Cha đẻ của thuật toán Phong Shading người Việt

Giới đồ họa có lẽ không ai là không quen thuộc với thuật ngữ “Phong shading”. Đây là một kỹ thuật đổ bóng cho hình ảnh được tạo trên máy tính, giúp hình ảnh có tính chất ba chiều sát với thực tế. Về căn bản, “Phong shading” là một thuật toán giúp chuyển các nguyên lý quang học như phản xạ và tán xạ thành một công thức để máy tính có thể mô phỏng yếu tố tự nhiên trong môi trường giả lập. Đây là thuật toán tiên phong trong lĩnh vực đồ họa điện toán mà nếu không có nó, những chương trình nặng ký hiện nay như 3D Max, Maya, Cinema 4D, RenderMan... chưa chắc sẽ tồn tại.

Nhà khoa học bí ẩn

Bùi Tường Phong có lẽ là một trong những nhân tài có lý lịch bí ẩn nhất trong kỷ nguyên số. Hầu hết tài liệu tìm được về ông chỉ nhắc về quãng thời gian ngắn ngủi ông học và bảo vệ luận án tiến sĩ tại ĐH Utah, Mỹ. Bản thân những tài liệu trên cũng nằm trong kho lưu trữ của ĐH Utah. Trong một vài ghi chép khan hiếm cần được kiểm chứng, Bùi Tường Phong sinh ra ở Hà Nội năm 1942 và học tại Lycée Albert Sarraut (tiền thân Trường Trần Phú), sau đó theo gia đình di cư vào Sài Gòn năm 1954 rồi tiếp tục theo học tại Lycée Jean Jacques Rousseau (nay là Lê Quý Đôn).

Sau một thời gian học tại Pháp từ năm 1964 ở Grenoble (tỉnh Isère) và Toulouse, ông lấy bằng kỹ sư (Diplôme d’Ingénieur - một bằng lớn được cấp bởi những trường Grandes École với việc tuyển sinh đầu vào khá gắt) và tham gia nghiên cứu hệ điều hành cho máy tính. Xin lưu ý rằng những năm 1960 là thuở “hồng hoang” của máy điện toán, chỉ những lab lớn mới có điều kiện để kỹ sư nghiên cứu phát triển và phần lớn nhân loại còn không biết “hệ điều hành” là gì. Năm 1971, ông sang Mỹ tiếp tục sự nghiệp học vấn và từ đây những gì ông để lại mới được ghi chép cẩn thận.

ĐH Utah là một trong những ngôi trường tiên phong trong khoa học điện toán (computer science) trên toàn thế giới. Ngành điện toán của đại học này là nơi sản sinh ra hàng loạt nhân tài cho các hãng đồ họa hạng nhất như Pixar, Adobe, Silicon Graphics và đặc biệt là Công ty Evans & Sutherland vốn được khai sáng bởi hai cựu giáo sư của trường là David Evans và Ivan Sutherland. Ivan Sutherland cũng chính là người thầy dẫn dắt nhóm sinh viên trong đó có những tên tuổi xuất chúng như Jim Clark (người sau này sáng lập ra Silicon Graphics), Robert McDermott (người sau này lưu lại ĐH Utah để giảng dạy và đặt nền móng cho thế hệ đồ họa sau), Raphael Rom (người gốc Israel, sau này giảng dạy tại Technion - ĐH Công nghệ Israel) và tất nhiên là Bùi Tường Phong.

Bốn chàng sinh viên và chiếc Volkswagen

Theo lời kể của Robert McDermott trên chuyên mục mang tên ông - “Robert Remembers” của tạp chí ngành khoa học điện toán The Utah Teapot thuộc Trường ĐH Utah (số ra năm 2003), vào năm 1972, giáo sư phụ trách Ivan Sutherland đã giao cho bộ tứ này một bài tập: Tạo ra mô hình đồ họa trên máy tính của một vật thể thật ngoài đời, làm sao để nhìn vào là nhận ra ngay vật thể đó là gì. Mọi người lúc đó đều không nghĩ rằng bài tập này sẽ góp phần làm thay đổi cả thế giới điện toán.

