Структура игры: отражение

Продолжаем разбирать устройство игр с небольшими вкраплениями практики. Сегодня на повестке — отражение в зеркале. Нет, не свое собственное, а отражение в зеркальных поверхностях внутри 3D-движков, в частности — в играх. Разберем, какие бывают отражения, как они реализуются и как именно сделать отражение в редакторах движка.

Интро

В прошлый раз я упоминала, что Unity — дистиллированный движок, тогда как Unreal Engine хоть и тяжеловесный, но обладает огромным количеством настроек, которые не нужно придумывать самому.

Это можно сравнить с детскими площадками:

• UE это продвинутая игровая зона во дворе дорогого жилого комплекса, где для вашего удовольствия есть десяток снарядов различного рода, назначения, дизайна, разукрашенных цветными картинками. Хочешь — иди качайся на качельке одного из трех видов. Хочешь — играй в песочнице с идеальным мелким песком и грибочком. Хочешь — выбирай себе горку по высоте, цвету и направлению.
• Unity представляет собой старую советскую площадку, в которой песочница — гора песка из пустыни Сахара с диаметром песчинок в полсантиметра и гранитной крошкой из карьера. Горка там ржавая, и кататься на ней можно только на специальной благословленной фанерке, а вместо снарядов — пара турников в лучшем случае. Но удовольствие можно получить на обеих, если найти правильный подход. К первой подход «для казуалов» — зашел и играйся. Ко второй надо подготовиться, собрать друзей и набить шишки самостоятельно.

Это касается абсолютно всего, что вы хотите сделать на этих движках. Конечный результат при правильном методе будет очень схож, но затраченные усилия различны. Создание отражений — не исключение.

Ты — всего лишь отражение…

Для начала разберемся, какие отражения в играх мы встречаем. Ибо проблема с ними довольно острая.

Проблема отражения присутствует в играх практически с момента их появления. В пиксельных 2D-играх сделать настоящее отражение было невозможно по вполне прозаичной причине: сами по себе пиксели не отражают. Их невозможно «отполировать». Было невозможно. Сейчас подход к пиксельной графике немного изменился, по крайней мере, в рамках крупных движков. По-настоящему олдскульные пиксель-арт игры, где каждая точка на экране контролируется кодом напрямую, а не является частью отдельного изображения или текстуры, все еще выходят (оригинальная Dwarf Fortress, например), но большая часть игр работает со спрайтами-картинками различной степени самостоятельности. Но сейчас не об этом.

Там, где это было сюжетно необходимо, отражения в играх рисовали вручную. Как правило, это были кат-сцены (постановочные ролики и заставки, зачастую пререндеренные заранее) или заскриптованные моменты, где у игрока отнимают управление, что технически почти одно и то же.

Но вот выходят первые 3D-игры. И чем лучше становилась графика, тем острее становился вопрос: а как сделать отражения?

Отражение — это не только морда героя, стоящего перед зеркалом. Это блики на поверхности воды, отполированном полу, керамической броне высокотехнологичных роботов, мокрой коже эльфийки под дождем и даже листе железа, заменяющем кирасу какому-нибудь отшельнику, которые моделирует сама игра

Звучит уже серьезнее, не правда ли?

Стоит сказать, что и в традиционном художестве отражения тоже нелегко сделать: в некоторых случаях обучению отрисовки бликов света посвящают отдельный курс, чтобы научить людей расставлять пятна света на вазах в натюрмортах.

Чем больше в сеттинге игры (условиях мира) отражающих поверхностей, тем сильнее необходимость решения проблемы. Какое-то время индустрия со своими стрелялками и стратегиями в режиме «око бога» (вид сверху от третьего лица, изометрия) игнорировала это. Но потом стали выходить камерные хорроры. Графические движки стали достаточно мощными, чтобы делать игры от третьего лица с камерой из-за плеча или просто близкой к персонажу, проработанными интерьерами и прочим. Поэтому стали появляться различные ухищрения.

Имитация отражений

Имитация отражений и имитация света на предметах идут рука об руку. Поначалу все, что могли себе позволить разработчики, это нарисовать тень и свет там, где они бы располагались большую часть времени в реальности. Например, нарисовать тень под карманами, нарисовать блики на кожаной куртке и стволе оружия. С металлическими аксессуарами проделывали то же самое — пара полосок более светлого цвета, чем остальная текстура. 

Рисование отражения. Этот способ до сих пор используют во многих играх со стилизованной и полуреалистичной графикой, особенно от студий поменьше. В играх с реалистичной графикой, как правило, такой подход используют только на волосах и отдельных деталях.

Одна из текстур обуви Resident Evil 6. На кожаных ботинках складки подчеркиваются бликами

То же самое делали с зеркалами: размытый образ плюс металлический блеск, который сначала задавался настройками материала модели, а позже обзавелся собственной текстурой.

