3D-графика в играх: развитие и перспективы - THG.RU

Природа как образец

Геймеры обычно замечают серьёзные улучшения в 3D-графике каждые два или три года. Когда Microsoft привязывает новую версию DirectX к Windows, или когда AMD/Nvidia объявляют новые интересные функции графических процессоров (конечно, если разработчикам они покажутся не менее интересными), со временем можно вполне ожидать появления новых эффектов.

Такие знаковые игры, как Morrowind, Doom 3 и Far Cry стали известны благодаря знаменитым отражениям в воде, потрясающим эффектам освещения и достоверному миру острова. Самым существенным прорывом можно назвать разработку пиксельных шейдеров, которые сегодня обеспечивают движения волн воды, эффекты освещения на поверхностях и кинематографические эффекты, такие как размывание движения. Сегодня самые продвинутые эффекты обеспечиваются с помощью DirectX 10.1 и Shader 4; DirectX 11 и Shader Model 5 тоже объявлены, они должны дать следующий уровень реализма в играх.

Far Cry очень напоминает мир райского острова. Нажмите на картинку для увеличения.

Рендеринг с высоким динамическим диапазоном (High Dynamic Range Rendering, HDR-R) отвечает за яркие световые эффекты; искусственные 3D-источники света, создающие правдоподобные отражения на поверхностях; а также за ослепление и блики, если смотреть прямо на солнце. Пользователи видеокарт с Shader Model 3 были поражены сверкающими серебряными мечами и залитыми солнцем храмами из белого камня в Oblivion. Сегодня HDR-R с DirectX 10 позволяет вывести длинные лучи света, которые видны в Crysis или Stalker: Clear Sky; они пробиваются сквозь ветви и листья и создают чудесную игру теней.

Голливуд начал использовать подобный потенциал намного раньше, часто применяя специальные камеры, которые лучше захватывают интенсивность света, чтобы ближе подойти к восприятию человеческих глаз и мозга. На следующих страницах мы приведём множество визуальных сравнений между 3D-графикой и естественными природными эффектами, и всё это поможет нам наглядно продемонстрировать развитие и текущее состояние игр под ПК.

Статья состоит из двух частей. В первой мы обсудим развитие игр и персонажей, а также уделим внимание обзору современных эффектов освещения и эффектов глубины поверхностей. Вторая часть концентрируется на элементах огня и воды, в ней мы сравним голливудских монстров и специальные эффекты, поговорим о физике, а также сделаем некоторые прогнозы на будущее.

Эволюция игр

Стратегии реального времени (RTS) прошли через впечатляющее развитие. Графика, без сомнения, прогрессировала сильнее всего, хотя управление тоже постоянно улучшалось. Но в последние годы идеи и возможности топчутся на одном месте, создавая у многих геймеров впечатление, что раньше было лучше.

Warcraft победно прокатился по миру в 1994 году. Использовалась простая графика с одним углом обзора, к которой были добавлены фиксированные нарисованные тени, объекты при этом выглядели пластиковыми. В продолжении, вышедшем в 1995 году, графика была немного улучшена, но самой значимой переменой стало повышение разрешения, что позволило сделать пиксели менее заметными. Это был необходимый шаг вперёд, в частности, по удобству читаемости текста. Реальная 3D-графика тогда ещё не использовалась. Она впервые появилась в третьей части серии, которая вышла в 2002 году – сразу же замечаешь, что окружение и персонажи, как будто, упали в коробку с красками. Всё было чрезмерно окрашено и насыщенно, каждый эффект демонстрировался визуально. Магия и специальные возможности сопровождались эффектами освещения, игра повсюду сияла и светилась.

Внешний вид стратегий с 1994 по 2007 год. Нажмите на картинку для увеличения.

Дальнейшие продвижения в области стратегий реального времени немного сбавили яркие цвета, увеличили уровень детализации объектов и, в целом, привели к более естественному виду. Отдельных персонажей стало возможно отличать по обмундированию, можно приближать и удалять камеру, да и число войск значительно увеличилось. Однако для этого потребовался мощный CPU. Распределение персонажей на карте, расчёт искусственного интеллекта и управление увеличивающимся числом отдельных юнитов потребовало немалого количества вычислительных ресурсов. Да и современные видеокарты должны предоставлять достаточно ресурсов, чтобы с приемлемой скоростью отрисовывать эффекты шейдеров. Современные игры, такие как World in Conflict, ставят больший акцент на эффекты освещения, массивные взрывы, реалистичный дым, лучи солнца и массивные водяные поверхности.

