Коллега поделился этой историей о его первой игре на PS5 - он скачал God of War и только начал играть в начальную последовательность, когда его отец, который оказался, воскликнул: «Почему они снимают фильмы Больше, когда игры выглядят такими реалистичными?.”

God of War (2018) выглядит потрясающе, но это не совсем фотореалистично. Тем не менее, реакция отца нашего коллеги предполагает, что сегодняшние крупные игры могут, возможно, перейти к живым действиям неподготовленным глазам - ясно, что игры прошли очень долгий путь от первых 3D -титулов конца 1990 -х годов. 

В этом блоге мы разберемся с основными вехами в разработке 3D-игровой графики, которая развилась от очень основных и примитивных эффектов до почти фотореалистичных визуальных эффектов, которые мы наслаждаемся сегодня. Мы обсудим появление настоящих 3D -игр, а затем углубимся в развитие того, как производятся 3D -игры - или как разработчики продолжали подталкивать конверт, чтобы игры выглядели все более реалистичным, захватывающим и правдоподобным. 

До появления True 3D, такие игры, как Doom (1993) и его многочисленные клоны, подделали иллюзию 3D с использованием 2D -объектов. Огромный успех и технические инновации Doom вскоре привели к полным 3D -играм - разработчики с осознанием осознавали, что геймеры хотят настоящие 3D -названия и непрерывно работали, чтобы создать такой опыт, разработав и используя новые игровые двигатели.

Пришествие и рост 3D игр

3D Gaming выступила не только на то, что разработчики стремились создавать двигатели с 3D-способностями-производители оборудования придумали первые настоящие видеокарты, и разработчики игр для Nintendo 64 (1996) и Sony PlayStation (1994) пытались Чтобы сделать настоящие 3D -игры, которые достигли бы основной аудитории. Все эти факторы сговорились, чтобы сделать 3D -игры выдающимися к концу 1990 -х годов. 

Аппаратное ускорение достигает потребителей

Аппаратное ускорение - это процесс, с помощью которого определенные рабочие нагрузки разгружаются на специализированное оборудование, способное к параллельной обработке, что может выполнять эти требовательные задачи более эффективно, чем программное приложение, работающее на ЦП.

Ранние видеокарты были разработаны для поддержки аппаратного ускорения для рендеринга видеоигр, и одной из первых успешных карт этого типа была Voodoo 1, сделанная компанией 3DFX и запущен в конце 1996 года. К концу 1997 года это была самая популярная карта среди разработчиков и потребителей, хотя 3DFX вскоре снизился с восхождением на NVIDIA, что купит 3DFX Interactive в 2000 году.

Технические пионеры начинают делать настоящие 3D -игры

Первые 3D -игры стали результатом непрерывной инновации горсткой блестящих программистов в ID Software и Epic Games. В ID Джон Кармак возглавил создание Quake Engine в 1996 году, в котором в реальном времени было 3D-рендеринг и поддержку для 3D-аппаратного ускорения. Двигатель использовал карты статического света для стационарных объектов и окружающей среды, в то время как движущиеся тела, такие как персонаж игрока и враги, имели динамические шейдеры. Тим Суини из Epic Games ввел 3D -графические эффекты, намного опережая свое время с его нереальным двигателем, который использовал умные уловки, чтобы имитировать мягкие тени, объемный туман, динамическое освещение и многое другое. 

Консоли 5-го поколения и основные 3D-игры

Достижения были не только ограничены аппаратными и играми ПК - консоли также дали серьезный толчок к появлению игр с 3D -графикой. Аппаратная архитектура Nintendo 64, основанные на настоящих 3D -играх, таких как Super Mario 64 (1996) и «Легенда о Zelda: Ocarina of Time» (1998), и у PlayStation также были великолепные 3D -игры, такие как Gran Turismo (1997), гоночная игра который использует полные 3D -среды. Как и Nintendo 64, PlayStation использовала пользовательское оборудование для получения возможным 3D -графикой и огромный успех PlayStation, первую консоль, которая продала более 100 миллионов единиц, выдвинула 3D -игры в основной поток.

