"Path tracing đẹp hơn ray tracing", nhưng khác biệt là gì?

Nói thẳng ra, path tracing cũng là một dạng ray tracing nhưng mức độ phức tạp cao hơn nhiều. Những phép toán để mô phỏng cách ánh sáng tương tác với vật thể trong thế giới ảo về cơ bản là giống hệt nhau. Tuy nhiên, khác biệt cơ bản giữa ray tracing và path tracing nằm ở chính tên gọi của hai kỹ thuật. Ray tracing dùng thuật toán theo dõi từng tia sáng ảo trong game, còn path tracing dùng thuật toán để tính đường đi của một nguồn sáng.

Số lượng đầu việc khi ứng dụng path tracing đối với chip xử lý ít hơn, vì GPU chỉ phải tính đường đi của ánh sáng để xử lý hiệu ứng, hiển thị hình ảnh, màu sắc, bóng đổ hoặc ánh sáng phản chiếu. Nhưng kỳ thực, nếu xét đến thế giới game, khối lượng công việc áp lên phần cứng khi dùng path tracing nặng hơn ray tracing nhiều.

Nếu xét đến kỹ thuật ray tracing cơ bản, thì có lẽ không có card đồ hoạ chơi game nào ở thời điểm hiện tại có thể vừa xử lý toàn bộ đường đi của ánh sáng, lại vừa đảm bảo tốc độ khung hình đủ mượt để chơi game.



Bắt đầu từ nguồn sáng, GPU sẽ phải tính toán đường đi của tia sáng, va phải vật thể và dội lại, tạo ra hàng loạt những chùm tia mới. Rồi sau đó GPU lại phải tính tiếp đường đi của những chùm tia sáng mới được tạo ra, kể cả cách chúng tương tác với môi trường để render ra những điểm ảnh chính xác về mặt màu sắc trên màn hình game. Cứ mỗi lần tia sáng va phải vật thể và bị dội sáng, một thuật toán vector mới sẽ được đưa ra để tính toán đường đi của ánh sáng.

Sẽ tới một lúc nào đó, lượng “ray” sẽ là quá nhiều và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng của chip xử lý, dẫn tới việc tốc độ khung hình bị giảm.

Vì lý do đó, hầu hết những game hỗ trợ ray tracing hiện tại đều chỉ áp dụng thuật toán mô phỏng hướng đi của một số lượng hạn chế nguồn tia sáng, vừa đủ để tạo ra cảnh game đẹp hơn so với việc đặt nguồn sáng theo kiểu thủ công hoặc áp dụng screen-space reflection. Đó là quá trình mà các hãng game phải tối ưu để tác phẩm của họ vừa đep vừa mượt.

Đó là lúc path tracing được ứng dụng. Hiện giờ công nghệ này đã được áp dụng rất rộng rãi cho ngành kỹ xảo điện ảnh, cơ bản vì không phải chịu áp lực render hàng chục hay hàng trăm khung hình mõi giây theo thời gian thực, mà những khung hình được xử lý bằng phần mềm rồi bỏ vào render farm để tạo ra từng khung hình đơn lẻ ở chất lượng rất cao, chờ render xong và ghép chúng lại để thành cảnh phim lồng kỹ xảo.



Khác biệt cơ bản của ray tracing so với path tracing, đó là thay vì phải tính toán chi tiết đường đi của từng tia sáng như ray tracing, GPU sẽ tính toán đường đi của một tia sáng duy nhất, bao gồm cả đường đi của những chùm tia được tạo ra trong quá trình ánh sáng tương tác với thế giới ảo, ví dụ như bị hắt lại, tạo ra bóng đổ hay hình phản chiếu, hoặc bị vật thể hấp thụ.

Nhờ đó, thay vì những cảnh game được tính toán một cách tuyến tính, thế giới ảo sẽ được mô tả chân thực hơn nhiều, nhưng lượng tia sáng mà GPU cần tính toán lại ít hơn.

Nói vậy không đồng nghĩa với việc path tracing sẽ nhẹ hơn ray tracing. Giải pháp này sẽ chỉ nhẹ hơn ray tracing với khối lượng tia sáng khổng lồ mà GPU phải tính toán. Còn trong thế giới game, để mô phỏng cách ánh sáng tương tác với môi trường, những nhân xử lý ray tracing vẫn là thứ được vận hành ở mức tối đa. Ở ví dụ cụ thể nhất là Portal RTX và Cyberpunk 2077 với cập nhật RT Overdrive sắp ra mắt, những card đồ hoạ cao cấp nhất của Nvidia như RTX 4080 hay 4090 cũng bị vắt kiệt sức.

Chính vì thế Nvidia cũng phải áp dụng hai giải pháp khác để đảm bảo game vừa mượt vừa đẹp. Thứ nhất là SER, viết tắt của Shader Execution Ordering, giải pháp tăng cường hiệu quả xử lý ray tracing trên GPU. Và thứ hai chính là DLSS 3, giải pháp ứng dụng nhân tensor và thuật toán deep learning để chèn những khung hình mới mà không cần tới sức mạnh của CPU, khiến game đảm bảo con số FPS anh em mong muốn.