Четвертый блог разработчиков: Новые возможности графики Combat Arms

В первом дневнике про обновление графического движка, мы вкратце рассказали о некоторых новых графических улучшениях, которые вскоре будут добавлены в игру. Кроме того, мы заявляли, что большинство этих улучшений будут соответствовать уровню современных игровых движков, таких как Unity 5, Unreal 4 или CryEngine 3. Но что это на самом деле означает?

Прежде всего, мы хотим, чтобы вы понимали, что процесс обновления будет происходить постепенно и не все карты, персонажи, текстуры оружия и объектов будут обновлены сразу же. Большинство из них будут и дальше работать с текущими ресурсами игры, но со временем мы будем обновлять и их, чтобы придать Combat Arms действительно обновленный вид.

Стоит отметить, что применение многих из этих графических возможностей для работы на таком старом движке, в то же время, сохраняя обратную совместимость со старым графическим режимом и ресурсами, потребовало от нас очень много интересных и, местами, сумасшедших обходных решений, ограничиваясь возможностями DirectX 9. Это было очень весело!

Динамическое освещение и тени

Оригинальный движок Lithitech Jupiter имел ограниченную поддержку динамического освещения и теней, хотя то, что предлагалось движком, было достаточно передовым для той эпохи, в которой он был разработан. В основном в оригинальном графическом движке Lithtech Jupiter освещение и затенение были полностью статичными, что означает, что они предварительно вычисляются и сохраняются как текстура, которая используется при рендеринге геометрии карты. Тем не менее, даже статическое освещение в некоторых моментах позволяли ним создавать динамически освещаемые сцены на некоторых объектах, таких как, например, модели персонажей и оружия. Поскольку динамическое освещение использовало на объектах вершинный метод (per-vertex), различные дополнительные детали и выпуклости также должны были быть предварительно вычислены и запечены непосредственно на диффузных текстурах. А поскольку они запечены, они не могут динамически взаимодействовать с различными источниками света и часто не вписываются в условия освещения. Это делает картинку очень плоской и устаревшей на 2017 год.

Самое главное улучшение, которое мы смогли реализовать, это совместить как статическую геометрию карты, так и получение объектами полностью динамического освещения и теней. Динамическое освещение действительно позволяет отображать сцену с попиксельным освещением, отражениями, бликами, динамическими тенями и картой рельефа.

Хотя изначально ввести один динамический источник освещения было не так уж трудно, сложности возникли из-за необходимости одновременно поддерживать множество динамических источников света эффективным образом. Поддержка множества динамических источников света стала основной особенностью почти для каждого современного игрового движка. Единственный способ, с помощью которого движок Lithtech поддерживал рендеринг нескольких динамических источников света, состоял в том, чтобы существенно перерисовать всю сцену несколько раз, один раз для каждого источника света на карте. Это своего рода преувеличение, поскольку Lithtech способен кластеризовать геометрию карты в блоки, которые могут выполняться ограничивающей световой сферой, и только эти блоки карты нужно будет перерисовать. Но это по-прежнему предполагает высокую нагрузку на процессор, чтобы визуализировать сцену несколько раз и устанавливает еще больше ограничений на то, насколько сложна геометрия карты и сколько объектов может отображаться на экране одновременно.

Мы начали с того, что в начале только основной направленный солнечный свет был единственным динамическим источником света. Все остальные внутренние всенаправленные и точечные источники света оставили статичными. Но многие игровые локации в Combat Arms частично или полностью размещены в зданиях, поэтому разница между внутренним статическим и наружным динамическим освещением была слишком заметной.

Таким образом, для динамического освещения с использованием нескольких источников света необходимо было сделать большие изменения в том, как движок отображает сцену и обрабатывает сам свет. Для этого мы использовали технику рендеринга, известную как Отложенное освещение и затенение (Deferred Shading). Тема отложенного освещения и затенения может быть довольно обширной, и мы кратко упомянули об этом в первой публикации блога разработки. В принципе, оно позволяет перевести все динамическое освещение в область пост-процессного рендеринга, который полностью независим от сложности сцены и может практически полностью обрабатываться графическим процессором с очень небольшими нагрузками на центральный процессор.