К концу 1990 -х годов как ПК, так и консоли были способны поддерживать 3D -игры, и произошел решающий сдвиг в сторону 3D -игры. Следующая задача состояла в том, чтобы такие игры выглядели как можно более реалистичным. И Кармак, и Суини экспериментировали с различными методами рендеринга, чтобы их блочные 3D -игры выглядели более реалистичными, но эти названия далеко от того, что мы видим сегодня. С конца 1990 -х годов разработчики продолжали продвигать 3D -игру в сторону фотореализма, и это усилия продолжается по сей день. Этот блог, следовательно, является историей достижений в 3D-рендеринге-он заканчивается трассировкой лучей в реальном времени, но только время покажет, какие разработчики новых игр Avenues изучат. 

Как развивалась игровая графика в отношении реализма

Когда разработчики стремятся к фотореализму, они используют каждый инструмент в своем распоряжении для его достижения. В следующих разделах мы обсуждаем ключевые инновации в игровой графике и то, как каждый из них резко увеличил реализм 3D -рендеринга.

Нормальное отображение - детализация оптимизированных игровых моделей

Каждая трехмерная модель (или сетка) в игре состоит из треугольников и, как правило, проходила несколько итераций оптимизации, чтобы уменьшить его «полицитинг», я.E, количество треугольников (или многоугольников). На стадии проектирования, однако, модели с высоким полицейским, содержащим много деталей, создаются с использованием 3D-инструментов дизайна, таких как Max, Maya, Zbrush и другие. Такие модели с высоким разрешением могут содержать более миллиона многоугольников и просто не могут быть развернуты в игре-рендерератор задыхается-но их детали необходимы для того, чтобы сделать сцену правдоподобной. Именно здесь происходит нормальное отображение-через процесс, известный как выпечка, деталь модели высокого разрешения передается на «карту» (короткий растровый карту), или текстуру, которую игровой двигатель может использовать, чтобы дать оптимизированную модель Иллюзия деталей. Такие нормальные карты могут также убедительно имитировать, как модель с высоким полигоном будет реагировать на освещение, что способствует иллюзии, которую вы видите подробный внутриигровой объект, а не оптимизированная сетка, связанная с нормальной картой. Ключевое преимущество нормальной карты заключается не только в том, что она создает впечатление детализации, но также и то, что она создает это с очень оптимизированной, готовой к игрой геометрии. 

GeForce 3 от Nvidia была первой картой, поддерживающей текстуры, такие как обычные карты и спекулярный карты - первая дала моделям подробный вид, а последний контролировал, насколько блестящей или глянцевой будет выглядеть модель. Пользовательская версия этой карты использовалась в первом Xbox Microsoft, в которой широко использовалось нормальное отображение. PS2 не включал поддержку такого картирования текстур, но в результате седьмого поколения консолей нормальное отображение было нормой по ПК и консолям. 

Реализация нормального картирования и других текстур в играх была серьезным прорывом, и нормальные карты по сей день используются в играх и других графических трубопроводах. Сегодняшние графические единицы обработки (графические процессоры) способны делать гораздо больше полигонов, но эта возможность используется в сочетании с нормальным отображением для создания ультрареалистичных активов сцены.

Переход к HD Gaming

HD-TV-это продвижение в области технологии цифровых дисплеев, которая стала доступной для потребителей в начале 2000-х годов и стала широко распространенной в течение нескольких лет. Разрешение наборов и мониторов цифровых телевизоров измеряется по количеству пикселей на дисплее, а в первые годы HD-TV разрешения дисплея варьировались от 720p (921 600 пикселей) до 1080p (более 2 миллионов пикселей). 

Консоли седьмого поколения, такие как Sony PS3 (2006) и Microsoft Xbox 360 (2005). В 2005 году Microsoft Exec J Allard рекламировал Xbox 360 как консоль, которая ввела бы в новую эру HD Gaming, даже несмотря на то, что на ПК были возможны игры с высокими разрешениями в течение многих лет, благодаря силе выделенного ПК видеокарты.

