn, tốn tiền phát triển. Nhờ bộ khung rig, các animator có thể giới hạn không gian chuyển động của từng bộ phận, để khi vào game, nhân vật anh em điều khiển không có những cử động quái dị, như kiểu khuỷu tay quặp ra phía sau lưng, chân gập về phía trước, hay đầu có thể xoay mấy vòng liền:



Sau khi đã có đầy đủ các asset từ môi trường, cảnh game, trang bị, xe cộ, v.v…, các chuyên gia level design sẽ bắt tay vào việc, đặt các asset ấy vào với nhau để tạo ra một màn chơi hấp dẫn và hợp lý. Nhưng đó lại là câu chuyện của một lần khác, vì hôm nay chúng ta chỉ bàn về đồ họa mà thôi.



Đối với những game thế giới mở, ngoại trừ những công trình hay chi tiết độc nhất, thường các hãng game sẽ ứng dụng khả năng tạo ra thế giới với chi tiết được dùng đi dùng lại, hoặc được xếp đặt ngẫu nhiên như cây cối, ngọn cỏ hay đất đá. Từ đó, quá trình stream nội dung dữ liệu đồ họa sẽ được giảm tải, giúp nhẹ gánh cho cả CPU lẫn GPU, đảm bảo tốc độ khung hình ưng ý mà game vẫn đẹp. Cùng lúc, "procedural generated world", khái niệm phát triển thế giới ảo theo thuật toán, cũng cho phép các nhà thiết kế game dễ thở hơn khi không phải đặt từng cái cây ngọn cỏ vào từng vị trí trên bản đồ. Chỉ cần viết thuật toán nói chỗ này có sông thì mặc định sẽ có cá, cùng những loài cây đặc hữu của khu vực đó, hoặc chỗ kia là núi đá, engine sẽ tự động đặt các asset tương ứng vào màn chơi. Giải pháp này được thực hiện rất hoàn hảo trong Horizon: Zero Dawn.



Cũng trong khoảng thời gian này, các lập trình viên và nghệ sỹ phụ trách mảng ánh sáng sẽ bắt đầu nghiên cứu ứng dụng những công nghệ đồ họa tân tiến nhất vào game, từ khử răng cưa, bóng đổ, hình ảnh phản chiếu, ánh sáng phản chiếu, những bộ lọc hình ảnh để giúp game có bộ cánh đồ họa bắt mắt nhất. Nếu chất lượng mô hình và bề mặt vật thể là “gỗ”, thì những công nghệ anti-aliasing và post-processing lại chính là “nước sơn” của một trò chơi. Một trong hai có chất lượng thấp, thì game khó lòng mà đẹp được.

Trước khi thế hệ card đồ họa RTX 20 series ra mắt với khả năng xử lý ray tracing theo thời gian thực, thì công nghệ ánh sáng trong game là cuộc thi đua xem studio nào có những lighting artist khét tiếng và đẳng cấp nhất. Họ sẽ tạo ra những nguồn sáng ảo ở tùy cảnh game, tùy thế giới ảo, rồi đặt ra quy luật để game tính toán đường đi của ánh sáng. Nhưng tới khi có ray tracing, thì global illumination trở thành một trong những tính năng đắt giá nhất trong mỗi trò chơi. Với tính năng này, ánh sáng trong thế giới ảo được phần cứng tính toán, hắt vào đâu, tán xạ ra đâu, chỗ nào phải có bóng đổ, chỗ nào phải có ánh sáng phản chiếu. Nvidia có một ví dụ minh họa rất ấn tượng cho giải pháp ray traced global illumination:



Còn trong bối cảnh của những tựa game cụ thể, cách xử lý ánh sáng cũng đóng một vai trò rất quan trọng trong việc đo đếm vẻ đẹp của mỗi cảnh game. Lấy ví dụ Far Cry 6 tiếp, hoàng hôn và ban ngày trông rất khác nhau, nhờ vào việc tính toán được đường đi của ánh sáng hắt qua từng kẽ lá, và tính toán vị trí của “mặt trời” ở thời điểm nào trong ngày. Anh em có thể thấy rõ hình trên, mặt trời sắp lặn, ánh sáng chiếu xiên, còn hình dưới khi mặt trời đứng bóng, tia sáng có đường đi rất khác:




Đấy là còn chưa kể đến khoản chi tiết phản chiếu trên những bề mặt bóng. Hiện tại đang có hai công nghệ tiêu biểu, ray traced reflection và screen space reflection. Screen space reflection không đòi hỏi phần cứng có những nhân chip riêng chỉ để xử lý ray tracing, nhưng bù lại nó tạo ra hai vấn đề. Thứ nhất là hình ảnh phản chiếu lúc nào cũng khiến bề mặt nền bóng lộn như mặt kính, vì giải pháp này cơ bản là tính toán hình ảnh đang hiện trên màn hình và tạo ra hình ảnh phản chiếu theo tính toán của lập trình viên. Thứ hai, đúng như tên gọi, nó chỉ phản chiếu được những gì xuất hiện và được render trên màn hình game của anh em, quay góc nhìn sang hướng khác, không còn thấy những chi tiết đó nữa, thì hình ảnh phản chiếu cũng biến mất. Đó là lúc ray-traced reflection trở thành tiêu chuẩn vàng của game ở thời điểm hiện tại.

Lấy ví dụ screen space reflection của Hitman 3, anh em có thể thấy rõ những chi tiết biến mất khi thay đổi góc nhìn, cụ thể ở đây là mấy chậu cây. Anh em cũng có thể thấy, sàn gỗ trông bóng lưỡng như bôi mỡ:




Còn trong khi đó, với ray-traced shadow/reflections trong Cyberpunk 2077, những chi tiết dù không hiện diện trên màn hình nhưng vẫn đổ bóng xuống vũng nước hay những bề mặt bóng:



Sau khi áp dụng công nghệ ánh sáng, đổ bóng, phản chiếu và khử răng cưa, đến lượt những bộ lọc hình ảnh được thêm thắt để tăng tính điện ảnh hoặc tăng vẻ đẹp cho game, giúp che giấu đi những khuyết điểm về đồ họa. Những bộ lọc này có thể là ambient occlusion, tính toán đường đi của tia sáng để những góc khuất tối dần một cách mịn màng chứ không thô kệch, hay tessellation, đắp nhiều lần dữ liệu texture lên nhau để tạo ra chiều sâu của bề mặt. Tessellation được dùng rất nhiều trong quá trình render bề mặt đường xá, giúp mô phỏng được sự gồ ghề của đường đất, hay những chi tiết rất nhỏ trên mặt đường nhựa. Lấy ví dụ tessellation và occlusion map ứng dụng trong Forza Horizon 4. Mặt đường đất trông không hề phẳng phiu, nhưng tác động của những công nghệ đồ họa kể trên đối với phần cứng là ở mức gần như tối thiểu, để dành tài nguyên cho quá trình thể hiện cảnh vật, thiên nhiên, nhà cửa và xe cộ:



Kết hợp giữa mô hình, bề mặt, ánh sáng và những hiệu ứng tối tân nhất của thế giới đồ họa vi tính, càng ngày game càng đẹp, và càng chạm tới ranh giới “giống như đời thật.” Nhưng có một phần quan trọng nhất, mức độ tương đồng ở chất lượng của mọi vật thể càng gần nhau, thì game càng tạo ra được sự đồng đều về mặt hình ảnh, và từ đó, cảm giác đồ họa càng đẹp.