что такое рендер освещение
Как правильно настроить освещение для модели
На просторах Интернета иногда приходится сталкиваться с тем, что wireframe-рендер выглядит куда лучше, чем финальный. И это позор!
Происходит это из-за того, что часто художники умеют хорошо моделировать и текстурировать модель, но практически ничего не знают о ее хорошем освещении.
Если у вас плохое освещение, то остальные ваши навыки не имеют никакого значения, какими бы хорошими они ни были. Потенциальный работодатель с легкостью заметит грубые ошибки.
К счастью, создавать хорошее освещение довольно легко (в разы легче моделирования и текстурирования), если вы понимаете основные принципы.
Когда освещение выполнено хорошо, работа может привлечь внимание зрителей и в целом улучшить модель. Но когда плохо, то все с точностью до наоборот.
Освещение не является чем-то отдельным. На ряду с моделированием и текстурированием, это лишь одна часть головоломки. Освещение должно работать в гармонии с вашей историей и композицией для создания единого, целостного образа. Например, вы бы не использовали студию для освещения старого пост-апокалиптического автомобиля, верно?
5 вопросов, которые необходимо задать перед выполнением освещения:
Итак, рассмотрим простые техники:
Короткое освещение vs Широкое освещение
Короткое освещение видно, когда свет попадает на предмет преимущественно из-за спины, в то время как широкое освещение находится в передней части объекта. Короткое освещение характерно для более глубоких теней, более сильных бликов и визуально делает объект тоньше, чем он есть на самом деле. Широкое освещение имеет противоположный эффект. Ваше изображение будет содержать меньше тени, блики будут более мягкими и объект будет казаться больше или шире.
Освещение контура объекта (Rim Light)
Контурное освещение даст более острый и более определенный вид вашей модели. Это отличный инструмент для отделения объекта съемки от фона, особенно в темное время суток, но это больше подходит для стилизованных изображений.
Освещение сверху vs Освещение снизу
Свет, который идет сверху, для нас всегда выглядит более естественно, чем тот, который светит снизу. Отчасти, это связано с тем, что на протяжении многих веков люди не могли созерцать никаких источников света, кроме солнечного. Расположение источника света внизу сделает ваш объект угрожающим, страшным или просто странным. Если это не ваша цель, то лучше избегайте такого расположения ламп.
Жесткий свет vs Мягкий свет
Натуральные цвета vs Экзотические цвета
С фоном vs Без фона
Отсутствие фона является смелым шагом. Это может сделать ваш образ более целенаправленным, но вместе с этим он будет пустым, поскольку нет буквально ничего другого, кроме как вашей модели. Для зрителя может показаться, как будто ваше освещение было второстепенным.
Добавление фона, как правило, делает изображение более полным. Если фон выбран не верно, это может отвлечь взгляд от модели. Но если нет, то хороший фон будет поддерживать свой объект и историю, не привлекая к себе внимание.
Располагайте свет там, где это необходимо
Вы не должны освещать абсолютно все
Иногда то, что мы скрываем, важнее того, что мы показываем. Тени не просто раскрывают форму. Они могут создать напряжение, беспокойство, тайну или интригу. Не бойтесь, чтобы части вашего изображения были в тени, если она поддерживает историю изображения.
Светоотражающие материалы
Когда вы освещаете что-то с высокой отражательной способностью, например, автомобиль или блестящий стеклянный сосуд, вы создаете освещение для отражений. Вы не видите большую часть диффузного отражения, вы видите больше того, что происходит вокруг предмета, а не сам предмет. Это означает, что вам нужно осветить окружающую среду вокруг модели настолько, насколько и саму модель (если не больше). Чем более отражающий материал, тем более это верно. При размещении ламп, думайте о том, где будут появляться отражения по отношению к камере.
Бонусные советы
Всегда начинайте с одного источника света, и добавляйте последующие по мере необходимости.
Свет — ясность, темнота — тайна.
Если вы занимаетесь освещением персонажа, убедитесь, чтобы, по крайней мере, один глаз имел блик. Без него глаза будут выглядеть безжизненными. Тени под глазами сделают персонаж темным и загадочным. Избегайте подобных ситуаций, если это не ваша цель.
