Ray Tracing là một kỹ thuật trong đồ họa máy tính, kỹ thuật này nhằm mục đích phục vụ cho quá trình đồ họa. Vậy quy định về Ray Tracing là gì, công nghệ Ray Tracing có gì đột phá được quy định như thế nào?
Mục lục bài viết
1. Ray Tracing là gì?
Ray Tracing hay còn gọi là dò tia, trong đồ họa máy tính 3D, dò tia là một kỹ thuật để mô hình hóa sự vận chuyển ánh sáng để sử dụng trong nhiều thuật toán kết xuất khác nhau để tạo ra hình ảnh kỹ thuật số.
Dựa trên phổ chi phí tính toán và độ trung thực của hình ảnh, các kỹ thuật kết xuất dựa trên dấu vết tia từ đúc tia, dò tia đệ quy, dò tia phân bố, ánh xạ photon đến dò đường thường chậm hơn và độ trung thực cao hơn các phương pháp kết xuất đường quét. Do đó, dò tia lần đầu tiên được triển khai trong các ứng dụng có thể chịu được thời gian kết xuất tương đối lâu, chẳng hạn như trong các hình ảnh tĩnh do máy tính tạo ra và các hiệu ứng hình ảnh phim và truyền hình (VFX), nhưng ít phù hợp hơn với các ứng dụng thời gian thực như như trò chơi điện tử, trong đó tốc độ rất quan trọng trong việc hiển thị từng khung hình.
Tuy nhiên, kể từ năm 2018, khả năng tăng tốc phần cứng để theo dõi tia thời gian thực đã trở thành tiêu chuẩn trên các cạc đồ họa thương mại mới và các API đồ họa cũng theo đó, cho phép các nhà phát triển sử dụng tính năng theo dõi tia lai và kết xuất dựa trên rasterization trong trò chơi và các ứng dụng thời gian thực khác với số lần truy cập ít hơn so với thời gian kết xuất khung hình.
2. Công nghệ Ray Tracing có gì đột phá:
Ray tracing có khả năng mô phỏng một loạt các hiệu ứng quang học, chẳng hạn như phản xạ, khúc xạ, bóng mềm, tán xạ, độ sâu trường ảnh, chuyển động mờ, tụ quang, hiện tượng tắc và phân tán xung quanh (chẳng hạn như quang sai màu). Nó cũng có thể được sử dụng để theo dõi đường đi của sóng âm thanh theo kiểu tương tự như sóng ánh sáng, làm cho nó trở thành một lựa chọn khả thi cho thiết kế âm thanh nhập vai hơn trong trò chơi điện tử bằng cách hiển thị âm vang và tiếng vang trung thực. Trên thực tế, bất kỳ hiện tượng sóng hoặc hạt vật lý nào có chuyển động thẳng đều có thể được mô phỏng bằng phương pháp dò tia.
Các kỹ thuật kết xuất dựa trên dấu vết tia liên quan đến việc lấy mẫu ánh sáng trên một miền tạo ra các hiện vật nhiễu hình ảnh có thể được giải quyết bằng cách truy tìm một số lượng rất lớn các tia hoặc sử dụng các kỹ thuật làm nhiễu.
Ý tưởng về truy tìm tia có từ đầu thế kỷ 16 khi nó được mô tả bởi Albrecht Dürer, người được ghi nhận cho phát minh của nó. Trong Bốn cuốn sách về đo lường, ông đã mô tả một thiết bị gọi là cửa Dürer sử dụng một sợi chỉ gắn vào đầu bút stylus mà một trợ lý di chuyển dọc theo các đường viền của đối tượng để vẽ. Sợi chỉ đi qua khung cửa và sau đó xuyên qua một cái móc trên tường. Sợi chỉ tạo thành tia và móc đóng vai trò là tâm của phép chiếu và tương ứng với vị trí camera trong dò tia.
Sử dụng máy tính để dò tia để tạo ra các bức ảnh bóng mờ lần đầu tiên được Arthur Appel thực hiện vào năm 1968. Appel sử dụng tính năng dò tia để có tầm nhìn chính (xác định bề mặt gần nhất với máy ảnh tại mỗi điểm ảnh) và truy tìm các tia thứ cấp tới nguồn sáng từ mỗi điểm được tô bóng để xác định xem điểm đó có bị bóng mờ hay không.
Sau đó, vào năm 1971, Goldstein và Nagel của MAGI (Tập đoàn ứng dụng toán học, Inc.) đã xuất bản “Mô phỏng hình ảnh 3-D”, trong đó dò tia được sử dụng để tạo ảnh bóng mờ của chất rắn bằng cách mô phỏng ngược lại quá trình chụp ảnh. Họ chiếu một tia qua từng phần tử hình ảnh (pixel) trên màn hình vào cảnh để xác định bề mặt nhìn thấy. Bề mặt đầu tiên được giao bởi tia là bề mặt nhìn thấy được. Thuật toán kết xuất dựa trên dấu vết tia không đệ quy này ngày nay được gọi là “đúc tia”. Tại giao điểm bề mặt tia sáng được tìm thấy, họ đã tính bề mặt bình thường và khi biết vị trí của nguồn sáng, họ sẽ tính độ sáng của pixel trên màn hình. Ấn phẩm của họ mô tả một đoạn phim ngắn (30 giây) “được làm bằng phần cứng màn hình của Đại học Maryland được trang bị máy ảnh 16mm. Phim cho thấy chiếc trực thăng và một ụ súng đơn giản trên mặt đất. Máy bay trực thăng được lập trình để trải qua một loạt các thao tác bao gồm quay đầu, cất cánh và hạ cánh, v.v., cho đến khi cuối cùng nó bị bắn hạ và bị rơi ”. Một máy tính CDC 6600 đã được sử dụng. MAGI đã sản xuất một video hoạt hình có tên MAGI / SynthaVision Sampler vào năm 1974.