3D-игры должны совершенствоваться быстрее, они должны становиться ближе к природе. Графика меняется довольно быстро благодаря новым эффектам шейдеров. Вода выглядит вполне реалистично, эффекты погоды и солнечного света становятся более естественными. Фильтр фильма в Mass Effect довольно спорен – несколько грубое зерно создаёт размытие, которое немного расфокусирует края и цвета. Это приводит к более реалистичному отображению окружения и людей, но не всем такое размытие нравится.

Игра Knights of the Old Republic наверняка оказала влияние на разработчиков Mass Effect. Нажмите на картинку для увеличения.

Освещение и ослепление

HDR-рендеринг стал самым важным шагом в освещении окружения; без эффекта сияния создать отражения на серебре и золоте практически невозможно. HDR-рендеринг размывает освещённые поверхности и сильные источники света. Солнце подсвечивает облака на небе, металлические объекты отражают свет. Голливуд тоже использует подобные эффекты, например, когда оператор направляет камеру напрямую на источник света, компьютерная графика ослепляет зрителя или создаёт специальные эффекты. Потенциал этого был понятен давно, и новые камеры захватывают природные эффекты HDR намного лучше, чем раньше.

HDR-рендеринг стал хорошей причиной перехода на DirectX 10. Нажмите на картинку для увеличения.

Эффект сияния может выглядеть совершенно иначе от одной игры к другой. В Oblivion разработчики получили лучшие результаты с золотом и серебром. Rainbow Six Las Vegas использует движок UT3 Engine с DirectX 10. Источники света и неоновые лампы ослепляют довольно неприятно, сцены выглядят молочными и чрезмерно яркими. Blacksite Area 51 (UT3 Engine) тоже слепит светом довольно активно, хотя в игре вы проведёте больше времени, путешествуя по пустыне, где практически нет чрезмерных источников освещения. Только Mass Effect, похоже, взял UT3 Engine под контроль. Эффект ослепления был снижен до приемлемого уровня. Assassins Creed (DirectX 10) тоже дала убедительные результаты. Солнце и свечи дают золотисто-жёлтое сияние, графика обладает практически фотографическим качеством.

Побочным эффектом прямого солнечного света являются блики в объективе, представляющие собой крошечные круги света в поле зрения. В старых играх солнце и эффекты ослепления рисовались на кадре и симулировались, как и фоновая графика. В новых играх круги света могут перемещаться по полю зрения, и даже проявляться, когда источник света медленно открывается объектом.

Блики связаны с отражением света в объективе. Нажмите на картинку для увеличения.

Light 2.0

Ещё одним эффектом HDR-рендеринга можно назвать отображение лучей, которые буквально протыкают тёмное окружение. В голливудских фильмах вы наверняка можете вспомнить пулевые отверстия в фанерных стенках, через которые свет пронзает помещение. Новое поколение игр DirectX 10 используют этот эффект, в частности, для усиления захода солнца. Если сияющий солнечный круг скрывается за деревьями или окном, то свет проникает через них в виде чётких лучей.

В DirectX 9 были возможны эффекты ослепления; DirectX 10 позволяет более точно прокладывать лучи. Нажмите на картинку для увеличения.

Особенность Crysis и Stalker: Clear Sky заключается в реалистичной смене дня и ночи, условия освещения меняются в зависимости от расположения солнца и игрока. Впрочем, подобный компьютерный эффект всё ещё не дотягивает до интенсивности фотографий или голливудских фильмов; ситуация должна улучшиться с новым поколением графических процессоров.

В Dark Messiah есть много уровней, в которых используются сложные эффекты освещения. Нажмите на картинку для увеличения.

Тени

Где есть свет, есть и тень. Чтобы объекты в освещённом окружении выглядели более реалистично, необходимы тени, причём они должны перемещаться вместе с источником света. Но включение теней почти всегда стоит немало ценной 3D-производительности, поэтому чем быстрее видеокарта, тем более изощрённые эффекты она может вывести без чрезмерного удара по производительности. В Oblivion было возможно вложить до 30% графической производительности только в тени на лицах, тени от травы и листвы.

Специальное использование источников света для подсветки ячеистых структур. Нажмите на картинку для увеличения.

