Декомпозиция света: как работает освещение в играх

Освещение в играх напрямую влияет на наше восприятие происходящего на экране — и даже может являться основой геймплея. Как и в реальном мире, это понятие комплексное, едва ли реализуемое при помощи одного метода.

Пожалуй, ближе всего к этому смогла приблизиться трассировка лучей — простая по своей концепции, но требовательная к вычислительным ресурсам системы. И та получила свое развитие в игровой индустрии сравнительно недавно, с началом эпохи RTX. А ведь геймдев развивается гораздо дольше — и к сегодняшнему дню разработан уже не один метод симуляции распространения света в игровой сцене.

О методах реализации глобального освещения в играх (которые мы, кстати, используем и в своих проектах) и о том, что это вообще такое — далее в статье.

Для лучшего понимания, из чего вообще состоит освещение в играх, разделим его на два этапа:

Именно непрямое освещение придает изображению большую реалистичность. На скриншоте ниже, например, показана сцена из Quake 2 RTX только с прямым освещением (слева) и с освещением ото всех источников сразу (справа).

Но его же и сложнее реализовать — при том сделать это хорошо.

Как уже упоминалось, лучше всего этой цели служит, конечно же, трассировка лучей. Суть ее заключается в следующем. Давайте представим, что на 3D-сцене расположена камера, имеющая конечное разрешение. Для получения трассировки лучей один из непосредственно лучей выстреливает из пикселя этой камеры в сцену и попадает в 3D-объект на ней. Этот объект с точки зрения пикселя можно закрасить, отследив больше лучей с этой точки. Например, с этого момента луч может продолжить движение в направлении источника света с целью выяснения, будет ли пиксель находиться в тени от этого источника света или на него воздействовать. Или другой луч также может быть отправлен в сцену и иметь в ней отражения и даже переотражения в зависимости от свойств материала объекта. Чтобы получить еще более точную информацию о цвете для этого пикселя, понадобится больше лучей и больше отражений — а значит, гораздо больше времени на вычисления.

Хотя сама по себе концепция трассировки лучей проста, эта технология очень ресурсозатратна: так, даже для игры 1997 года реализовать ее удалось лишь к 2019 году. Поэтому до недавнего времени игровая графика чаще всего рисовалась на экранах с помощью гораздо более быстрой техники — растеризации.

Проблема с растеризацией в том, что она на самом деле не про свет: это просто способ отрисовки трехмерных объектов на двумерном экране. Растеризация — это процесс, при котором трехмерный объект преобразуется в двухмерное изображение на основе перспективы с целью получения правильной геометрии без затенения на двумерном изображении.

По умолчанию она вообще не имитирует освещение и не особо этим занимается. А чтобы получить достоверное освещение и затенение объектов, требуются дополнительные проходы вычислений.

Как выглядит освещение при растеризации? Представьте источник света, помещенный в трехмерное пространство. Поверхность объектов в сцене затеняется в зависимости от их нормали и направления вектора света: таким образом, отдаленная от источника света часть объекта будет темнее, находящаяся ближе к свету — светлее. В данном случае речь идет только о прямом освещении: растеризация по умолчанию не отображает никаким образом непрямой свет.

Впрочем, несмотря на это, непрямое освещение в 3D-играх существует уже очень давно — иначе все бы они были похожи на Doom 3, где градации тени как таковой практически нет.

Ниже мы как раз рассмотрим — не исчерпывающий — список техник, при помощи которых в играх эмулируют непрямое освещение.

Первый метод, о котором мы поговорим, — lightmapping. Техника эта использовалась еще в оригинальном Quake II 1997 года и используется до сих пор даже в самых современных тайтлах — но, конечно, в более продвинутом и детализированном виде.

Заключается она в том, чтобы предварительно рассчитать информацию об освещении в игровой сцене и заложить ее в текстуру, которая впоследствии будет применяться к этой сцене. Таким образом, метод карт освещения избавляет игру от необходимости расчета освещения в реальном времени, что дает огромный выигрыш в производительности.

Впрочем, как и любая другая техника, она имеет ряд недостатков:

Техника все время улучшается и обрастает модернизациями, пытающимися решить перечисленные проблемы — но многое все равно упирается в необходимость освещения динамических объектов, и тогда на помощь приходят другие методы.

Техника IBL работает следующим образом: давайте представим, что шесть камер снимают одну и ту же сцену с одной и той же точки в шести разных направлениях, тем самым образуя кубическую карту (cube map).

Впоследствии этот куб можно преобразовать в сферу, которую затем можно применить к различным — в частности, глянцевым — поверхностям для получения непрямого освещения.

Шесть граней карты позволяют получить меняющиеся в зависимости от угла камеры отражения, захватывая в том числе и происходящее за пределами экрана. Техника уже довольно старая — используется в играх с начала 2000-ых. И, как обычно, имеет свои недостатки:

Наибольшее распространение эта техника получила, пожалуй, в гоночных симуляторах, которые используют кубические карты в реальном времени, закрепленные на модели автомобиля игрока. Это позволяет учитывать зеркальные и рассеянные отражения на протяжении всей трассы и адаптироваться к изменениям в окружающей среде, хотя и требует ряда оптимизаций — например, для таких карт обычно используется упрощенная версия сцены с более низким разрешением и/или FPS.

Эволюционное продолжение предыдущего метода, световые пробы предназначены для частичного решения проблем с видеопамятью и интерактивностью окружения. Упрощенно говоря, световые пробы (light probes) представляют собой зонд меньшего размера и с меньшим числом сторон, чем кубические карты — например, с четырьмя, а не шестью сторонами. То есть, идейно это та же кубическая карта, но более низкого разрешения и всего с несколькими битами цветовой информации.

Такие зонды можно размещать на уровне с разной плотностью либо равномерно в виде сеток, использовать для статического освещения и обновлять динамически.

Основное преимущество световых проб заключается в их размере. Из-за того, что они крайне малы, места в видеопамяти они занимают немного — а значит, их можно обновлять экономнее, чем в случае кубических карт. А также расставить куда большее количество таких зондов на уровне, благодаря чему освещение может оказаться даже более детальным, чем в случае с кубическими картами.

Однако и здесь есть свои минусы и компромиссы:

Как можно заметить, оговорка про использование дополнительных техник освещения звучала неоднократно: все эти методы вовсе не обязательно являются конкурирующими и взаимоисключающими — скорее наоборот, все чаще в современных играх используются их комбинации и различные улучшения. Например, мы уже раньше писали статью о том, как реализовали кастомные тени в своих проектах: предварительно рассчитанное освещение для статики — при помощи теневых карт, для динамической геометрии — зонды освещения.

Все это доказывает, что, сколько бы еще различных методов не было изобретено, рендеринг действительно правдоподобного непрямого освещения в реальном времени — сложная задача, требующая комплексных решений.