Глава 1: Технологии динамического освещения в современной игровой графике
Содержание
Концепция. Глава 1: Технологии динамического освещения в современной игровой графике. • 1.1 От статики к динамике. • 1.2 Технологии освещения VXGI. • 1.3 Архитектуры рендеринга: Deferred, Tiled, Forward+. Глава 2: Шейдерное программирование. • 2.1 Основы шейдеров. • 2.2 Реализация PBR и материалов. • 2.3 VFX и пост-обработка. Глава 3: Рендеринг: Синтез технологий. • 3.1 PBR: Как свет и материалы работают вместе. • 3.2 Интеграция в движок. • 3.3 Современная оптимизация кадра. • 3.4 Движение к фотореализму через оптимизированный Path Tracing. Заключение. Список используемой литературы. Список используемых изображений.
Концепция исследования на тему: «Современные технологии real-time графики: применение динамического освещения и шейдерного программирования в игровой графике».
Актуальность темы
В современной игровой индустрии визуальная составляющая является одним из ключевых факторов успеха проекта. Игроки ожидают от новых игр не только увлекательного геймплея, но и кинематографического, максимально реалистичного или стилизованного, но впечатляющего визуального опыта. Достижение такого уровня качества напрямую зависит от продвинутых технологий реального времени, среди которых центральное место занимают динамическое освещение и шейдерное программирование. Шейдерное программирование является фундаментальным инструментом для реализации не только освещения, но и бесчисленного множества визуальных эффектов: от сложных материалов (вода, металл) и процедурной генерации до постобработки (HDR, bloom, motion blur, Dof). Понимание и умение работать с шейдерами — это ключ к созданию уникального визуального стиля и оптимизации производительности.
Объект исследования
Объектом исследования являются современные технологии и алгоритмы рендеринга в реальном времени, используемые в игровой индустрии.
Предмет исследования
Предметом исследования выступают конкретные методы, техники и реализации динамического освещения и шейдерного программирования в контексте создания интерактивной игровой графики. Это включает в себя: 1. Алгоритмы освещения: PBR, SSPTGI, VXGI. 2. Физически корректный рендеринг (PBR) и модели затенения. 3. Техники работы с шейдерами: вершинные, фрагментные (пиксельные), геометрические и вычислительные (compute shaders). 4. Оптимизации производительности отрисовки. 5. Path Tracing.
Цель исследования
Целью исследования является комплексный анализ методов динамического освещения и шейдерного программирования, а также оценка их влияния на визуальное качество и производительность в проектах c рендерингом реального времени.
Задачи исследования
1. Исследовать основные современные алгоритмы динамического освещения и затенения (например, Deferred Shading, Forward, Screen Space Ray Tracing, VXGI, SSPTGI). 2. Изучить принципы физически корректного рендеринга (PBR). 3. Проанализировать этапы конвейера рендеринга (Deferred, Forward+) и роль различных типов шейдеров (вершинные, фрагментные, вычислительные) в создании визуальных эффектов (VFX) и постобработки. 4. Рассмотреть практические аспекты реализации изученных техник: написание шейдеров на языке GLSL, и интеграция в движок.
Глава 1: Технологии динамического освещения в современной игровой графике
Современная игровая графика — это баланс между художественной задачей и жёсткими аппаратными ограничениями. Динамическое освещение стало одним из ключевых инструментов, позволяющих создавать правдоподобные, выразительные и интерактивные миры в реальном времени. Освещение отвечает не только за видимые источники света, но и за восприятие материалов, объёмов и атмосферы сцены. В этой главе ознакомимся с набором технологий и архитектурных решений, которые сегодня лежат в основе real-time освещения: от классических техник и «запечённых» (baked) решений до гибридных и чисто динамических подходов, включая современные трёхмерные алгоритмы и аппаратно-ускоренное трассирование лучей.