Текстуры отражения: блеск. Когда появилась возможность использовать две и более текстуры на одном меше (участке модели), первым делом стали использовать бампмапы — текстуры рельефа. Позднее они почти целиком были вытеснены нормалмапами — картами нормалей, имитирующий объем за счет искажения падающего на модель света. Это относилось к непосредственному отрисовыванию «правильных» теней и бликов, но также влияло и на блеск модели, хотя и не так сильно. Исключение — normal map в TES V: Skyrim. Они объединяют в себе карты нормалей и карты блеска. Сине-розовая часть канала цвета регулирует рельеф, а альфа-канал — силу и место блеска.

Следом за нормалями изобрели текстуры блеска (shine map/specular map, иногда metalnes map). Как правило, это черно-белая текстура, где абсолютно черный это отсутствие блеска, а абсолютно белый — максимальный блеск. Иногда эти текстуры сохранялись с активным альфа-каналом, так как не все движки адекватно отображали переходы цвета. Кстати, до сих пор в некоторых случаях средства визуализации плохо воспринимают чисто белый цвет в системе RGB, и художники по текстурам стараются его избежать.

По началу добавлять одновременно нормалмап и спекуляр мап на один кусок модели было нельзя — движок не имел такой возможности — и разработчикам приходилось выбирать. Однако сейчас существует как минимум десяток способов объединить текстуры и свойства: от комплексных разноцветных карт, как в Ведьмаке 3, до процедурных цепочек мультиматериалов.

Сферические карты, кубмапы. Время шло, модельки продвигались, средства отображения становились все лучше, а игрокам хотелось все большего. Простые текстуры блеска уже не удовлетворяли потребности в «хочу красиво». Если для кожи, волос и шерсти все еще годились спекуляры в сочетании с нормалмапами, то на металле и стекле такое уже не прокатывало. Но отрисовывать честные отражения в реальном времени все еще не было возможности.

И тогда в дело вступила фантазия: зачем нам честное отражение в игре, где 99% времени игрок не видит отражающую поверхность вблизи? Нам достаточно пары гуляющих бликов! И желательно, чтобы не приходилось каждый раз лезть в настройки модели. Тогда на помощь пришли первые сферические карты (sphere map) или кубические карты (cubemap). 

Несмотря на разницу в названии, принцип работы у них схожий: представляется среда, в которой находится модель (помещение, участок под открытым небом, лес и т.п.), какие в нем могут быть источники света и основные цветовые акценты, а после… А после два варианта: простой и сложный.

Простой вариант подразумевает рисование примерной карты бликов вручную с максимально возможным приближением к бесшовной tiled map. Такое прокатывает в случае с маленькими картами, созданными исключительно для блеска не очень хорошо отполированных поверхностей без 100% отражения.

Таково большинство сферических карт и кубмапов в играх. Характерный пример: кубмапы TESV, которые создают эффект блеска на доспехах разного материала. Для каждого материала имеется своя мини-карта 32х32 пикселя. 

Увеличенные в 2,5 раза кубмапы материалов из TES V. Эти текстуры используются для имитации серебра, золота, ртути, зеленого эльфийского стекла, бронзы, льда, масла, опала, железа, стали и т. п.

В некоторых случаях эти карты меняются в зависимости от того, в каком помещении находится объект: специальный скрипт просто заменяет путь к одному кубмапу на путь к другому. Таковы кубмапы Dark Souls III и некоторые специальные кубмапы Скайрима.

Сложные и простые (внизу слева) кубмапы TES V: Skyrim. 9 больших изображений — карты парагонских порталов. Группа карт внизу слева — кубмапы помещений. Внизу справа — увеличенные текстуры специальных эффектов (жидкого ужаса Апокрифа, две карты для отражения света неба днем и ночью и для отражения света факела в темных пещерах).

Кубмапы Dark Souls III. Их около 30-40 на каждый биом (регион). Зачем так много? Просто они сменяются по мере продвижения игрока, плавно изменяя отражения на его доспехе. Текстуры на примере приведены не подряд из двух связанных переходом регионов. К каждому такому набору в соседней папке идет градуированная линейка для плавного изменения интенсивности текстур.

Сложный вариант подразумевает создание сцены окружения в 3D-пространстве движка, добавление в него камеры-зонда (lightprobe camera) и снятие панорамного рендера этой камерой. В результате получается что-то вроде HDR-карты, которую при желании можно натянуть на сферу и превратить в скайдом (skydome) или лайтдом (lightdome) — купол фона или освещения в сцене. 

Рендер производится на этапе разработки (обычно ближе к концу) в редакторе на базе движка или даже в стороннем ПО.

