Почему мы отказались от стандартных теней Unity для мобильных шутеров и вместо этого написали свои

Использование освещения и теней практически в любом игровом проекте добавляет реализма картинке и подчеркивает взаимное расположение объектов в сцене. Без них игры были бы скучными, безжизненными, было бы сложнее ориентироваться в игровом мире. Сегодня мы расскажем, как в геймдеве делаются тени — в реальном времени и статичные. В своих проектах War Robots и Dino Squad мы используем сразу несколько техник — им и уделим особое внимание.

В War Robots объекты в сцене — сами роботы и наполнение локаций — имеют более-менее сопоставимые размеры. Освещение в проекте статическое и не меняется на протяжении боя, а тени включены только для главного источника света. В связи с этим было решено использовать гибридное решение из теневой маски света (light shadow mask) от статических мешей и детализированной теневой карты (shadow map) на всех объектах, включая динамические.

В то же время одна из особенностей проекта Dino Squad — разница в масштабах диносов. При игре за маленького велоцираптора камера находится близко к террейну, а в случае с большим Ти-рексом — далеко от него. Отсюда родилась необходимость использовать каскадные тени, чтобы получить хорошую детализацию как вблизи, так и на расстоянии от камеры.

В Unity используются каскадные тени, которые работают по отложенной (deferred) схеме. Прежде всего формируются теневые карты — по одной на каждый каскад. Затем выполняется проход отрисовки глубины без шейдинга. После этого вычислительный шейдер восстанавливает по значениям глубины позицию и делает выборку из набора теневых карт, формируя полноэкранную черно-белую теневую маску. В проходе освещения эта маска используется для понимания того, где расположен фрагмент — в тени или на свету.

Таким образом, в тенях от Unity есть лишний проход рисования screen-space глубины, а также два переключения контекста: растеризации в вычислительный и обратно. Это хороший подход для отложенных рендереров (где, как правило, уже есть значение глубины), но не самое быстрое решение в прямых (forward) рендерерах для мобильных платформ. Нам же нужна была forward-реализация, когда тени получаются не в маске, а сразу во фрагментном шейдере.

Второе ограничение отложенных теней — теневая маска не позволяет рисовать тени за полупрозрачными объектами. У нас же при наложении различных эффектов динос становится прозрачным, и мы должны видеть тени сквозь него.

Еще одной особенностью при отрисовке теневых карт в Dino Squad и War Robots является то, что отсечение треугольников (triangle culling) меняется на обратное, и рисуются только задние стороны объектов (inverse culling). Эта особенность позволяет на раннем этапе отсекать 70% фрагментов, снижая объем экспорта данных в видеопамять при формировании теневых карт (shadow maps). Также отпадает необходимость подбора отступов и интервалов (depth offset/depth bias) для борьбы с такими нежелательными явлениями, как эффект Питера Пэна (peter-panning) и теневая рябь (shadow acne) на этапе отрисовки геометрии.

Взвесив все преимущества и недостатки встроенных теней Unity, мы решили сделать свою реализацию.

Теперь подробнее остановимся на используемых в проектах техниках и начнем с самой простой и доступной техники построения теней, а именно — с проекционных теней.

На картинке ниже можно заметить под роботом затененную область. Этот эффект достигается за счет проективного наложения текстуры, имитирующей затенение на поверхность под роботом. Текстура содержит концентрическую «плашку» с линейным увеличением прозрачности от центра к периферии. До перехода на Scriptable Rendering Pipeline (SRP) в Unity такие эффекты можно было сделать с помощью готового компонента Projector. Компонент определял объекты в сцене, которые затрагивались проектором, и накладывал на них проекционную текстуру. Слабым местом такого подхода являлась производительность: объекты, затронутые проектором, приходилось рисовать дважды. Отсутствие поддержки проекторов в SRP потребовало от нас разработки собственного решения.

Представим, что у нас есть некоторая текстура с рисунком (круглая тень), который необходимо наложить на произвольную рельефную трехмерную поверхность (террейн). В реальном мире для решения этой задачи мы могли бы использовать проектор (как в кинотеатре), отобразив с его помощью кадр с текстурой и направив изображение на неровный экран. В основе метода наложения проекционных текстур лежит именно этот принцип. Для более детальной информации можно обратиться к презентации NVIDIA.

В случае проекционных теней текстура с тенью и поверхность террейна представляют собой две несвязанных между собой системы координат. В каждой из этих систем элементы текстуры (тексели) и элементы поверхности (пиксели) имеют свои позиции в разных системах координат (texture space и screen space). Операция проецирования определяет взаимосвязь между текселем и пикселем и тем самым позволяет перенести цвет текселя из текстуры с тенью на соответствующий пиксель поверхности террейна.

В проекте War Robots наложение проекционных теней производится сразу при отрисовке объектов. Этот подход не требует предварительного отбора геометрии объектов, которые затрагиваются проектором, а также отдельного прохода для повторной отрисовки этой геометрии. В итоге такая реализация проекционных теней показывает хорошую производительность и довольно проста в реализации.