24 совета по освещению
Эксперты CG-индустрии рассуждают о ключевых приемах освещения, с помощью которых можно создавать еще более яркие 3D-арты.
НАБЛЮДЕНИЕ
Совет №01
Изучайте, как свет работает в реальном мире, как он отражается, в какие цвета окрашивает предметы и пр. Иногда он делает такое, чего никак не ожидаешь. Jason Scott
Совет №02
Начните читать книги по фотографии, например, таких фотографов, как Jimmy Nelson, Roger Ballen или любых других, стиль которых вам импонирует. Держите эти книги на рабочем или письменном столе, обращайтесь к ним каждый раз, когда вам грустно, компьютер рендерит или появилась минутка свободного времени. Затем начните «читать» сами фотографии, поскольку путем банального изучения картинки можно узнать много всего нового, интересного и полезного. Всмотритесь в тени и блики, задумайтесь, какую схему освещения использовал фотограф, каким целям служил тот или иной светильник. Некоторые источники света могут отделять сабж от заднего фона, в то время, как другие, наоборот, будут притягивать внимание зрителя к нему. Kevin Beckers
Совет №03
Сначала настройте шейдера, а уже затем приступайте к настройке света, поскольку освещение сцены без настроенных шейдеров – пустая трата времени. Начните с простого маленького светильника, никакого GI, самый обычный Area-светильник, чтобы проверить, как работают шейдера. И только после того, как все настроено, можно задуматься о более серьезном освещении. Mostafa Zaki
Совет №04
Читайте не только специализированные журналы по 3D, но и журналы по фотографии. В таких изданиях обычно довольно подробно разбираются темы освещения и композиции, приводятся подборки неплохих советов и хитростей, которые вполне могут вознести ваши 3D-рендеры на новый уровень. Kevin Beckers
Совет №05
Не становитесь покорным рабом фотореализма. Вы можете и должны использовать фото референсы, чтобы разобраться в устройстве тех или иных предметов, но всегда помните, что вы – художник, свет должен служить вашим нуждам, а не наоборот. Ivan Stalio
НАСТРОЙКА ОСВЕЩЕНИЯ
Совет №06
Потратьте время на настройку базового освещения, перед тем, как переходить к сложным материалам и текстурам. Сначала всегда нужно понять, как свет будет влиять на финальную композицию. При тестировании освещения я обычно использую базовые шейдера типа Diffuse, Glossy и Transparent. Ранняя настройка базового освещения убережет вас от многих ошибок в будущем, не придется изменять или повторно размещать объекты в сцене, когда они уже затекстурены, что впоследствии может сэкономить время. Кроме того, всегда нужно экспериментировать со схемами освещения, пробовать что-то новое, поскольку это может уменьшить время рендера. Thomas Cairns
Совет №07
Всегда начинайте с самого простого, наименьшего светильника. Об этом постоянно говорят многие художники, но именно понимание этой простой истины помогает лучше ставить свет. Кроме того, вы и не заметите эффекта от самого маленького светильника, если начнете с самого большого. Если же тестировать освещение постепенно, переходя от простого к сложному, то проблем с чем-то более серьезным никогда не возникнет. Mostafa Zaki
Совет №08
Определитесь с основным источником света в самом начале. Иногда мы добавляем в сцену так много источников света, что под конец и не знаем уже, как каждый из них работает. Сосредоточьтесь на одном главном, выберите желаемые ракурс и интенсивность, после чего начинайте создавать второстепенные заполняющие светильники. Jonathan Ball
Совет №09
Постоянно экспериментируйте, пробуйте разнообразные светильники. Каждый раз я стараюсь настроить освещение по-другому, экспериментируя со светом. Ivan Stalio
Совет №10
Контрастное освещение наполнит сцену драматизмом, сделает ее более эффектной и интересной. Попробуйте сыграть на контрасте теплых и холодных тонов, найдите баланс между одним большим и множеством мелких светильников. Waldemar Bartkowiak
Совет №11
Разнообразьте цветовую палитру. Помните, что с помощью каналов или карт можно добиться различных результатов при использовании одинаковых светильников. В таком случае, результат будет оригинальным. Ivan Stalio
Совет №12
Помните о композиции, стройте ее с помощью света. Осветлите область, которая должна быть сразу же заметна, направляйте взгляд зрителя с помощью лучей света. Для создания лунного света в работе «Master of the Books» я использовал три источника света, размещенных в одном месте, сразу же над дырой в потолке, все они смотрели вниз:
ЭФФЕКТЫ И ТЕНИ
Совет №13
Всегда настраивайте гамму. Физически корректная гамма составляет 2.2, но чаще всего это значение не дает желаемого результата. Обычно я использую гамму 1.6, 1.8 или 1. Помните, что в своем мире законами физики управляете вы, все зависит от обстоятельств. Jason Scott
Совет №14
Не бойтесь темных участков на изображении, не все же должно быть ярко освещено, темные участки лишь добавляют атмосферности. Терпеть не могу фильмы, снятые в темных помещениях, пещерах или неосвещенных комнатах, которые затем вручную освещаются некачественным светом, в котором видно все до мельчайших деталей. Это портит всю атмосферу. Jonathan Ball
Совет №15
Невидимое глазу – важно, поскольку мы может использовать темноту и тени. Jason Scott
Совет №16
Помните о свете за камерой. Представьте себе город ночью, вы рендерите его небольшую область со зданиями. В действительности такой кадр будет освещаться еще светом от зданий, автомобилей, неоновых вывесок и пр., расположенных за пределами основной сцены, все это только добавляет вторичного освещения и отражений. Создавайте дополнительные источники света, расположенные за камерой, для имитации такого эффекта. Jonathan Ball
Совет №17
Используйте объемное освещение без фанатизма, помня при этом, что оно может добавить сцене эффектности. Особенно хорошо такой подход работает при освещении интерьеров и может акцентировать внимание зрителя на главном объекте. Thomas Cairns
Совет №18
При необходимости старайтесь настраивать в сцене сложные тени. Даже если окружение за пределами интерьера не нужно моделировать, оно может сделать тени в сцене более эффектными. Это могут быть как текстуры с альфа-каналом, так и, например, капли дождя, расположенные на пути источника света. Thomas Cairns
Совет №19
Ломайте свет с помощью, например, карты Noise, назначенной в Projector Map в 3ds Max, или разместите перед источником света дерево, что сделает рендер более реалистичным, а интенсивность света разнообразной. Рендер с таким освещением сразу же будет выгодно отличаться от идеального CG-освещения. Карта Dirt, назначенная на Specular или Bump, также поможет избавиться от равномерности, присущей CGI. Kevin Beckers
Совет №20
Светящаяся геометрия/полигоны или Lumigons в MODO помогают создавать более сложное освещение. В большинстве случаев мне недостаточно обычного фотореалистичного света, даже если я работаю над сценой вне помещения. Иногда кроме солнечного света я использую дополнительные светильники, чтобы сделать затененные участки изображения более читаемыми или выделить какой-то определенный элемент или деталь. Ivan Stalio
Совет №21
Частички пыли, витающие в воздухе, делают сцену более яркой. Их роль может сыграть система частиц или обычная геометрия с альфой в сочетании с объемным светом. Эти частицы будут освещаться всеми светильниками, добавляя рендеру эффектности. Waldemar Bartkowiak
Совет №22
В Blender я часто создаю плоскости с эмиссионым материалом и светильники насыщенных цветов, которые использую в сочетании с другими плоскостями, расположенными в противоположной стороне и светильниками контрастных, менее ярких цветов. В итоге это создает в сцене интересные цветовые эффекты. Jonathan Ball
Совет №23
Не бойтесь использовать волюметрическое освещение в сочетании с туманом. Это не только добавит изображению глубины, но и поможет в создании атмосферы таинственности. Можно также добавить эффекты типа дымки с помощью обычной текстуры. Хорошим примером такого подхода будет свет, бьющий в окно запылённой комнаты или лучи солнца, пробивающиеся сквозь облако. Взаимодействие с окружением делает такие источники света более яркими и эффектными. Waldemar Bartkowiak
Совет №24
Творящая чудеса постобработка. Она, вне всяких сомнений, является одним из мощнейших инструментов 3D-артиста, но при этом не стоит целиком полагаться на нее. Старайтесь максимально использовать возможности освещения 3D-редактора, в котором вы работаете. Даже при рендере по пасам делайте эти самые пасы божественными, не дожидаясь поста. Mostafa Zaki
Эксперты:
Читайте в нашей предыдущей статье о том, как сделать CG-рендер более реалистичным.