Тем не менее, именно консоли могли поддерживать игры и двойные как домашние развлекательные системы, которые сделали HD Gaming Mainstream. Sony Remasterment Mory из своих игр PS2 для работы на экранах HD с PS3. Многие из этих ремастеров, которые сейчас играли в более высоких разрешениях, имели гораздо более четкое качество изображения и более выглядящие модели персонажей. Более высокие разрешения также уменьшаются псевдоним - зазубренные края, которые появляются на визуализированных игровых моделях. Этот тип визуального артефакта может быть довольно отвлекающим, а HD -дисплей может помочь сделать более захватывающий опыт, минимизируя псевдоним артефакты. Расположения HD автоматически не подразумевают фотореалистические рендеры, но они могут помочь выявить детали в рендерингах, достигая высокого качества изображения. 

Достижения в графических шейдерах

Шейдер-это, по сути, кусок кода, который работает на графическом процессоре и содержит конкретные инструкции о том, как отображать трехмерную сцену в пикселях, или как манипулировать 2D-изображением, прежде чем оно будет показано на экране. Шейдеры могут рассказать о рендерере, как следует осветить 3D -объект, как он должен быть окрашен, то, что он отражает и много, гораздо больше. Ранние графические карты имели конвейеры с фиксированной функцией, ограничивая такие эффекты, которые можно было бы применять при рендеринге сцены. Но появление карт с программируемыми шейдерами - первым из которых был GeForce 3 - полностью трансформированный 3D -рендеринг. Фактически, использование нормальных и зеркальных карт для текстуры объекта требует программируемого шейдера трубопровода. 

В течение нескольких лет разработчики написали очень сложные шейдеры. В 2007 году программист, работающий над двигателем Crytek, разработала окклюзию окружающей среды экрана, которая затемняет складки, отверстия и вмятины объекта, а также области, где это контакт с другими объектами, что приводит к более реалистичной сцене, которая выглядит так реагирует на косвенный или «окружающий» свет. Шейдер впервые использовался в Crysis (2007), игре, которая теперь легендарна для ее требований к компьютерному оборудованию. Фактически Crysis содержит более 85000 шейдеров, которые почти растопили графическое оборудование того времени - и внесли большой вклад в реализм игры.

Crysis 2 (2011) использовал шейдер с отражением экрана, чтобы отображать отражения на глянцевых или стеклянных поверхностях и объектах. Шейдер SSR вносит большой вклад в отображаемую сцену, но имеет свои ограничения и используется в сочетании с другими методами, такими как картирование куба (также реализовано через шейдер) для создания реалистичных отражений в игре. 

Отложенный рендеринг был еще одной важной техникой затенения в экране, разработанной в конце 2000-х годов. По сути, эта техника позволяет отображать сцену с еще большим количеством огней, отдавая геометрию игры и освещение сцены в отдельных проходах рендеринга. В традиционном, «вперед» рендеринг, увеличение количества огней может быстро увеличить время рендеринга, но отложенное рендеринг обеспечивает больше света и более реалистичного мирового освещения, не влияя на время рендеринга значительно. Такие игры, как Dead Space (2008) и Killzone 2 (2009), были одними из первых, кто внедрил отложенный рендеринг, и теперь он стал отраслевым стандартом. 

Описанные выше шейдеры улучшают освещение, тени и размышления и, таким образом, помогают сделать сцену более реалистичной и правдоподобной. Тем не менее, шейдеры способны на гораздо больше эффектов, таких как склонность к слиянию, и адаптивная заточка контраста, что позволяет играть в более низкие разрешения путем разумной обострения высококлассного рендеринга. Такие шейдеры могут даже вводить в игры с помощью пользовательских программ, таких как Reshade, которые могут похвастаться постоянно растущей библиотекой шейдеров, и поддерживает огромное разнообразие игр

Физически основанный рендеринг-новая парадигма

Охота на фотореализм перемежается различными сдвигами парадигмы, и появление физического рендеринга (PBR) в начале 2010-х годов, вероятно, является одним из самых важных. Графические шейдеры постепенно улучшили внешний вид игр, стремясь к реализму, улучшив то, как были отображены внутриигровые сцены. Шейдеры могут делать все, от освещения сцены до последствий обработки, таких как фильтры камеры и глубина поле. Но все эти шейдеры работали над моделями, которые были текстурированы в том, что теперь известно как «традиционные» или «не-PBR» рабочие процессы, где диффузные и зеркальные карты игровых активов были нарисованы художниками текстур и обычно не отражали реальные мировые свойства таких активов. 