С учетом всех этих оптимизаций мы смогли реализовать сложный физический шейдер освещения. Затем мы провели всестороннее тестирование этой модели освещения, сравнив ее с тем, как похожие сцены будут отображаться в других современных игровых движках, таких как Unity 5 и Unreal 4, а также с полностью прорисованными лучами сценами, создаваемыми с использованием профессионального автономного рендеринга. Мы ограничились только тем, что мы могли бы реализовать в реальном времени с современным графическим оборудованием, используя современные осветительные шейдеры. Результаты вполне сопоставимы с визуализацией лучей, основные различия заключаются в точности отражения и ослаблении освещения.

Новые динамические шейдеры освещения в Combat Arms:

Версия сцены с отслеживанием лучей:

Теневая карта

При реализации динамических теней перед нами стоял целый ряд задач, чтобы получить современное полностью динамическое затенение в Combat Arms. В оригинальном движке Lithtech большинство теней запекается в текстурах статического освещения, используемых при рендеринге геометрии карты. Вот почему не все объекты отбрасывают тени, особенно динамические объекты, потому что тень фиксирована и не может изменяться. Хотя у Lithtech и есть функция, позволяющая создавать динамические тени на определенных объектах, она практически не использовалась в Combat Arms. Кроме того, эта функция слишком сильно ограничена в области своего применения, а сами динамические объекты не могут получать тени.

В итоге мы решили использовать полностью динамические каскадные карты теней (CSM) для основного направленного источника света от солнца и частично динамическое решение для всенаправленных источников света и источников света с использованием заранее рассчитанной всенаправленной карты теней, которая может применяться как к геометрии мира, так и к динамическим объектам. Это похоже на то, как другие современные игровые движки обеспечивают динамическое затенение.

А вообще, что же такое Теневая карта? По сути, это очень хитрый трюк, который игры и программы для рендеринга используют для имитации динамического затенения с ускорением при помощи графического процессора. https://en.wikipedia.org/wiki/Shadow_mapping .

Алгоритм отображения теней в основном связан с необходимостью рендерить сцену с точки зрения источника света на текстуру, используя ее в качестве точки входа для пиксельного шейдера освещения, а затем, используя эту текстуру для вычисления графическим процессором, находится ли пиксель в тени или нет.

В игре текстура теневой карты выглядит так:

Обратите внимание, что на этой текстуре не 1, а 4 теневых карты. Каждая из этих теневых карт называется каскадом теневой карты. С увеличением расстояния до наблюдаемой поверхности используется больший каскад, но с более низким разрешением. Это позволяет теням простираться очень далеко, но по-прежнему вписываться в одну текстуру фиксированного размера. При этом тени рядом с наблюдателем будут обладать более высоким разрешением. Разрешение карты теней напрямую связано с тем, насколько резкими и точными могут быть тени.

Поскольку карта теней - это просто еще одна камера в сцене, она может динамически отображаться в режиме реального времени. Параметры качества тени будут влиять на разрешение текстуры теневой карты.

Вот как выглядит решение теневой карты при фильтрации.

Фильтрация карты теней

Использование только лишь карты теней само по себе может привести к очень жестким теням. И хотя иногда они при этом могут выглядеть хорошо, это не соответствует реальности.

В реальном мире тени не всегда жесткие или мягкие, они изменяются в зависимости от размера источника света и удаленности от освещаемого предмета. Примеры вы можете увидеть на фото:

Обратите внимание, как на этих фото тени становятся мягче при удалении от объектов, которые их отбрасывают. В большинстве других современных игр по-прежнему используется простейший метод фильтрации затенения, называемый Percentage Closer Filtering или PCF который применяет фиксированное значение твердости или мягкости ко всем теням.

Это скиншоты из вполне современных игр Doom и Overwatch показывают, как большинство игр делают простую теневую фильтрацию с использованием PCF.

Однако в Combat Arms мы решили реализовать более совершенную технологию фильтрации теней, которая будет более приближена к тому, что мы видим в реальной жизни. В игре мы симулируем это, используя разработанную NVidia технологию под названием Closer Soft Shadows (PCSS).

Хотя эта технология была представлена в далеком 2005 году, только сейчас графическое оборудование стало достаточно мощным, чтобы использовать этот метод, и современные игры лишь в последние годы начали интенсивно использовать его для фильтрации карты теней. На момент написания этого блога эта технология все еще недоступна в Unreal 4 или Unity 5. Хотя в техническом плане Unreal 4 предоставляет альтернативное решение, называемое функцией трассировки лучей на расстоянии, но она ограничена только разрешением статической геометрии для отбрасывания теней.