В первой части были рассмотрены основные принципы работы и назначение некоторых настроечных параметров VRay. А сейчас давайте посмотрим, как все это можно использовать на практике.
Сцена
Материалы и геометрия
Следует также придерживаться принципа соответствия размеров объектов сцены размерам реальных объектов. Необходимость этого обязательного требования продиктована использованием закона затухания интенсивности освещения с расстоянием в любой современной рендер-программе, рассчитывающей Global Illumination.
Поскольку я собираюсь использовать фотонные карты, необходимо настроить материалы. Как известно, VRay рассчитывает фотонные карты только для материалов типа VrayMtl. Поэтому необходимо выполнить преобразование стандартных материалов 3ds max, которые используются в нашей сцене, в материалы типа VrayMtl. Преобразование материалов довольно тривиально, нужно только изменить тип на VrayMtl, воспроизвести диффузные свойства материалов и положить в соответствующие слоты растровые карты. Поскольку некоторые материалы в оригинале имели bump, он также настраивался и в новых материалах, с теми же количественными значениями.
Для планирования следует принимать цифру приблизительно в 1.5 Гб (если вы не запустили одновременно с 3ds max еще и Photoshop, Corel Draw, WinAmp, Word и IE :). Вот сцена с настроенными материалами.
Для моделирования солнечного освещения подойдет любой ИС, который отвечает следующим трем обязательным условиям:
Настройка положения и высоты Target Direct в сцене выбиралась так, чтобы наиболее интересно осветить ту часть, которая видна в камере. Волновой фронт выбран прямоугольным (Light Cone>rectangle) для облегчения его проецирования на интересующую часть сцены так, чтобы минимизировать потери при излучении фотонов. Затухание обязательно отключаем (Decay>Type>None). В качестве типа теней был выбран VRayShadow со значениями по умолчанию.
Второй источник света должен моделировать рассеянное освещение от небесного свода и потому обязательно должен быть пространственным (тип Area). В качестве такового можно выбрать ИС типа Skylight из набора 3ds max, и неплохо было бы с ним использовать подходящее изображение небесного свода в формате HDRI. Однако, учитывая то, что фотонные карты не могут работать со Skylight и HDRI, целесообразнее взять вместо него ИС типа VrayLight, которым и воспроизвести световой фронт. Впрочем, вариант с использованием Skylight+HDRI вовсе не исключен, просто здесь и сейчас я его рассматривать не буду.
Наконец, для того, чтобы воспроизвести цвет неба, выставлен белый цвет для Environment 3ds max.
Экспоненциальный контроль хорош тем, что позволяет убирать засветы в сильно освещенных местах. В этой сцене я хочу воспроизвести ощущение достаточно яркого солнечного дня, в результате получается засвет в области крыши при приемлемой освещенности остальной сцены. Проблему помогает решить экспоненциальный контроль освещения. Вообще, необходимость в контроле засветов/затемнений вызвана тем, что современные рендеры рассчитывают физически корректные значения интенсивностей, которые далеко не всегда укладываются в «прокрустово ложе» стандартной модели RGB.
Всего имеется три типа контроля: Linear multiply (линейный), Exponential (экспоненциальный), HSV exponential (экспоненциальный с сохранением насыщенности цвета). Различие между Exponential и HSV exponential состоит в насыщенности тонов после корректировки, при использовании Exponential изображение получается более «сдержанным», блеклым. На последующих этапах, после расчета фотонных карт и irradiance map, возможно, потребуется дополнительно подкорректировать освещение. Это вполне можно выполнить таким же образом и без пересчета карт.
Настройка фотонных карт
Начнем с настройки фотонных карт. Прежде всего, на закладке VRay: Indirect Illumination выставляем следующие параметры:
Сейчас для первичного отскока выбран метод Global photon map с целью отладки фотонной карты. Позже, когда фотонная карта будет готова, я буду использовать Irradiance map.
Значение Secondary bounces>Multiplier установлено в максимальном значении = 1, по причине большого размера сцены и наличия труднодоступных участков для фотонов. По этой же причине значение глубины трассировки фотонов, Bounces, установлено в 20 против 10 по умолчанию.