Старые игры со стандартными тенями часто выводили тени в виде затемнённого кружка; объект всегда располагался в его центре независимо от освещения. В играх следующего поколения персонаж накладывался на поверхность подобно трафарету, причём часто использовалась упрощенная модель. Это вполне наглядно можно наблюдать в Morrowind, поскольку одежда полностью игнорируется, на поверхность накладывается голое тело.

Doom 3 стал небольшой революцией. Внезапно в игре появилось несколько источников света, таких как потолочные светильники или прожекторы, которые одновременно отбрасывают тени на стены, пол и потолок. По мере движения игрока и монстров, тени перемещаются, следуя фиксированным источникам света, становятся длиннее или короче. Чтобы пощекотать ваши нервы ещё сильнее, в игре есть подвешенные, мигающие и поворачивающиеся лампы, создающие подёргивающиеся и танцующие тени на стенах.

В DirectX 10 края теней мягче и более детальны. Нажмите на картинку для увеличения.

В современных играх используются мягкие тени, которые полностью накладывают шаблон персонажа с хорошей детализацией. В зависимости от положения солнца, тени персонажа и окружения становятся иногда длиннее, иногда короче. В Stalker или Crysis можно даже увидеть теневое изображение отдельных веток или листьев на полу. Даже если это звучит как простой графический трюк, он очень важен для восприятия в играх реального времени, поскольку позволяет более быстро реагировать на движения.

Контрастные тени давно уже не проблема; они становятся более интересными с мягкими границами. Нажмите на картинку для увеличения.

Развитие персонажей

На следующих иллюстрациях приведено развитие персонажей, с которыми вы делили компьютерное время за экраном. Начнём с 1997 года; Diablo можно считать знаковой игрой, поскольку в ней внешний вид персонажа менялся в зависимости от используемой брони или оружия. По 3D-графике Morrowind тоже стала важным шагом вперёд. Голый персонаж выглядит неказисто, но стоит надеть сложную и многосоставную броню, как уровень детализации меняется просто драматически. Есть обувь, рубашки, брюки, плащи, куртки, нарукавники, нагрудники, наплечники, шлемы, оружие и щиты.

Уровень детализации игр реального времени или приключенческих игр долго не мог сравниться. В 2004 году Half Life 2 установила новый стандарт выражений лица и анимации персонажей. Как раз в то время началась кампания nVidia по продвижению шейдеров, которые позволили создать реалистичные оттенки кожи и индивидуальные выражения лиц. В 2006 году стратегии и ролевые/приключенческие игры стали настолько детализованными, что даже вплотную приблизив камеру, вы вряд ли найдёте разницу между ними и настоящими 3D-играми.

Развитие персонажей между 1997 и 2008 годами. Нажмите на картинку для увеличения.

Будучи сиквелом Morrowind, Oblivion тоже стала знаковым событием в мире графики. Впервые в игре стал использоваться HDR-рендеринг (Shader Model 3), а броня и мечи стали действительно сиять. Сложность отрисовки лиц персонажа очень впечатлила; многие движки регулировки включали дополнительно индивидуальный разрез и цвет глаз, форму губ, подбородка, рта и головы, в результате чего герой мог стать различимым, с собственным лицом. Однако столь широкая регулировка опций в игре не приводила к какому-либо эффекту. В Oblivion можно играть только за себя в одиночку, а компьютерных персонажей (NPC) ваш внешний вид и лицо совершенно не интересуют.

Новые игры, подобно Hellgate London, должны выиграть от подобного усложнения, поскольку персонажи могут встречаться через Интернет, и здесь индивидуальная внешность отнюдь не помешает. Разница ограничена размером фигуры, волосами, цветом кожи и различным оснащением, которое позволяет персонажу выделиться среди толпы. Если вы посмотрите на развитие, которое произошло между играми Oblivion и Drakensang, то наверняка заметите современную ситуацию стагнации. Эффекты окружения развиваются, но детализация героев остаётся прежней.

На следующей иллюстрации показаны дополнительные персонажи и различия, которые даёт используемая модель освещения. В Doom 3 используется много света и теней, которые позволяют графике выглядеть более детально. Gothic 3 и Oblivion вышли на рынок в 2006 году. Но если Gothic 3 продолжила использовать старые эффекты bloom-освещения, Oblivion была основана на новом HDR-рендеринге, который выделяет блестящие участки и подсвечивает цветные поверхности более мягко и аккуратно. Переход на DirectX 10 можно видеть по играм Assassin’s Creed и Mass Effect. Улучшенный HDR-рендеринг (Shader 4) позволяет графике выглядеть более реалистично.