PBR имеет решающее значение для фотореалистичных рендеров, потому что соответствующие набора текстур и шейдеры точно моделируют, как свет взаимодействует с внутриигровыми объектами. В реальной жизни блестящая золотая корона или медная браслет будет выглядеть золотым или оранжевым - не потому, что эти металлы каким -либо образом «пигментированы», а потому, что они поглощают определенные длина волн света. Шейдеры PBR моделируют это точно, давая четкий серый блеск большинству металлов, но давая цветные металлы или сплавы их характерный оттенок на основе того, что они поглощают. 

Даже неметаллические объекты текстурированы, так что они будут отражать крошечный свет, как они это делают в реальной жизни, а блестящие неметаллики имеют блеск, основанный на их реальных свойствах. Отражающие поверхности точно отражают внутриигровые среды-физически основанные на текстурах даже отражают то, насколько отражает тело основано на угле, на котором свет его поражает. Следовательно, PBR может улучшить результаты от шейдера отражения экрана-если у гладкого мраморного пола есть текстура на основе PBR, то он будет по существу непрозрачным, когда вы посмотрите прямо вниз, но будут отражать объекты сцены, если вы посмотрите на него из угол. 

Фактически, художники-текстуры могут использовать подробные эталонные таблицы, когда они применяют рабочий процесс PBR для физической точности-такие диаграммы предоставляют базовые значения для текста различных металлов и неметаллов. Тектуризация PBR может облегчить жизнь художникам - ранее они тратят большие усилия на то, чтобы сделать золотисто -корону, а затем добавить детали поверхности, такие как грязь, тусклые полости, царапины и многое другое - теперь они могут добавить такие реалистичные Подробности, позволяя рендереру позаботиться о том, чтобы сделать объект «золотым». 

Помните меня, название 2013 года, опубликованное Capcom, считается первой игрой, которая использует физическую рендеринг. Многие студии вскоре перешли в PBR и провели углубленные семинары, чтобы помочь художникам по текстуре принять новый текстурический конвейер.

Появление игрового контента с высоким динамическим диапазоном

Как графические шейдеры, так и физически на основе рендеринга могут работать в синергии, чтобы улучшить сцену, улучшив ее освещение, тени и размышления. Появление телевизора с высоким динамическим диапазоном (HDR) в середине 2010-х годов полностью преобразовало этот процесс, позволив играм выводить сцены с большим динамическим диапазоном яркости, более широким цветовым диапазоном (известный как гамма) и большим количеством цветовых тонов в этом гамма (используя более высокую глубину)). 

Небо и солнце могли выглядеть чрезвычайно ярким. Тени в подземельях могли выглядеть очень темными, и в ужасных играх эти области были намного страшнее, потому что вы могли просто разобрать в тени скрытой формы в тени. Розы в букете могли бы иметь тонко другой оттенок красного. Градиент цветов на горизонте во время закатов может выглядеть намного более плавнее. 

Стандартные дисплеи динамического диапазона (SDR) имеют максимальное значение яркости около 100 нит. Дорогие HDR -дисплеи могут стать яркими, как 4000 NIT. Это означает, что как самые яркие, так и самые темные части рендеринга отображаются без потери деталей - на дисплее SDR эти части будут падать выше или под диапазоном яркости экрана и будут выглядеть либо ярко -белыми, либо черными шагом. Дисплеи SDR могут показывать только 8-битную информацию о цвете или 256 уровней яркости для каждого цветового канала. HDR -дисплеи имеют немного глубины 10 бит на канал, что привело к 1024 оттенкам между самым ярким белым и самым темным черным, и может поддерживать более миллиарда цветовых тонов. 