Отключены Refractive GI caustics и Reflective GI caustics, поскольку я не планирую рассчитывать каустик-эффекты от отраженного диффузного освещения.
Параметры фотонной карты остаются неизменными, меняются лишь значения subdivs для источников света. Перед расчетом можно еще отключить генерацию caustic photons у источников света и у объектов (поскольку расчет каустик-эффектов от прямого освещения в этой сцене также не планируется) и убедиться в свойствах объектов, что для них установлены Generate GI/Receive GI.
Легко увидеть, что наиболее качественная фотонная карта получена для 128 миллионов фотонов (рис. phot_map#8). Поскольку она рассчитана за вполне приемлемое время и требует не так много места на диске для хранения (попробовал бы я это сказать года три назад :), ее и выбираю для дальнейшей работы. Вообще говоря, если бы я хотел ограничиться только видом из данной камеры, вполне можно было попробовать использовать самую первую фотонную карту с 3000 subdivs. Но я хочу еще посмотреть, что «творится» на балконах, а там плотность фотонной карты будет самой низкой во всей сцене и 3000 subdivs может оказаться недостаточно для качественного рендера.
Теперь выставляем загрузку фотонной карты из файла, в котором она была сохранена, и продолжим «игру» с настройками фотонной карты. В частности, попробуем менять SD, поскольку это не потребует пересчета фотонной карты.
На этом настройку фотонной карты можно было бы и завершить. Но я предлагаю потратить немного дополнительного времени и задействовать еще один механизм, способный обеспечить дополнительное качество фотонной карты.
До сих пор количество собираемых фотонов Max. photons было установлено в 0 для того, чтобы ничто не мешало настроить радиус сбора. Давайте укажем значение Max. photons таким, чтобы оно соответствовало количеству собираемых фотонов в пределах нашего SD для наименее плотных областей фотонной карты. Идея в том, чтобы в областях карты с высокой плотностью фотонов освещенность точек рассчитывалась при помощи Max. photons. При этом радиус сбора будет меньше установленного в настройках SD, и будет меняться в зависимости от плотности карты, доходя до установленного значения SD в областях с самой низкой плотностью. Таким образом, мы достигаем сразу двух целей: радиус сбора будет меняться по всей фотонной карте и шумовые пятна потеряют свою регулярность. А за счет уменьшения реального радиуса сбора повысится детализация светотени, особенно в средних тонах.
Как найти Max. photons? Начинаем постепенно повышать с 0 его значение с некоторым шагом (допустим, в 10 фотонов) и каждый раз рендерим изображение. Когда изображение в тех областях, где фотонная карта наименее плотна (темные и труднодоступные для освещения участки) перестанет меняться при увеличении Max. photons, текущее значение Max. photons и следует взять. Остается только сожалеть об отсутствии «штатных» средств оценки плотности фотонной карты в произвольной выбранной точке сцены.
Настройка Irradiance map
Пороговые значения для цвета, нормалей, расстояния и количества сэмплов subdivs оставлены теми же, что были в preset High. Количество subdivs в 50 сэмплов означает, что для расчета диффузной освещенности каждой точки будет использовано до 2500 лучей, чего вполне достаточно для большинства случаев. Вообще же, «рабочий» диапазон subdivs лежит в пределах 30-120 сэмплов и может быть еще увеличен при наличии шума в изображении.
При наличии шума также настоятельно рекомендуется проанализировать его возможную причину, поскольку уменьшение соответствующего порогового значения может привести к решению проблемы без увеличения subdivs. Значения Min. rate и Max. rate также оставлены довольно высокими, поскольку для настройки используется изображение низкого разрешения (640х480). Для наблюдения за процессом расстановки точек можно включить Show calc. phase.
Теперь перейдем к настройкам самой карты на закладке VRay: Advanced irradiance map parameters.
Calc. pass interpolation samples определяет количество рассчитанных значений освещенности для интерполяции освещенности нерасчетной точки. Чем выше это значение, тем ровнее градиент и больше размывание оттенков. Рекомендуемый рабочий диапазон для этого параметра 12-25, оставляем 15. Назначаем сохранение фотонной карты в файл, это может пригодиться для последующей коррекции при помощи Color map (экспоненциального контроля освещенности) и настройки антиалиасинга. Теперь все готово и можно нажимать кнопку «Render»!