Cả nhóm quyết định chọn chiếc xe con bọ Volkswagen để dựng mô hình trên máy tính, vì theo họ đây là một vật mang đầy tính biểu tượng và cũng vì vợ của người thầy Ivan - cô Marsha sở hữu chiếc xe này, rất thuận tiện cho cả nhóm mượn để đo đạc. Quá trình đo đạc của nhóm khá vui nhộn: Robert và Jim vốn cao to nên đo phần mái xe trở xuống, Raphael và Tường Phong vốn nhỏ người nên đo phần sàn xe trở lên. Họ phân chiếc xe ra thành những điểm và hình đa giác, giúp cho việc nhập số liệu vào máy tính dễ dàng hơn. Bốn chàng trai vẽ thẳng lên xe để đánh dấu các phần, trong một tiến trình mà theo lời kể của Robert là “chậm chạp và chán chết được”. Cô Marsha tốt bụng không lấy làm phiền mà còn lái xe bát phố với đầy đường kẻ trên xe.

Thuật toán của Phong

Trong bài luận mang tên “Illumination for Computer Generated Pictures” (tạm dịch: “Nguyên lý ánh sáng cho hình ảnh được trích xuất bởi máy tính”. Ở đây tác giả chơi chữ vì “illumination” còn có thể hiểu là “sự khai sáng”), Bùi Tường Phong đã dẫn dắt vấn đề như sau:

“... Trong việc hoàn thiện chất lượng của hình ảnh được tổng hợp, chúng ta không mong rằng hình ảnh được trình bày sẽ hoàn toàn chính xác với vật thể ngoài đời thực, có màu sắc và chất liệu, có bóng... Chúng ta chỉ hy vọng có thể diễn đạt hình ảnh cho gần với vật thể thật, đủ gần để cho thấy một mức độ thực tế nhất định. Việc này yêu cầu phải có sự am hiểu về những yếu tố căn bản của hệ thống thị giác con người...”.

Với phương châm đó, Bùi Tường Phong đã nghiên cứu các hiện tượng quang học để từ đó có thể viết ra một phương trình kiểu mẫu. Những khó khăn mà ông gặp phải và cần giải quyết bao gồm hiệu ứng Mach band, sự cân bằng giữa số lượng đa giác và chất lượng hình ảnh sao cho không làm quá tải bộ nhớ rất có hạn của máy tính thời đó, các phản xạ và tán xạ ở đường cong, nhận biết các phần bị che của mô hình. Trong môi trường giả lập, thuật toán dùng để làm mất những phần bị che của mô hình cũng quan trọng không kém thuật toán dùng để vẽ nên những phần được thấy. Một hình khối 3D chỉ được xem là hoàn thiện khi có thể xoay 360o mà không gặp lỗi hình học.

Từ đó ông cho ra công thức mô hình đổ bóng. Việc đi đến một công thức là bước quan trọng nhất của bất cứ nghiên cứu điện toán nào. Một ví dụ nhỏ cho thấy ảnh hưởng của một thuật toán: Cùng một hãng phim hoạt hình nhưng bộ phim ra đời năm 2016 có chất lượng một trời một vực với bộ phim ra đời năm 2006. Trong thế giới game, sự chênh lệch này còn rõ rệt hơn. Sự tiến bộ trong chất lượng hình ảnh chỉ có 30% là do máy móc tối tân hơn, 70% là do người ta tiếp tục hoàn thiện các thuật toán. Thuật toán của Phong có thể coi là nền tảng cho hàng trăm thuật toán đồ họa khác phát triển.

Thiên tài đoản mệnh

Sau khi nhận bằng tiến sĩ năm 1973 với đề tài nghiên cứu chia ra ba mục chính: nguyên lý đổ bóng (Phong shading), mô hình phản chiếu (reflection model) và phương pháp nội suy (interpolation), Bùi Tường Phong được ĐH Utah mời làm thành viên nghiên cứu trọn đời (tenure). Cũng trong thời gian này ông bị chẩn đoán mắc bệnh máu trắng (leukaemia). Ông được ĐH Stanford mời làm giảng viên năm 1975. Trong cùng năm đó, ông ra đi.

Trên website của Chuyên ngành Điện toán (School of Computing) của ĐH Utah, Bùi Tường Phong nằm trong danh sách 25 nhân vật ưu tú (distinguished faculty and alumni) từ lúc chuyên ngành thành lập đến giờ. Cuộc đời ông dừng lại ở tuổi 33 nhưng thành tựu của Bùi Tường Phong là mãi mãi. Tên ông vĩnh viễn là một thuật ngữ khoa học.

Nguồn: VŨ QUANG DUY (Seatle)