PCSS выключен:

PCSS Включен:

Тонкая фильтрация с помощью PCSS будет применяться при установке высоких настроек качества теней. Также, в настоящее время PCSS используется только для основного направленного солнечного света на всех уровнях качества. К сожалению, PCSS не совместим с аппаратной ускоренной теневой фильтрацией. Shader Model 3 DirectX 9 не поддерживает инструкции шейдера Gather4, которые обычно используются в пиксельных шейдерах DirectX 10 + / Shader Model 4+ для фильтрации карты теней. Из-за эксплуатационной нагрузки PCSS с использованием пиксельного шейдера Shader Model 3, используется сглаженная фильтрация для уменьшения нагрузки на GPU.

Всенаправленное отображение теней

С всенаправленными источниками света все немного сложнее. Так как они отбрасывают тени во все стороны, сделать для них карты теней не так то просто поскольку сцену нужно отображать с помощью какой-то 360°камеры. Обычно это связано с визуализацией сцены в нескольких направлениях от положения источника света. Однако сцену сложно масштабировать, когда таких источников света много. Поэтому для этого мы применили предварительно вычисленную карту теней, где она вычисляется только один раз, когда карта загружается вместо каждого кадра. Предварительно вычисленная карта теней может отбрасывать тени на динамические объекты в сцене, но динамические объекты внутри сцены не будут отбрасывать тени. Чтобы обойти это ограничение, используется собственная теневая функция для объектов из движка Lithtech, чтобы дать тени для объектов из заранее рассчитанных всенаправленных карт теней. Мы также комбинируем это с трассировкой Screen-Space Shadows, чтобы дать объектам подробные собственные тени и контактные тени.

Интересный пример, как теневая карта используется для проецирования всенаправленной карты теней в одну текстуру:

Здесь используется полностью 360°-проекционный метод, известный как сферическая параметризация октаэдра, или иногда он называется «октаэдровое картирование», где сфера отображается на одиночную текстуру, основанную на ее проекции на грани октаэдра.

Традиционно всенаправленные карты теней используют карту-куб, для которой требуется, по меньшей мере 6 различных текстур, чтобы представлять полную всенаправленную 360° карту теней, но с применением этой картографической проекции используется только 1 текстура. Этот метод также обеспечивает меньшие искажения, чем большинство других методов сферического 2D-проектирования, и в отличие от развернутой карты куба, он идеально вписывается в одну квадратную текстуру. Многие существующие в игре карты используют большое количество всенаправленных источников в качестве первичных источников света, и это позволяет многим им также поддерживать динамическое затенение в реальном времени.

Подводим итоги

Мы полагаем, что эта комбинация технологий освещения и затенения придаст игре вполне современный вид на 2017 год, а также что наши решения вполне конкурентоспособны с тем, что предлагают другие игровые движки на сегодняшний день. Хотя одних только этих изменений недостаточно, чтобы «осовременить» игру, нам еще предстоит большая работа по улучшению текстур и ресурсов, которые будут в полной мере использовать преимущества новых функций.

Конечно же, это не все изменения, это был просто углубленный взгляд на технические подробности о реализации динамического освещения и затенения в предстоящем обновлении Combat Arms. Кроме того, важно отметить, что показанные скриншоты были сделаны с использованием сборки с текущими ресурсами для демонстрации графических функций. Они могут не точно отражать окончательный уровень графики после выхода обновления.

Я должен также напомнить, что обновленные параметры графики являются необязательными, и вы сможете переключаться между версиями движков после выхода обновления. Мы разрабатываем эти графические улучшения, ориентируясь на возможности современных средних и высокопроизводительных графических аппаратов, актуальных на 2016 год. Мы хотим, чтобы движок игры мог в полной мере использовать возможности современных графических процессоров, чтобы обеспечить наилучшее качество картинки. Мы по-прежнему постоянно проводим бенчмаркинг и оптимизацию новых графических функций, но стоит быть готовыми к тому, что немного устаревшее или более дешевое оборудование сможет работать с новыми графическими опциями лишь с пониженными настройками или разрешением. Мы по-прежнему будем поддерживать старый графический движок, так что игроки с устаревшим или менее мощным оборудованием или же те, кто просто предпочитает классический стиль Combat Arms, смогут продолжать наслаждаться игрой, как и раньше.

С уважением, команда Combat Arms!