Мне лично больше нравится последнее изображение, и именно для него я просчитаю окончательный рендер. Вот он. Я только немного подкорректировал цвет, изменив Dark Multiplier с 1.6 до 1.4, и настроил AA:
В сцене есть еще одна камера, установленная на втором этаже. Я выполнил рендер для вида из нее, используя все ту же фотонную карту из файла и irradiance map с теми же настройками, которая просчитывалась для нового вида заново.
Счастливые обладатели Combustion могут воспользоваться для обработки HDR изображения его возможностями.
Чем меньше Search dist., тем качественнее и четче каустика, то же относится и к Max. photons при достаточно высокой плотности фотонной карты. Вот, в общем-то, и все.
К счастью, VRay широко используемая на практике программа, особенно у нас. Поэтому, всегда можно найти людей, настоящих профессионалов, способных ответить на конкретный вопрос. В этой связи очень рекомендую русскоязычный форум по VRay на http://www.3dcenter.ru/forum. Здесь уже накоплена очень большая база знаний по конкретным вопросам использования программы. Листая страницы форума, наверное, возможно найти ответ на любой мыслимый вопрос по практическому применению VRay. Пользуясь случаем, хочу выразить дань глубокого уважения людям, чей опыт и добрая воля обеспечили ценность собранных знаний.
На что действительно способен VRay можно увидеть по работам мастеров. И раз уж речь зашла о мастерстве, должен констатировать тот факт, что уровень работ, выполненных русскими в VRay, очень высок и это общепризнанно. Западные коллеги вполне серьезно говорят о существовании «русской школы визуализации». Не о немецкой, испанской или итальянской, или о какой-нибудь еще. О русской.
Здесь я умолкаю. Пусть дальше «говорят» работы, они красноречивее любых слов.
Декомпозиция света: как работает освещение в играх
Освещение в играх напрямую влияет на наше восприятие происходящего на экране — и даже может являться основой геймплея. Как и в реальном мире, это понятие комплексное, едва ли реализуемое при помощи одного метода.
Пожалуй, ближе всего к этому смогла приблизиться трассировка лучей — простая по своей концепции, но требовательная к вычислительным ресурсам системы. И та получила свое развитие в игровой индустрии сравнительно недавно, с началом эпохи RTX. А ведь геймдев развивается гораздо дольше — и к сегодняшнему дню разработан уже не один метод симуляции распространения света в игровой сцене.
О методах реализации глобального освещения в играх (которые мы, кстати, используем и в своих проектах) и о том, что это вообще такое — далее в статье.
Прямое освещение, глобальное освещение, трассировка лучей, растеризация — разбираемся в понятиях
Для лучшего понимания, из чего вообще состоит освещение в играх, разделим его на два этапа:
Первый — прямое освещение (direct light). Это свет, исходящий непосредственно от источника (лампа накаливания, огонь, солнце), который затем проходит сквозь сцену и попадает в какую-то поверхность — например, террейн или любой другой внутриигровой объект.
Второй — непрямое освещение (indirect light) или глобальное освещение (global illumination), которое, попадая на поверхность, отражается от нее в разных направлениях и тем самым освещает другие поверхности вокруг. В зависимости от отражательной способности материала, такие переотражения могут происходить неоднократно то тех пор, пока световая энергия источника не истощится.
Именно непрямое освещение придает изображению большую реалистичность. На скриншоте ниже, например, показана сцена из Quake 2 RTX только с прямым освещением (слева) и с освещением ото всех источников сразу (справа).
Но его же и сложнее реализовать — при том сделать это хорошо.
Как уже упоминалось, лучше всего этой цели служит, конечно же, трассировка лучей. Суть ее заключается в следующем. Давайте представим, что на 3D-сцене расположена камера, имеющая конечное разрешение. Для получения трассировки лучей один из непосредственно лучей выстреливает из пикселя этой камеры в сцену и попадает в 3D-объект на ней. Этот объект с точки зрения пикселя можно закрасить, отследив больше лучей с этой точки. Например, с этого момента луч может продолжить движение в направлении источника света с целью выяснения, будет ли пиксель находиться в тени от этого источника света или на него воздействовать. Или другой луч также может быть отправлен в сцену и иметь в ней отражения и даже переотражения в зависимости от свойств материала объекта. Чтобы получить еще более точную информацию о цвете для этого пикселя, понадобится больше лучей и больше отражений — а значит, гораздо больше времени на вычисления.
