Nanite Tessellation: Khi Epic Games mang phép nội suy hình học động vào Unreal Engine 5

Nanite Tessellation — còn gọi là Nanite Dynamic Tessellation hay Nanite Dynamic Displacement — là tính năng lớn tiếp theo mà đội ngũ Epic Games phát triển sau chính Nanite. Quá trình thử nghiệm ban đầu bắt đầu từ năm 2020, chỉ vài tháng sau khi Nanite được công bố lần đầu trước công chúng, khi Unreal Engine 5 thậm chí còn chưa phát hành cho khách hàng.

Sau vài năm đưa Nanite vào các dự án thực tế và thêm vài năm phát triển nữa, Nanite Tessellation cuối cùng đã ra mắt trong UE 5.4 vào năm 2024. Bài viết này là phần đầu tiên trong loạt bài phân tích chi tiết về công nghệ đằng sau tính năng đó.

Minh họa Nanite Tessellation trong Unreal Engine 5

Nanite Tessellation là gì?

Đây là một hệ thống nội suy động (dynamic tessellation) các mesh và dịch chuyển (displacement) chúng. Nguồn dịch chuyển đến từ một shader graph được dựng trong trình biên tập material của UE. Quá trình nội suy này diễn ra bổ sung cho những gì Nanite đã cung cấp sẵn.

Quy trình xử lý gồm ba giai đoạn chính:

• Patches — các mảng hình học gốc
• Diced triangles — các tam giác được chia nhỏ
• Final pixels — điểm ảnh cuối cùng sau khi dịch chuyển

Tính năng này từng được trình diễn tại GDC trong tựa game Marvel 1943: Rise of Hydra, cho thấy mức độ chi tiết hình học có thể đạt được khi kết hợp Nanite với displacement map.

Vì sao cần khuếch đại hình học khi đã có Nanite?

Câu hỏi đặt ra khá hợp lý: nếu Nanite đã giải quyết vấn đề hình học ảo hóa (virtualized geometry) rồi, tại sao lại cần thêm hệ thống nội suy?

Tác giả bài viết từng lập luận rằng các phương pháp khuếch đại (amplification) không đủ tốt cho bài toán hình học ảo hóa nói chung. Ông không đổi ý. Lập luận cốt lõi là: các phương pháp khuếch đại không phải giải pháp đa dụng cho mọi trường hợp. Chúng không thể thay đổi genus (số lỗ) của một bề mặt. Do đó, một phương pháp đơn giản hóa (simplification) vẫn luôn cần thiết.

Nói cách khác, nếu đã có pipeline đơn giản hóa, ta hoàn toàn có thể tổng hợp, chia nhỏ, nội suy hoặc dịch chuyển mesh ngoại tuyến (offline) rồi để bước đơn giản hóa rút gọn lại. Cách này bỏ qua vấn đề dung lượng lưu trữ, nhưng cho thấy đây là hướng tiếp cận đa dụng hơn.

So sánh dung lượng lưu trữ giữa mesh đa giác cao và mesh đa giác thấp kèm bản đồ normal và displacement

Vậy Nanite hiện tại đã làm được điều đó và rất ấn tượng — nó là thứ đúng đắn để ưu tiên phát triển trước. Nhưng việc một giải pháp đủ đa dụng để dùng cho các trường hợp khác không có nghĩa nó là tối ưu cho những trường hợp đó.

Bài toán nén dữ liệu

Lưu toàn bộ cấu trúc liên kết (topology) của một mesh bất quy tắc bao phủ mọi trường hợp, nhưng rất tốn kém. Lưu từng vị trí trên bề mặt dưới dạng điểm 3D đầy đủ kèm bộ thuộc tính hoàn chỉnh cũng rất tốn kém. Dù đội ngũ cố gắng nén dữ liệu tối đa, không gì hiệu quả bằng việc không phải lưu dữ liệu đó ngay từ đầu.

Các trường dịch chuyển vô hướng (scalar displacement fields) — dù do nghệ sĩ tạo thủ công hay thu được bằng cách chiếu một bề mặt chi tiết lên bề mặt đơn giản hơn — có dung lượng nhỏ hơn nhiều. Chỉ 1 giá trị so với 5 giá trị trở lên cho mỗi điểm.

Thêm nữa, việc nén dữ liệu 2D có quy luật (tức là hình ảnh) gắn với nhận thức thị giác con người đã được nghiên cứu kỹ lưỡng và hiểu rõ hơn nhiều so với nén hình học 3D.

Procedural texturing — vũ khí nén dữ liệu tối thượng

Còn có cách nén dữ liệu hiệu quả hơn cả displacement map: procedural texturing.

Khái niệm này không chỉ gói gọn trong các hàm toán học như nhiễu Perlin. Ngay cả việc lặp texture đơn giản cũng là một dạng procedural texturing. Nhưng khi đã có shader tham gia — nơi nhiều texture được trộn và biến đổi — thì ta thực sự bước vào lãnh địa procedural.