1.1 От статики к динамике
В ранней эре игровых движков и до широкого распространения мощных GPU основная цель была — получить хорошую картинку при минимальных вычислениях. Поэтому широко использовали предвычисленное освещение lightmaps для многократных отскоков света, простые вершинные/пиксельные модели Phong для прямого света и статические тени. Когда GPU стали мощнее и шейдерные языки стали достаточно распространёнными, стало возможно переносить расчёты освещения в реальное время: динамические источники, screen space методы (SSAO/SSR), вокселизация сцены (VXGI), а затем и аппаратное ray tracing — всё это открыло путь к интерактивным сценам с изменяемым светом. На практике индустрия пришла к гибридам: baked для «фона» и real-time для интерактивных эффектов и динамическим объектам. Разберём плюсы и минусы статичного и динамичного освещения. К плюсам статичного освещения можно отнести: • Высокую визуальную достоверность глобального освещения. • Стабильность и производительность так как не требуются вычислительные процессы во время рендера. Минусы: • Нет поддержки динамики, любые изменения геометрии, движущиеся объекты или смена времени суток требуют повторного запекания, в противном случае ничего не изменится. • Динамические объекты не получают корректного indirect-освещения, для этого придётся использовать отдельные шейдеры которые будут вычисляться в реальном времени что бы получить такой же или похожий визуал. • Статическое освещение потребляет дополнительную память так как используются lightmap-атласы что, требует правильной UV-развёртки и может вызвать артефакты (швы, bleeding). • Долгий процесс запеканий, в зависимости от сложности сцены и требуемого качества может занимать много времени.
К плюсам динамичного освещения можно отнести: • Поддержка интерактивности, любые динамические объекты и эффекты сразу же получают корректное освещение. • Точность передачи локальных отражений и теней (особенно с трассировкой лучей или качественными screen-space методами). • Возможность можно менять освещение без долгого этапа запекания. Минусы: • Более высокие вычислительные мощности. • Screen-Space эффекты имеют ограничения и артефакты по краям экрана или в самом алгоритме эффекта. • Аппаратный ray tracing даёт качество, но требует денойзинга (шумоподавление), аккумуляции, это также сложнее оптимизировать для слабых устройств. Поэтому большинство современных игр используют гибрид: baked данные (lightmaps, probes) дают базовое и быстрое indirect-освещение, а динамические методы такие как direct light, SSR/RT, CSM добавляют интерактивные и локальные эффекты. Такой подход обеспечивает баланс качества и производительности в реальных проектах так как разработчики, хоть и не все, но стараются угодить потребителю производительностью и возможностью отключения или снижения качеств эффектов.
1.2 Технологии освещения: VXGI
Начнём с самой интересной техникой под названием VXGI (Voxel Global Illumination) — или — voxel-based GI, или voxel cone tracing) — это подход, в котором сцена в реальном времени вокселизуется в 3D сетку (voxel grid). По этим вокселям накапливается энергия (albedo, emissive, normal，specular или же roughness) и затем выполняется многократные отскоки света, чаще всего через конусную трассировку (cone tracing) по воксельной структуре. Основная идея VXGI — аппроксимировать (упростить) сложную геометрию сцены до набора трёхмерных пикселей, или вокселей. Это как поместить всю сцену в гигантский 3D-куб, разделённый на миллионы маленьких ячеек. Каждая ячейка, которую пересекает геометрия, аккумулирует и сохраняет в себе информацию о поверхности и её цвет albedo, нормаль и то, насколько она сама излучает свет (emissive).
Пример воксельной 3d текстуры (R7Engine)
Эта воксельная сетка становится грубым, но эффективным представлением сцены, которое можно использовать для симуляции распространения света. Вместо того чтобы трассировать миллионы отдельных лучей, как в Path Tracing, VXGI использует трассировку конусов (cone tracing). Из точки на поверхности выпускается не один луч, а конус, который по мере удаления расширяется. Проходя через воксельную сетку, этот конус собирает информацию об освещённости из разных вокселей. Чем дальше конус прошёл, тем из большего числа вокселей он собирает данные, что естественным образом создаёт мягкие тени и размытые отражения. Этот подход позволяет моделировать: Indirect Diffuse Illumination (Непрямое диффузное освещение). Свет, отражённый от одной поверхности, освещает другую. Например, красный ковёр будет отбрасывать красные блики на белую стену. • Specular Reflections (Зеркальные отражения). Размытые или чёткие отражения на глянцевых поверхностях. • Ambient Occlusion: Мягкие тени в углах и на стыках объектов. Процесс работы VXGI можно разбить на три основных этапа: • Вокселизация (Voxelization): Преобразование геометрию сцены в 3D-сетку вокселей.