Когда еще в прошлом веке видеопроцессоры стали программируемыми, и появилась возможность чтения из отрисованных текстур, это открыло возможности для добавления новых динамических эффектов. Например, можно отрисовать модель черным цветом в белую текстуру, а затем наложить отрисованную текстуру таким образом, чтобы получилась проекционная тень. При этом сама тень за счет обновления на каждом кадре будет изменяться вместе с моделью на террейне. Однако такой подход сталкивается с проблемой просвета тени в другую сторону.

Чтобы этого избежать, в текстуру можно записывать значение глубины — расстояние от источника света до поверхности. Эта записанная глубина впоследствии сравнивается с расчетной в каждом фрагменте, и если она оказывается меньше — значит, соответствующая ей точка находится в тени.

Такая текстура называется картой глубины (depth map). При отрисовке сцены в карту глубины камера помещается в позицию источника света и ориентируется согласно его направлению. Для каждого текселя карты производится операция сравнения и записывается наименьшее значение глубины. Таким образом, темные пиксели в карте глубины условно находятся ближе к камере, а светлые — дальше. Белый цвет означает бесконечность, где ничего нет.

Работа рендера происходит в следующем порядке. Первым проходом формируется карта глубины как отдельная текстура. Во втором проходе при отрисовке объектов на экран проверяется расстояние каждой точки объекта до источника света. Если рассчитанное и выбранное из карты глубины расстояния совпадают — значит, пиксель не затенен. Если расстояние в карте глубины окажется меньше — значит, на пути до источника света есть препятствие, и пиксель находится в тени.

Так выглядит отдельно тень:

А так — вместе со светом:

Для формирования теневых карт требуется отдельный проход с отрисовкой почти всей сцены, что может привести к просадке производительности при выполнении вершинного шейдера (vertex shader) из-за большого количества геометрии. Именно с этим мы столкнулись на проекте War Robots. На скриншоте ниже представлена статистика кадра при рендеринге одной из сцен:

В этом кадре происходит обработка 437 тысяч треугольников. Здесь использованы два каскада теней, которые рисуются очень далеко с плавным переходом между каскадами на ближней и дальней дистанциях. Если для эксперимента полностью убрать тени, то в кадре будет обработана всего 221 тысяча треугольников — то есть, число в два раза меньшее:

Изначально тени в проекте War Robots обновлялись в реальном времени и включали два каскада теневых карт. Такая схема позволяла отображать тени на всей геометрии сцены, попавшей в кадр, и в то же время обеспечивала отчетливую границу между освещенной и затененной областями вблизи камеры. Этот подход требует обработки очень большого количества геометрии на каждом кадре, ведь сцены в War Robots Remastered довольно увесистые в плане геометрии. Учитывая, что на игровом уровне War Robots имеется только один основной глобальный источник света, который фиксирован и не меняется на протяжении боя (например, в проекте нет динамической смены времени суток), считать на каждом кадре два довольно дорогостоящих каскада от статического источника света не очень разумно.

В War Robots используются карты освещенности (light maps) — текстуры, содержащие рассчитанное заранее непрямое освещение (baked indirect lighting) на статических объектах. По аналогии с запеканием непрямого освещения можно запечь и теневую карту для неподвижной геометрии от того же источника света.

Пример карты освещенности, содержащей непрямое освещение (light map):

Также отдельной текстурой лежат заранее просчитанные тени (shadow mask):

Таким образом, в проекте War Robots для статических объектов в сцене на дальних дистанциях от камеры используются запеченные тени (shadow masks), а для теней от динамических и статических объектов вблизи камеры — по-прежнему теневые карты. В результате комбинации заранее рассчитанных теней (shadow masks) и обновляемых в реальном времени теней (shadow maps) получается достаточно хороший компромиссный вариант с визуальной точки зрения и просто отличный с точки зрения производительности.

Так выглядят запеченные тени:

Поскольку все сцены запекаются в статическую теневую маску размером 1k, разрешение получается очень низким. Зато даже на самых дальних объектах все равно есть какая-то тень.

Динамические тени выглядят более четко вблизи, но их не хватает на дальние объекты:

Увеличивая расстояние (зеленая область) мы потеряем в разрешении: сразу проявит себя алиасинг и другие проблемы.

Для борьбы с этим существует техника каскадных теней. Выглядит она следующим образом:

В зеленую область попадают динамические тени максимального разрешения. В красной области — динамические тени более низкого разрешения. Синяя область — заранее рассчитанная и запеченная в текстуру теневая маска от статических объектов.

Теневая карта каскадных теней реализована атласом, который выглядит следующим образом:

Левая часть соответствует зеленой области высокого разрешения. Правая — красной области более низкого разрешения. При вычислении тени для фрагмента в зависимости от расстояния до камеры выбирается значение из соответствующей части атласа. Затем оно смешивается со статической маской таким образом, чтобы переход был плавным и незаметным:

В конце аддитивно накладывается рассеянное освещение и получается уже финальная картинка:

В этой статье мы рассказали о наиболее распространенных техниках затенения, которые используются в 3D-играх и в частности — в наших собственных проектах. Разумеется, это далеко не все возможные способы, но самые базовые для понимания того, как производится рендеринг теней и освещения и как различные техники могут взаимодействовать между собой.

Авторы статьи: Павел Кирсанов, Роман Вишняков, Станислав Жучков