Dạng đơn giản nhất là detail texturing: một tín hiệu tần số cao hơn nhiều có thể được biểu diễn mà không cần lưu trữ tường minh. Nhìn ở góc độ tĩnh, tỷ lệ nén có thể cao hơn bất kỳ phương pháp nào khác.

Lưu trữ mọi vị trí trên bề mặt dưới dạng điểm 3D đầy đủ kèm bộ thuộc tính hoàn chỉnh rất tốn kém. Chúng tôi cố nén tối đa, nhưng không gì hiệu quả bằng việc không phải lưu dữ liệu đó ngay từ đầu.

Giá trị vượt ra ngoài nén dữ liệu

Ngoài khả năng nén dữ liệu, sinh nội dung procedural (procedural content generation) còn là công cụ tiết kiệm thời gian cực kỳ hiệu quả cho nghệ sĩ. Nó có thể tái sử dụng, động và có thể làm hoạt hình.

• Tái sử dụng: một loại material cơ sở như tuyết có thể được tạo một lần rồi áp dụng cho nhiều bề mặt
• Động: cùng một asset có thể tích tụ tuyết theo thời gian bằng cách đổi tham số shader, cho đến những hiệu ứng hoạt hình đầy đủ như dòng dung nham chảy

Displacement map cực kỳ phổ biến trong ngành điện ảnh, và lý do chính không phải nén dữ liệu mà là công cụ hỗ trợ (tooling). Dù có thể nói rằng các công cụ DCC (Digital Content Creation) nên được cải thiện để bắt kịp Nanite, thực tế không thể thay đổi toàn bộ chúng trong một sớm một chiều.

Ngay cả khi mọi ứng dụng đều được tối ưu để làm việc tốt hơn với mesh đa giác cao, thì texture 2D luôn đơn giản hơn một cách cố hữu, và displacement map cũng vậy.

Displacement map trong điện ảnh giúp tách biệt công việc của rigger và nhà điêu khắc

Ứng dụng trong hoạt hình nhân vật

Trong điện ảnh, displacement map còn hỗ trợ hoạt hình. Với một nhân vật, lồng cơ sở (base cage) có thể được rig và biến dạng. Lồng biến dạng đó sau đó được chia nhỏ mượt mà và dịch chuyển để có chi tiết cuối cùng.

Cách này đơn giản hóa công việc của rigger và animator, đồng thời tách biệt họ ở một mức độ nào đó khỏi nhà điêu khắc — người có thể tỉ mỉ tạc từng vảy rồng riêng lẻ.

Trường hợp đặc thù của game: khả năng mở rộng

Trường hợp sử dụng cuối cùng đặc thù cho game là khả năng mở rộng (scalability). Đây là yếu tố quan trọng với Fortnite cũng như các game vẫn phải hỗ trợ nền tảng yếu, không đủ sức chạy pipeline Nanite.

Có thể dễ dàng sinh mesh dự phòng đa giác thấp bằng chính thuật toán đơn giản hóa mesh của Nanite. Nhưng cái đủ tốt ở khoảng cách xa chưa chắc đủ tốt ở cự ly gần. Nghệ thuật mô hình hóa đa giác thấp thường là vấn đề trừu tượng hóa hình dạng, và nghệ sĩ khó tính hơn nhiều với kết quả thu được.

Họ còn di chuyển chi tiết giữa các miền — từ mesh sang texture — đòi hỏi sự tham gia của các asset khác mà rất khó hoặc không thể tự động hóa một cách đáng tin cậy. Vì những lý do này, khi cần dải mở rộng lớn như với Fortnite, đội ngũ nghệ thuật thấy thoải mái hơn khi tạo asset cho mức thấp hoặc trung bình rồi khuếch đại lên, thay vì tạo ở mức cao rồi đơn giản hóa xuống.

Điều này có ý nghĩa gì với cộng đồng nhà phát triển Việt Nam?

Với các studio game Việt Nam đang ngày càng tiếp cận Unreal Engine 5 cho các dự án quy mô lớn, Nanite Tessellation mở ra cơ hội tối ưu hóa quy trình sản xuất đáng kể. Thay vì phải tạo mesh đa giác siêu cao cho từng chi tiết nhỏ, đội ngũ có thể:

• Tạo mesh cơ sở gọn nhẹ và dùng shader procedurally để sinh chi tiết
• Tái sử dụng material phức tạp cho nhiều asset khác nhau
• Duy trì được khả năng mở rộng cho các thiết bị cấu hình thấp mà không phải đánh đổi chất lượng ở cự ly gần

Đây là hướng đi đặc biệt phù hợp với các dự án game mobile và PC tầm trung — nơi dung lượng tải xuống và yêu cầu cấu hình luôn là mối quan tâm hàng đầu.