Как работает: GPU рендерит сцену с трёх ортогональных проекций (сверху, сбоку, спереди), записывая в каждую ячейку воксельной сетки, которую пересекает геометрия, её свойства: цвет, нормаль, излучение. Этот этап выполняется один раз для статической геометрии и обновляется для динамических объектов. • Внедрение освещения (Light Injection): Нужно рассчитать освещение для каждого «заполненного» вокселя. Для каждого вокселя определяется, как его освещают прямые источники света (солнце, точечный свет). Если в сцене есть излучающие поверхности (например, неоновые вывески), их свет также «впрыскивается» в соответствующие воксели. Эта информация сохраняется в 3D-текстуре, представляющей воксельную сетку. Для симуляции нескольких отскоков света этот этап можно повторять, используя уже освещённые воксели как новые источники света. • Финальный рендеринг (Final Gather via Cone Tracing): Нужно рассчитать итоговое глобальное освещение для каждого видимого пикселя на экране. Для каждого пикселя, который виден на экране, из его точки в пространстве в нескольких направлениях (например, по полусфере) выпускаются конусы. Эти конусы проходят через воксельную 3D-текстуру, агрегируя по пути информацию об освещении. Для непрямого диффузного освещения конусы широкие. Для зеркальных отражений конусы узкие и направлены в сторону отражения. Собранная из конусов информация добавляется к прямому освещению, формируя финальное изображение с глобальным освещением.
1.3 Архитектуры рендеринга
Классический Forward Rendering (прямой рендеринг) был стандартом на заре 3D-графики, но с ростом сложности сцен и увеличением числа источников света недостатки прямого рендера стали более очевидны. Это привело к разработке более продвинутых техник, таких как Deferred Shading (отложенное затенение), а затем и к их оптимизированным версиям — Tiled/Clustered Deferred и Forward+.
Классический Forward Rendering и его ограничения
Forward Rendering — это интуитивно понятный подход. Для каждого объекта в сцене мы поочерёдно применяем все источники света, которые на него влияют. Процесс выглядит так: берётся объект и для каждого пикселя этого объекта проверяем, какие источники света его освещают. Для каждого источника света рассчитываем его вклад в итоговый цвет пикселя. Суммируем вклады от всех источников света и получаем финальный цвет. Главная проблема это — сложность вычислений растёт пропорционально произведению числа объектов на число источников света N объектов умноженное N источников света. Если в сцене 1000 объектов и 100 источников света, то для каждого объекта нужно потенциально выполнить расчёты для всех 100 источников. Это становится невероятно затратным. Ключевые недостатки: это： • Высокая затратность при большом количестве источников света. Освещение каждого объекта множеством источников света требует огромного количества вычислений. • Избыточные вычисления: Если несколько объектов перекрывают друг друга, фрагментный шейдер будет выполнен для каждого из них, даже для тех пикселей, которые в итоге будут не видны (скрыты за другими объектами). Этот эффект называется overdraw.
Пример прямой отрисовки геометрии в коде программы (R7Engine, C#, OpenGL).
• Сложность с материалами: Управление сложными материалами с различными свойствами (блеск, отражение) становится громоздким, так как все расчёты нужно проводить в одном большом шейдере. • Из-за этих ограничений разработчики начали искать способы отделить процесс рендеринга геометрии от процесса расчёта освещения.
Пример прямой отрисовки Forward рендера (R7Engine).
Deferred Shading (Отложенное затенение)
Deferred Shading кардинально меняет подход. Вместо того чтобы сразу рассчитывать финальный цвет пикселя, рендер откладывает расчёты освещения на потом. Процесс состоит из двух основных этапов.
Геометрический проход (Geometry Pass):
На этом этапе рендерится вся геометрия сцены, но вместо расчёта освещения сохраняем её параметры в несколько полноэкранных буферов, известных как G-буфер (Geometry Buffer). В эти буферы записывается базовый цвет поверхности без учёта освещения. Векторы позиций, нормали, указывающие направление поверхности в каждой точке и глубина, глубина часто записывается как 4 компонент вектора позиций, а также расстояние от камеры до фрагмента, свойства материала и другие параметры.
Запись векторов позиций в мировом пространстве (R7Engine).
Запись векторов позиций в видимом пространстве (R7Engine).
Запись позиций нормалей (R7Engine).