С правильным типом освещения персонажи выглядят более реалистично. Нажмите на картинку для увеличения.

Эффекты глубины и наложение неровностей (Bump Mapping)

Первым играм пришлось довольствоваться глобальным источником освещения, тени и структуры просто добавлялись к сцене. Эволюция 3D-графики дала объектам большее число деталей, а различные источники света дали дополнительные тени. Поскольку многие объекты по-прежнему делались из больших поверхностей, структуры подобные стеклу, листьям или песку просто накладывались в качестве плоской текстуры. Если чему-то, например, рельсам или камню, нужно было выйти за пределы плоскости, то их приходилось задавать на сцене как полноценные 3D-объекты.

Свет, тень и структура – всё это очень важно для реалистичности поверхностей. Нажмите на картинку для увеличения.

Попиксельное освещение позволяло симулировать структуру на поверхности. Песок получил волны, а стена из камня соответствующие неровности. В текстуре информация о высоте записывалась в виде шкалы яркости, которая переносилась на поверхность в виде теней.

Попиксельное освещение давало поверхности более гибкую структуру. Нажмите на картинку для увеличения.

Самая простая форма этой техники получила название карты неровностей (bump mapping), где информация о неровностях просто симулировалась. Поверхность оставалась гладкой, геометрия объекта на самом деле не менялась.

Космический корабль без карты неровностей (слева) и с картой неровностей (справа). Нажмите на картинку для увеличения.

Parallax Mapping и карты смещения (Displacement Mapping)

С появлением DirectX 9 технологии эффектов структуры (глубины) продолжали улучшаться. Техника parallax mapping использует модификацию текстурных координат, чтобы симулировать неровные поверхности. Впрочем, объекты и поверхности всё равно остаются гладкими и не изменяются.

Сдвиг в текстуре симулирует эффект глубины. Нажмите на картинку для увеличения.

В современных играх эффект parallax mapping проработан ещё лучше. Если вы посмотрите на поверхность, то структура будет очень детальной. Однако детализация текстуры зависит от освещения и от угла зрения. Чем меньше угол, тем меньше будет заметен эффект глубины.

При малых углах обзора трюк исчезает: неровности структуры только симулируются. Нажмите на картинку для увеличения.

С техникой steep parallax mapping эффект глубины структуры ещё более выражен по сравнению с обычной техникой parallax mapping. В Stalker: Clear Sky процедура была улучшена, однако, опять же, структура по-прежнему симулируется – при малых углах обзора неровности структуры исчезают.

Сравнение steep, parallax и bump mapping. Нажмите на картинку для увеличения.

Следующее поколение технологии – карты смещения (displacement mapping). С этой техникой поверхность получает соответствующую структуру, которая даже генерирует тени; неровности меняют и геометрию объекта. Угол обзора уже не важен, поскольку эффект глубины всегда заметен.

Parallax Mapping и карты смещения (Displacement Mapping)

Шар с bump mapping (слева) и с displacement mapping (справа).

Растительность, деревья и лес

С появлением GeForce 256 задачи трансформации и освещения перешли под ответственность графического чипа. До этого расчёты выполнялись на CPU. Более быстрые видеокарты, как предполагалось, должны увеличить уровень детализации и число 3D-объектов.

Эта сложная структура листвы рассчитывается видеокартой. Нажмите на картинку для увеличения.

В 3D-игре требуется намного больше одного дерева, состоящего из настоящих листьев, хотя даже самые современные игры продолжают использовать трюки. Чтобы вычислительная нагрузка была как можно меньше, только грубые структуры, такие как ствол дерева, толстые ветви или основной каркас куста создаются как реальные объекты. Трава, камыш, листья и ветки являются текстурами, то есть окрашенными поверхностями, симулирующими пышную растительность. Это позволяет нарисовать полноценный лес, но ни листья, ни ветви не будут реагировать на касание – игрок будет проходить сквозь них так, как будто их не существует. Если игра не такая сложная, то листва и кусты даже не обеспечивают возможность скрыться за ними от противника, хотя через них вы ничего не видите.

Стволы деревьев и толстые ветки являются 3D-объектами: трава, листья и камыш – просто симуляция в виде текстур. Нажмите на картинку для увеличения.