Вот почему такие дисплеи (показывая содержание HDR) могут сделать цвета действительно появляться, улучшить общий контраст сцены и сгладить градиент между светом и темными цветами во время заката, устраняя артефакты полосы с более широким диапазоном цветовых тонов. 

По иронии судьбы, игровые двигатели стали способными к рендеринге с высоким динамическим диапазоном (HDRR) к началу 2000 -х годов, но не имели дисплеев, способных показать такие рендеры. Half-Life 2: Lost Coast (2005) была одной из первых игр, использующих HDRR, и многие другие игры выполнили расчеты рендеринга в высоком динамическом диапазоне, но затем втиснули результат в стандартный динамический диапазон, используя процесс, называемый тональным отображением. Так же, как нормальная карта текстура используется для захвата геометрических деталей модели с высоким полигоном, тональное отображение используется для картирования кадры HDR, визуализированной в более низком динамическом диапазоне,. Результат лучше, чем то, что было бы сгенерировано без использования HDRR, но не является истинным выводом HDR.

Horizon Zero Dawn (2017), Shadow of the Tomb Raider (2018) и Middle Earth: Shadow of War (2017) входят в число нескольких игр, которые были выпущены вскоре после того, как дисплеи HDR стали широко распространенными, и такие игры поддерживают истинную выпуск HDR, что значительно улучшает изображение качество. Отображение тона все еще остается частью рабочего процесса при создании содержания HDR, но гораздо более широкий диапазон яркости и цветового дисплея HDR приводит к контенту, динамический диапазон которого не зажимается, что делает высоко реалистичное освещение, цвет и лучшее качество изображения. 

Трагинг лучей в реальном времени

В мае 2020 года Би-би-си опубликовала статью о трассе в реальном времени, названном «Будьте готовы к« святому Граалю »компьютерной графики», и, вероятно, нет лучших указаний на важность и первенство этой революционной техники в настоящем Дневная игра графика.

Требование лучей долгое время стало частью трубопроводов CGI (компьютерные изображения) в кино и телевидении, но был реализован через автономный рендеринг и был чрезмерно дорогой-Toy Story 3 (2010) занимал в среднем семь часов на кадр и монстров Университет (2013), как утверждается, занял 29 часов за кадр. 

Поскольку трассировка лучей фактически моделирует взаимодействие света с внутриигровыми объектами, он лучше всего работает с физически основанными текстурами, которые предоставляют точные данные для алгоритма трассировки лучей. Фактически, первая крупная публикация в области книги на PBR относится к трассировке лучей и контекстуализирует PBR как новый метод для улучшения таких сцен с лучей с помощью физически аккуратных материалов-следование лучей в фильмах и телевизоре предшествует PBR. 

Первая задача в реализации трассировки лучей в играх заключается в том, что он должен быть в режиме реального времени, а не в автономном режиме, а также первая ассортимент карт RTX в Nvidia, выпущенный в 2018 году, управлял этим подвигом. Требование лучей в реальном времени значительно усиливает тени, огни и отражения динамически, и он работает таким образом-графический процессор снимает лучи из камеры, а затем вычисляет, как эти лучи отскакивают от игровых объектов, огней сцены и других элементов сцены (например, водоемов) , чтобы определить, как должна выглядеть сцена.

Луч, который отскакивает от объекта и попадает в свет сцены, определяет, как освещен этот объект и где его тень падает - если объект близок к другому, то контактные тени натягиваются на обоих. Объекты, которые отклоняют лучи на стеклянные поверхности, будут отражаться такими элементами сцены. Лучи, которые перемещаются от источника света к цветным объектам, будут принять оттенок объектов и купаются близлежащей геометрией с цветным светом. Поскольку камера и персонаж игрока постоянно движутся в играх, такие расчеты должны выполняться бесчисленное количество раз. Трассирование лучей даже способна к рекурсивным отражениям, таким как бесконечные зеркала, хотя такие отражения могут быть невозможны для сложных сцен.