Этот рендер преобразуют в текстуру и накладывают как обычный кубмап. Плюс в том, что отражения окружения получаются достоверными для помещения, где рендер был сделан. Минус: для каждой сцены и для перемещения каждого предмета (не только предмета, на который наложена карта, но и любого отражающегося в нем предмета) придется делать новую пробу света. Мы к этому еще вернемся.

Дубликат мешей. Оригинальный способ создания отражения впервые встретился мне в одном из первых Resident Evil в злосчастном поместье. Думаю, игравшие в ту часть помнят шикарный холл с лестницей и надраенными до зеркального блеска полами. Это было чертовски эффектно и впечатлило меня как мелкого и неопытного игрока. Не менее впечатляющим оказалось и то, что я узнала позднее — отражение на полу зала было полной копией зала оригинального.

И я не про картинку — это буквально была отраженная по вертикали модель зала. Герои, заходившие в него, также дублировались, а их анимации отражались. Сам пол был полупрозрачным ровно настолько, чтобы имитировать эффект полированного мрамора. Как потом оказалось, не только в этом зале и не только в этой игре применялся подобный ход.

Так, отражения в зеркалах, например, были дубликатами комнат с копиями моделек персонажей, копирующих все анимации оригиналов. В одной из Devil May Cry, в DOOM3, во многих японских хоррорах, в некоторых RPG, этот метод встречается до сих пор. Однако он более ресурсоемкий, и когда у вас в модели три сотни тысяч полигонов и 4к-текстуры на каждом из шестнадцати мешей персонажа (как в последних Final Fantasy), делать их дубликаты означает убить видеокарту. Нечто подобное

Честные» отражения

Сделать настоящее отражение в игровом движке космически сложно, почти невозможно. Но приблизиться к этому — вполне реально, хотя и потребует вычислительных мощностей компьютера, на котором впоследствии будет запускаться игра.

Зонд (probe). Первый способ мы уже частично разобрали — создается дополнительная камера-зонд (reflection probe), и рендерит окружающее пространство. Только в отличие от кубмапа, полученная текстура не сохраняется на компьютер отдельным файлом, а сразу накладывается на объект, на котором нужно получить отражение. Делается это благодаря специальному скрипту (сценарию), который пишется отдельно и привязывается к зонду и объекту. Рендер происходит не в редакторе у разработчика, а в режиме реального времени на устройстве, на котором игра запущена. Само собой, это кушает вычислительные ресурсы компьютера (или консоли, или мобилки), поэтому применяют этот способ редко.

В зависимости от целевого объекта (от того, на что наложено отражение) зонд делает либо рендер-панораму, либо рендер-сферу, либо рендер-сектор. Для ваз и других объемных объектов предпочтительнее сфера или широкая панорама, для зеркал и окон обычно хватает узкого сектора. В последнем случае камера закрепляется непосредственно перед зеркалом или за зеркалом так, чтобы в ее «поле зрения» попадал соответствующий участок сцены.

Скайдом (Skydome) и панорама

Зонд снимает и рендерит окружение в режиме реального времени. В некоторых движках это делается покадрово (зонд сохраняет отдельные кадры с заданным интервалом), в некоторых непрерывно или в соответствии с частотой обновления экрана (FPS соответствует основному FPS игры на данном устройстве). Поскольку технически игра рендерит данную сцену дважды и дважды выводит рендер, этот способ съедает очень много вычислительной мощности и видеопамяти.

Отраженная камера. Некоторые движки поддерживают создание дубликата камеры, которая учитывает движения основной камеры и проецирует отраженный рендер на статическое зеркало. Как правило, берут только плоские зеркала, иначе неизбежны искажения.

Трассировка лучей. Второй способ — т. н. «трассировка лучей» или отслеживание путей лучей. Как правило, это относится только к лучам света и их отражениям, но не очень хорошо отражает физические объекты.

Шейдеры.Чтобы не настраивать камеру и отражение каждый раз, можно сделать шейдер. Шейдер — это программная настройка материала с сохраненными параметрами. Чаще всего, выглядит как небольшой сценарий, зачастую с прилагающимися к нему текстурными картами разной степени сложности. В том числе есть шейдеры с рефлекторами, как в виде простых кубмапов, так и с настройками отраженных камер. Эти шейдеры можно сделать самому, а можно найти в платных и бесплатных библиотеках для каждого движка отдельно

Итого

Сделать даже простое отражение в 3D-движке задачка нетривиальная. Большую часть времени вам не придется думать об этом, достаточно будет простых текстур наподобие кубмапа. Но если отражение для вас важно — придется раскошелиться на время создания зеркала и мириться с просадками производительности.

С вами была Людмила Хигерович. На сегодня у меня все. Всего хорошего и не болейте!

---

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS

 

Источник