В старых играх лес состоял из нескольких расставленных деревьев. Только недавно, в Far Cry и Crysis, стало возможным создавать впечатление непроходимых джунглей с пышной растительностью, расположенной без какого-либо порядка. Oblivion можно модернизировать с помощью Qarls Texture Pack, которая превращает однообразный ландшафт в более насыщенный, богатый и живой. 3D-игры по-прежнему не могут достичь уровня детализации природы; даже в Голливуде результаты трюков лучше. На левой картинке можно видеть деревья после цифровой обработки, это можно заметить по чуть более светлым оттенкам.

Лес на ПК улучшился значительно; в Crysis растительность расположена уже без какого-либо порядка. Нажмите на картинку для увеличения.

Может ли быть лучше?

Несколько скриншотов Crysis и Far Cry 2 довольно интересны. Левая верхняя картинка из Crysis стандартна – в режиме DirectX 10 освещение немного слепит, цвета не такие проработанные. Правая верхняя картинка, скорее всего, была сделана с Natural Mod: цвета и освещение подобраны лучше, общее впечатление намного сильнее. Справа внизу приведён официальный скриншот от производителя. Если даже он был взят с эффектом размывания движения, интенсивность цветов и насыщенный зелёный цвет прозрачных листьев в реальной игре не наблюдаются, даже на видеокартах HD 4870 или GTX 280.

Сравнение скриншотов: Crysis с Natural Mod и официальный скриншот. Нажмите на картинку для увеличения.

Что касается Far Cry 2, то существуют разные версии одной и той же игры. Самая крупная картинка, вероятна, была получена на Xbox, 3D-графика вполне достоверная. Маленькая картинка в середине соответствует версии ПК: есть небольшая расфокусировка, эффекты освещения создают лёгкий туман. Две картинки справа, опять же, являются официальными скриншотами производителя. На них можно видеть, что интенсивность лучей света очень глубокая, детали на земле выглядят лучше, структура скал реалистичная, а сложные деревья и кустарники просто впечатляют.

Сравнение скриншота Far Cry 2 с версией для ПК и официальными скриншотами. Нажмите на картинку для увеличения.

Эволюция строений

Благодаря более быстрым видеокартам и качественным текстурам, уровень детализации строений существенно улучшился. В первых 3D-играх дома, стены из камня и туннели выглядели плоскими, неравномерность структур создавалась простой отрисовкой. По мере увеличения вычислительной мощности, в играх появлялось всё больше встроенных структур; интерьеры и архитектуры становились более сложными, число ниш, углов, столбов, выступов и колонн быстро возрастало. В современных играх можно видеть более сложные строения, которые выглядят всё более реалистично. Конечно, игры для ПК всё ещё не могут конкурировать с Голливудом. Даже созданные компьютером строения в фильмах намного более детальны.

Эволюция строений в играх ПК. Нажмите на картинку для увеличения.

Города – дело совершенно иное. Разработчикам игр сегодня вполне по силам создать иллюзию небольшого городка. Однако большинство строений будут лишь ширмой – дом с четырьмя стенами и крышей, но без интерьера. Чтобы геймер не потерялся, есть два метода: Morrowind, Gothic и Oblivion позволяют геймеру входить почти во все дома, но число строений небольшое, даже в городах. GTA, Assassin’s Creed и Half Life 2 симулируют большой город, но входить можно только в строения, важные для игры. Всё остальное лишь ширма.

Крупные города на ПК – всего лишь ширма; войти можно будет лишь в небольшое число строений. Нажмите на картинку для увеличения.

Недостаточно высоко

Потрескавшуюся краску и ржавые участки тоже можно хорошо симулировать, но вот с масштабами дело обстоит не так легко. Игровые разработчики не мыслят масштабно, поэтому редко, когда строения, в которые можно войти, достигают по высоте трёх этажей. Всегда есть страх расстояний: в многопользовательских шутерах люди теряются, дальность оружия слишком мала, а видимая область на ПК ограничена либо 3D-производительностью, либо другими ограничениями видеокарты.

Строения графически прорисованы хорошо, но они могли бы быть выше и больше. Нажмите на картинку для увеличения.

Техника

Реалистичность гонок издавна упиралась в вычислительную мощность. Часто использовались такие трюки, как уменьшенная детализация окружения, размытые текстуры и ограниченная дальность видимости с помощью тумана. В последнее время такие трюки уже стали ненужными, поскольку 3D-производительность компьютерных систем уже вполне достаточная для вывода улицы, по которой проходит трасса, с такой же детализацией, что и сама машина. Теперь в гонки добавились эффекты скорости, отражения и различные модели повреждений. Вряд ли удивительно, что художники сконцентрируются больше на машинах, которые выглядят реалистично как никогда.