Требование лучей значительно улучшается при предыдущих решениях освещения, таких как отражения экрана, и простой пример может проиллюстрировать, почему. Представьте себе сцену перспективы от третьего лица, в которой персонаж игрока сталкивается с фронтом отражающего стеклянного магазина, рядом с которым две бочки. Поскольку шейдер SSR может видеть бочки (в 2D -рендере), он нарисует их отражение на стекле. Но шейдер не может увидеть переднюю сторону персонажа игрока и, таким образом, не может нарисовать соответствующее отражение. Требование лучей создает точное отражение всей сцены, учитывая лучи, которые попадают в стекло, а затем ударяют персонажа игрока (и наоборот), а также добавляет другие объекты вне экрана к отражению, основанного на их позиции в игровом мире.

Тем не менее, трассировка лучей в реальном времени имеет высокие затраты на производительность, и только одна игра-инди-заголовок остается в свете (2020)-в настоящее время применяет ее по всем направлениям. Другие игры используют его в определенных контекстах и ??комбинируют существующие методы, а также трассировку лучей, чтобы улучшить графическую верность сцены. Metro Exodus: Enhanced Edition (2019) была провозглашена как «первая игра AAA Ray, и Control, выпущенная через несколько месяцев, получила широкое признание за реализацию трассировки лучей.

Не случайно, что Nvidia, AMD и Intel вышли с алгоритмами масштабирования вскоре после появления трассировки лучей в реальном времени. Даже самая мягкая видеокарта замедлится до ползания, если она попытается сделать игру в Native 4K с высококачественными настройками трассировки лучей, и именно здесь появляется роскошное масштабирование-графический процессор делает изображение в значительно более низком разрешении, которое тогда. масштабирован до (почти без потерь) 4K. В то время как Super Sampling (DLSS) NVIDIA и Super Shapeling (XESS) Intel (XESS) используют машинное обучение, Super Resolution AMD (FSR) не дает сопоставимых результатов. Поддержка DLSS доступна как для управления, так и для Metro Exodus: Enhanced Edition, а алгоритмы Apparing получают выгоду от игр, в которых отсутствуют трассировка лучей, что дает им значительный повышение производительности-God of War на ПК поддерживает как DLS, так и FSR.

Заключение

Графика 3D Game развивалась в течение двух десятилетий, чтобы создать потрясающие визуальные эффекты в современных играх. Разработчики стремились к реализму, и лучшие реализации 3D-методов работают синергетически для создания почти фотореалистичных или даже гиперреалистичных рендеров. HDR, который повышает качество цвета, контраста и изображения, лучше всего работает, когда текстуры PBR и трассировка лучей точно моделируют, как сцена взаимодействует со светом. Шейдеры экрана развернуты вместе с трассировкой лучей для повышения производительности, и нормальное отображение-к настоящему времени очень старая техника-все еще имеет решающее значение для оптимизации геометрии сцены без потери деталей. Некоторые из этих методов представляют собой сдвиги парадигмы-PBR полностью заменил традиционные текстурирующие рабочие процессы, и трассировка луча в реальном времени может полностью заменить эффекты экрана пространства, так как графические карты добавляют мышцы в свои возможности для трассировки лучей. 

Итак, мы достигли фотореализма в играх? Не совсем-даже последние игры почти фотореалистичны, но все еще не являются неотличимыми из видео в прямом эфире. Траирование лучей в реальном времени сама по себе является очень умным приближением реальной жизни или «наземной истины», поскольку технологи любят называть сцены, наблюдаемые для человеческого глаза. 

Тем не менее, современный контент живого действия, такой как эпизод Jibaro от любви, смерти и роботов Netflix, показывают, что современные офлайн-рендеры могут пройти на реальную жизнь-на самом деле, лучший CGI в контенте живого действия часто на местах, где вы донете Это даже ожидает этого. Это говорит о том, что по мере того, как вычислительные возможности увеличиваются, и передовые методы трактации луча, такие как проход по пути, становятся возможными, мы можем приблизиться к наземной правде и истинно фотореализму, даже в играх, где жизненный, интерактивный опыт должен быть выполнен в 60 кадры в секунду.