Хотя сама по себе концепция трассировки лучей проста, эта технология очень ресурсозатратна: так, даже для игры 1997 года реализовать ее удалось лишь к 2019 году. Поэтому до недавнего времени игровая графика чаще всего рисовалась на экранах с помощью гораздо более быстрой техники — растеризации.
Проблема с растеризацией в том, что она на самом деле не про свет: это просто способ отрисовки трехмерных объектов на двумерном экране. Растеризация — это процесс, при котором трехмерный объект преобразуется в двухмерное изображение на основе перспективы с целью получения правильной геометрии без затенения на двумерном изображении.
По умолчанию она вообще не имитирует освещение и не особо этим занимается. А чтобы получить достоверное освещение и затенение объектов, требуются дополнительные проходы вычислений.
Как выглядит освещение при растеризации? Представьте источник света, помещенный в трехмерное пространство. Поверхность объектов в сцене затеняется в зависимости от их нормали и направления вектора света: таким образом, отдаленная от источника света часть объекта будет темнее, находящаяся ближе к свету — светлее. В данном случае речь идет только о прямом освещении: растеризация по умолчанию не отображает никаким образом непрямой свет.
Впрочем, несмотря на это, непрямое освещение в 3D-играх существует уже очень давно — иначе все бы они были похожи на Doom III, где градации тени как таковой практически нет.
Ниже мы как раз рассмотрим — не исчерпывающий — список техник, при помощи которых в играх эмулируют непрямое освещение.
Карты освещения (Lightmaps)
Первый метод, о котором мы поговорим, — lightmapping. Техника эта использовалась еще в оригинальном Quake II 1997 года и используется до сих пор даже в самых современных тайтлах — но, конечно, в более продвинутом и детализированном виде.
Заключается она в том, чтобы предварительно рассчитать информацию об освещении в игровой сцене и заложить ее в текстуру, которая впоследствии будет применяться к этой сцене. Таким образом, метод карт освещения избавляет игру от необходимости расчета освещения в реальном времени, что дает огромный выигрыш в производительности.
Впрочем, как и любая другая техника, она имеет ряд недостатков:
Карты освещения хороши только для статических объектов, иначе свет в сцене не будет выглядеть согласованным и реалистичным. Это накладывает сильные ограничения на геймдизайн и интерактивность и требует иных техник освещения для динамических объектов — одними картами освещения будет уже не обойтись.
Карты освещения из-за своей статичности могут отображать только рассеянное освещение и не подходят для имитации зеркальных поверхностей, поскольку они во многом зависят от положения камеры. Таким образом, они хорошо подойдут, например, для бетонных поверхностей, но не металлических.
Как и любые текстуры, карты освещения имеют конечное и, как правило, довольно низкое разрешение, из-за чего могут возникать артефакты на поверхностях, такие как рваные края и пикселизация. Во избежание этого, метод может потребовать довольно большого объема видеопамяти.
Техника все время улучшается и обрастает модернизациями, пытающимися решить перечисленные проблемы — но многое все равно упирается в необходимость освещения динамических объектов, и тогда на помощь приходят другие методы.
В Half-Life 2 Valve активно использовала световые карты (2011)
Освещение на основе изображения (Image-based lighting)
Техника IBL работает следующим образом: давайте представим, что шесть камер снимают одну и ту же сцену с одной и той же точки в шести разных направлениях, тем самым образуя кубическую карту (cube map).
Впоследствии этот куб можно преобразовать в сферу, которую затем можно применить к различным — в частности, глянцевым — поверхностям для получения непрямого освещения.
Шесть граней карты позволяют получить меняющиеся в зависимости от угла камеры отражения, захватывая в том числе и происходящее за пределами экрана. Техника уже довольно старая — используется в играх с начала 2000-ых. И, как обычно, имеет свои недостатки:
Таким кубическим картам нужно иметь высокое разрешение, чтобы создавать убедительные отражения. Это, в свою очередь, требует немалого объема видеопамяти и ограничивает количество кубический карт, которые можно использовать в одной сцене.
