Артефакты освещения и вопросы к требованиям: разбор технического демо Unreal Engine 5 от Digital Foundry

Как работают основные системы движка.

В Digtal Foundry проанализировали техническое демо Unreal Engine 5, которое Epic Games показало 13 мая. Специалисты технического подразделения Eurogamer не только разобрали, как работают системы Lumen и Nanite, но и рассказали, в чём их кардинальные отличия от методов, которые используются в играх сейчас. Мы выбрали из материала главное.

Lumen — это версия системы отражённого освещения, не основанная на треугольниках. Отражённый свет распространяется по сцене после первого столкновения луча с поверхностью. Пожалуй, лучшую демонстрацию работы системы можно увидеть в начале демо, когда Lumen выключают, а затем включают, и свет тут же наполняет всё помещение.

Сейчас глобальное освещение статично, его делают с помощью карт освещения, которые получались в результате трассировки лучей. Эту информацию помещают в текстуры сцены, в результате чего свет получается полностью статичным.

Кроме того, это работает лишь с рассеянным светом, поэтому к зеркальным поверхностям вроде металла или воды нужно использовать другие подходы. В этих случаях чаще всего используются кубические карты, либо кубические карты, модифицированные отражениями экранного пространства.

Впрочем, создать динамическое глобальное освещение можно с помощью трассировки лучей, что было реализовано, например, в Metro: Exodus. Эта технология хороша с точки зрения конечного качества картинки, но она требует больших вычислительных ресурсов. Настолько, что даже консоли следующего поколения не смогут повсеместно использовать её.

Lumen может стать более «дешёвой» альтернативой рейтрейсингу при создании освещения. Она также способна воспроизводить отражённый свет даже от зеркальных поверхностей, но не требует слишком больших мощностей благодаря некоторым упрощениям.

Для отражения света от больших объектов в Lumen используются не треугольники, а воксели. Для объектов среднего размера используются Signed Distance Fields — немного упрощённые версии геометрии сцены. Маленькие предметы, в свою очередь, трассируются в экранном пространстве. Это экономит ресурсы GPU, но и порождает артефакты дисокклюзии.

Они схожи с теми, которые можно заметить в современных играх, использующих SSR, но проявляются не в зеркальных поверхностях, а в отражённом свете. Их можно увидеть при движении главной героини, когда она перестаёт заслонять собой другие объекты, а те начинаются освещаться.

Ещё один метод оптимизации — временное накопление. Его можно заметить при движении направленного света — отражённый следует за ним с задержкой в кадр.

Впрочем, несмотря на некоторые недочёты, ненаправленный свет в демо, по мнению Digital Foundry, выглядит хорошо.

Nanite — это форма микрополигонального рендеринга, которая призвана отобразить всю геометрию моделей на экране. Сейчас для игр создаются очень детализированные модели, которые могут сильно нагружать систему, если их просто поместить в игру.

Поэтому разработчики пользуются ретопологией — создают на основе выскополигонального объекта более простой, с меньшим количеством треугольников. Детали оригинальной модели при этом отправляются в специальную «текстуру», которая называется картой нормалей. Ей покрывают низкополигональный объект, чтобы тот выглядел так, будто на нём больше деталей, чем на самом деле.

Как правило разработчикам приходится создавать много вариантов одного и того же объекта или персонажа с более простой геометрией или картами нормалей более низкого разрешения — например, для тех случаев, когда модель находится далеко от игрока. При этом самую качественную можно увидеть исключительно в кат-сценах.

Всё это экономит ресурсы системы, но взамен игрок может заметить, как объекты становятся более детализированными по мере приближения к ним.

Тесселяция позволяет улучшить эффект. Суть её заключается в создании карт смещения (displacement maps), на которые вертикально экстраполируется геометрия.

Тесселяцию можно увидеть, например, в первой Star Wars: Battlefront. Кроме того, тесселяция позволяет «сгладить полигоны».

Однако у этого метода есть свои минусы. Тесселяция может чрезмерно «замостить» некоторые аспекты модели, а у карт смещения порой могут быть очень заметные грани.

Так, например, детали в Star Wars: Battlefront «вырастают» прямо из земли, а в Anthem поверхность разглаживается под ногами игрока. Это происходит из-за того, что карты смещения не содержат горизонтальных деталей.

Кроме того, тесселяция не позволяет, например, расположить камень на поверхности. Карты высот создадут градацию, из-за которой камень будто врастёт в землю, потому что текстуры растянутся по нему.

В Nanite же используются микрополигоны. Эта технология изначально не предназначалась для рендера в реальном времени и применялась, например в кино. В играх её по-прежнему нельзя встретить.

Суть в том, что микрополигоны позволяют миновать стадию лоуполи, взять высокодетализированную модель, добавить альбедо-текстуру в разрешении 8К с основным цветом модели, «металлическую» текстуру в 8К, а также тайловую детализированную карту нормалей — и поместить объект в игру.

При этом уровень детализации модели зависит от её размера и того, сколько места она занимает в кадре — он оказывается привязан к числу пикселей. Таким образом, LOD больше не будет меняться в зависимости от расстояния объекта от камеры, а земля больше не будет «кипеть», как при использовании тесселяции.

Детали столь качественных моделей будут смотреться нереалистично или исчезать вовсе, если их тени будут недостаточно точными. Такой диссонанс можно увидеть в Call of Duty: Modern Warfare, где у карт теней слишком низкое разрешение, чтобы «захватить» мелкие детали.

В техническом демо Unreal Engine 5 используется система виртуальных карт теней. Это значит, что разрешение тени, как и детализация объекта, зависит от разрешения экрана. Получаются очень точные с точки зрения геометрии, но резкие тени. Однако в Epic Games использовали шумоподавители, примерно такие же, которые используют с RTX, чтобы получить мягкие тени, которые становятся тем мягче, чем ближе источник света.

В теории Nаnite позволяет экономить время разработчиков, но пока, как считают в Digital Foundry, не очень ясно, как микрополигональный рендер будет сочетаться с геометрией, которая может деформироваться — например, с анимированными моделями персонажей.

Также остаётся вопрос, как будет происходить рендер волос и растительности. Трава, например, часто находится в движении, а каждый волос, как правило, меньше пикселя толщиной. Обычно они делаются с помощью прозрачных текстур на треугольниках, либо четырёхугольниках, крепящихся к модели.

Остаётся также вопрос производительности. Демо, запущенное на PlayStation 5, работало при 30 кадрах в секунду и в динамическом разрешении вплоть до 1440р. Это значит, что технология действительно может быть очень требовательной.

Более того, если уровень детализации будет расти вместе с разрешением, то увеличение разрешения станет ещё более ресурсоёмким, чем прежде. Вполне возможно, что для получения 60 FPS в техническом демо на PS5, разрешение пришлось бы уменьшить в половину.

GPU рендерит изображение «кусками» по четыре пикселя. В случае, если в таком блоке окажется всего один полигон, система попросту нерационально потратит ресурсы и время на обработку. И пока не известно, заготовлено ли что-то у Epic Games для решения этой проблемы.

#unrealengine #графика #epicgames