Запись цвета без освещения (R7Engine).
Запись шероховатости и металличности (R7Engine).
Пример отрисовки геометрии в GBuffer в коде программы (R7Engine, C#, OpenGL).
Проход освещения (Lighting Pass):
Теперь, имея всю необходимую информацию о геометрии в G-буфере, проходимся по каждому источнику света. Для каждого источника света мы рендерим его объём (например, сферу для точечного источника) и для каждого пикселя внутри этого объёма извлекаем данные из G-буфера (нормаль, цвет, положение в пространстве), также рассчитываем вклад только этого одного источника света и добавляем или смешиваем результат к финальному изображению.
Пример вызова расчёта точечного света и добавлением его в конечный результат цвета (R7Engine, GLSL).
Эффективность заключается в том что мы отделяем работу с геометрией от работы со светом.
Пример отрисовки конечного прохода рендера света в коде программы (R7Engine, C#, OpenGL).
Отделение работы прохода света от геометрии позволяет использовать сотни и даже тысячи динамических источников света в реальном времени, что было невозможно с классическим Forward подходом. Также данные о геометрии и материалах легко доступны, что упрощает реализацию эффектов постобработки, таких как Screen Space Ambient Occlusion (SSAO) или SSGI и других эффектов в экранном пространстве. К недостаткам можно отнести высокое потребление видеопамяти: • G-буфер требует значительного объёма памяти (множество полноэкранных текстур), а также постоянное пересоздание этих текстур с новыми размерами рендер окна, если окно изменило свой размер.
Пример создания текстур gbuffer в коде программы (R7Engine, C#, OpenGL).
• Проблемы с прозрачностью: Отложенный подход плохо работает с полупрозрачными объектами, так как G-буфер может хранить информацию только об одном, самом ближнем к камере объекте. Обычно для рендеринга прозрачных объектов (стекло, вода) используется классический Forward рендеринг поверх уже готового Deferred изображения. • Ограниченное количество материалов: Все материалы должны записывать свои данные в единый формат G-буфера.
Пример отложенной отрисовки Forward рендера (R7Engine).
Tiled/Clustered Deferred и Forward+
Несмотря на эффективность, стандартный Deferred Shading всё ещё имеет слабое место: для каждого источника света мы всё равно проверяем каждый пиксель на экране (или, по крайней мере, пиксели внутри объёма этого источника). Если источник света маленький и находится далеко, мы делаем много лишней работы. Здесь на помощь приходят Tiled и Clustered подходы.
Tiled Deferred/Forward+ Rendering
Идея Tiled Rendering (плиточный рендеринг) заключается в том, чтобы разделить экран на сетку из небольших плиток (например, 16×16 пикселей). Процесс построения списка источников света: На первом этапе для каждой плитки на экране создаётся список источников света, которые на неё влияют. Это делается один раз для всего кадра. Для каждого пикселя в плитке рассчитывается освещение, но используются только те источники света, которые находятся в списке этой плитки. Это значительно сокращает количество проверок. Если на плитку влияет всего 5 источников света из 1000 имеющихся в сцене, мы выполним расчёты только для этих пяти. Forward+ — это развитие идеи применительно к прямому рендерингу. Идея Forward+ это деление экрана на плитки и создание списка источников света, затем выполнение классического Forward-рендеринга, используя эти оптимизированные списки. Это позволяет сохранить преимущества Forward-рендеринга (простота работы с прозрачностью и разными материалами) и при этом эффективно обрабатывать большое количество источников света. Clustered Rendering (кластеризованный рендеринг) — это дальнейшее развитие плиточного подхода в трёхмерном пространстве. Вместо того чтобы делить на плитки только экран в 2D пространстве, мы делим всё пространство перед камерой (frustum) на трёхмерную сетку из кластеров. Процесс работы: Пространство перед камерой делится на сегменты по глубине (вдоль оси Z). Каждый такой «срез» делится на плитки, как в Tiled-подходе. В итоге получается 3D-сетка кластеров. Для каждого кластера создаётся список источников света, которые на него влияют и при рендеринге для каждого пикселя определяется, в какой кластер источник света попадает, и используем только список света из этого кластера. Это ещё более точная оптимизация, особенно эффективная в сценах с большим разбросом источников света по глубине.