Кубическая карта — это снимок мира с определенной точки, далеко не всегда совпадающей с камерой игрока, что может привести к проблемам с перспективой на поверхностях с высоким отражением. Проблему можно решить увеличением количества кубических карт в сцене, но это потребует большого объема видеопамяти.
Несмотря на то, что кубические карты можно применять к динамическим объектам, сама она может быть и не динамической. Обычно под ней подразумевается статический снимок окружения. Так что если в вашей игре, допустим, динамически меняется время суток, одна и та же кубическая карта не подойдет для дневного и вечернего освещения. В таком случае нужно будет пересчитывать ее в реальном времени, а это очень дорого.
И последнее: освещение на основе изображения включает в себя вклады в освещение окружающих объектов, но не самого объекта, к которому оно применяется. Скажем, металлические предметы сложной формы так или иначе могут отражаться на собственных поверхностях, но в случае с кубическими картами это крайне сложно учесть.
Наибольшее распространение эта техника получила, пожалуй, в гоночных симуляторах, которые используют кубические карты в реальном времени, закрепленные на модели автомобиля игрока. Это позволяет учитывать зеркальные и рассеянные отражения на протяжении всей трассы и адаптироваться к изменениям в окружающей среде, хотя и требует ряда оптимизаций — например, для таких карт обычно используется упрощенная версия сцены с более низким разрешением и/или FPS.
Скриншот из Need for Speed: Payback
Непрямое освещение на основе световых проб (Probe-based indirect lighting)
Эволюционное продолжение предыдущего метода, световые пробы предназначены для частичного решения проблем с видеопамятью и интерактивностью окружения. Упрощенно говоря, световые пробы (light probes) представляют собой зонд меньшего размера и с меньшим числом сторон, чем кубические карты — например, с четырьмя, а не шестью сторонами. То есть, идейно это та же кубическая карта, но более низкого разрешения и всего с несколькими битами цветовой информации.
Пример расстановки световых проб в сцене. Источник: https://research.nvidia.com/sites/default/files/pubs/2017-02_Real-Time-Global-Illumination/light-field-probes-final.pdf
Такие зонды можно размещать на уровне с разной плотностью либо равномерно в виде сеток, использовать для статического освещения и обновлять динамически.
Far Cry 3 стала одной из первых игр, использующих световые пробы для динамического освещения со сменой времени суток. Источник: https://www.gdcvault.com/play/1015326/Deferred-Radiance-Transfer-Volumes-Global
Основное преимущество световых проб заключается в их размере. Из-за того, что они крайне малы, места в видеопамяти они занимают немного — а значит, их можно обновлять экономнее, чем в случае кубических карт. А также расставить куда большее количество таких зондов на уровне, благодаря чему освещение может оказаться даже более детальным, чем в случае с кубическими картами.
Однако и здесь есть свои минусы и компромиссы:
Столь малые зонды улавливают лишь основную информацию о свете — а значит, хуже работают с отражающими поверхностями в сравнении с кубическими картами.
Система зондов может создавать прерывистое освещение для динамических объектов, да и вообще сильно зависит от плотности расположения проб. Освещение от световой пробы может просачиваться даже сквозь объекты, создавая косвенное освещение и эффект свечения в затененных областях.
Из-за низкой точности световые пробы не в состоянии отображать мелкие детали и тени, из-за чего затенение поверх освещения на основе проб зачастую нужно накладывать дополнительно иными способами.
Как можно заметить, оговорка про использование дополнительных техник освещения звучала неоднократно: все эти методы вовсе не обязательно являются конкурирующими и взаимоисключающими — скорее наоборот, все чаще в современных играх используются их комбинации и различные улучшения. Например, мы уже раньше писали статью о том, как реализовали кастомные тени в своих проектах: предварительно рассчитанное освещение для статики — при помощи теневых карт, для динамической геометрии — зонды освещения.
Все это доказывает, что, сколько бы еще различных методов не было изобретено, рендеринг действительно правдоподобного непрямого освещения в реальном времени — сложная задача, требующая комплексных решений.