Một trường hợp sơ khai khác của việc đúc tia là vào năm 1976, khi Scott Roth tạo ra một hoạt hình sách lật trong khóa học đồ họa máy tính của Bob Sproull tại Caltech. Các trang được quét được hiển thị dưới dạng video ở bên phải. Chương trình máy tính của Roth ghi nhận một điểm cạnh tại một vị trí pixel nếu tia này giao với mặt phẳng giới hạn khác với mặt phẳng lân cận của nó. Tất nhiên, một tia có thể cắt nhiều mặt phẳng trong không gian, nhưng chỉ điểm bề mặt gần máy ảnh nhất được ghi nhận là có thể nhìn thấy được. Các cạnh bị lởm chởm vì chỉ có độ phân giải thô mới phù hợp với sức mạnh tính toán của DEC PDP-10 chia sẻ thời gian được sử dụng. “Thiết bị đầu cuối” là một màn hình ống lưu trữ Tektronix cho văn bản và đồ họa. Được gắn vào màn hình là một máy in sẽ tạo ra hình ảnh của màn hình trên giấy cuộn nhiệt. Roth đã mở rộng khuôn khổ, giới thiệu thuật ngữ đúc tia trong bối cảnh đồ họa máy tính và mô hình rắn, và sau đó xuất bản công việc của mình khi làm việc tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu GM.
Turner Whitted là người đầu tiên chỉ ra dấu vết tia đệ quy cho phản xạ gương và cho sự khúc xạ xuyên qua các vật thể trong mờ, với góc được xác định bởi chỉ số khúc xạ của vật rắn và sử dụng tính năng dò tia để khử răng cưa. Whitted cũng cho thấy các bóng theo vết tia. Ông đã sản xuất một bộ phim truy tìm tia đệ quy có tên là The Compleat Angler vào năm 1979 khi còn là một kỹ sư tại Bell Labs. Thuật toán truy tìm tia đệ quy sâu sắc của Whitted đã hạn chế việc kết xuất chủ yếu là vấn đề xác định khả năng hiển thị bề mặt thành vấn đề vận chuyển ánh sáng. Bài báo của ông đã truyền cảm hứng cho một loạt các công trình tiếp theo của những người khác bao gồm theo dõi tia phân phối và cuối cùng là truy tìm đường dẫn không thiên vị, cung cấp khung phương trình kết xuất cho phép hình ảnh do máy tính tạo ra trung thực với thực tế.
Trong nhiều thập kỷ, khả năng chiếu sáng toàn cầu trong các bộ phim lớn sử dụng hình ảnh do máy tính tạo ra đã bị làm giả bằng đèn bổ sung. Kết xuất dựa trên dấu vết của tia cuối cùng đã thay đổi điều đó bằng cách cho phép vận chuyển ánh sáng dựa trên vật lý. Các bộ phim truyện ban đầu được dựng hoàn toàn bằng cách sử dụng tính năng dò đường bao gồm Ngôi nhà quái vật (2006), Cloudy with a Chance of Meatballs (2009) và Đại học quái vật (2013).
3. Tổng quan về thuật toán Công nghệ Ray Tracing:
Truy tìm tia quang học mô tả một phương pháp tạo ra hình ảnh trực quan được xây dựng trong môi trường đồ họa máy tính 3D, với hiệu ứng quang học nhiều hơn so với kỹ thuật đúc tia hoặc kết xuất đường quét. Nó hoạt động bằng cách lần theo một đường đi từ mắt tưởng tượng qua từng pixel trên màn hình ảo và tính toán màu sắc của đối tượng có thể nhìn thấy qua đó.
Các cảnh trong dò tia được mô tả bằng toán học bởi một lập trình viên hoặc một nghệ sĩ thị giác (thường sử dụng các công cụ trung gian). Cảnh cũng có thể kết hợp dữ liệu từ hình ảnh và mô hình được chụp bằng các phương tiện như chụp ảnh kỹ thuật số.
Thông thường, mỗi tia phải được kiểm tra xem có giao nhau với một số tập hợp con của tất cả các đối tượng trong cảnh hay không. Khi đối tượng gần nhất đã được xác định, thuật toán sẽ ước tính ánh sáng tới tại điểm giao nhau, kiểm tra đặc tính vật chất của đối tượng và kết hợp thông tin này để tính toán màu cuối cùng của pixel. Các thuật toán chiếu sáng nhất định và các vật liệu phản chiếu hoặc trong mờ có thể yêu cầu nhiều tia hơn được chiếu lại vào cảnh.
Thoạt đầu, nó có vẻ phản trực giác hoặc “lạc hậu” khi gửi tia ra khỏi máy ảnh, thay vì vào nó (như ánh sáng thực tế vẫn làm trong thực tế), nhưng làm như vậy thì nhiều cấp độ sẽ hiệu quả hơn. Vì phần lớn các tia sáng từ một nguồn sáng nhất định không chiếu thẳng vào mắt người xem, mô phỏng “chuyển tiếp” có thể lãng phí một lượng lớn tính toán trên các đường đi ánh sáng không bao giờ được ghi lại.
Do đó, lối tắt được thực hiện trong dò tia là giả định trước rằng một tia nhất định giao với khung xem. Sau khi có số lượng phản xạ tối đa hoặc một tia đi một khoảng cách nhất định mà không có giao điểm, tia sẽ ngừng truyền và giá trị của pixel được cập nhật.
