Здравствуйте, уважаемые читатели блога сайт. Поскольку среди моих читателей наверняка есть те, кто играет в компьютерные игры, я решил посвятить сегодняшнюю статью игровым настройкам, а конкретно сглаживанию и другим важным параметрам , в той или иной степени оказывающим влияние на производительность видеокарты. Поэтому сегодня мы с вами будем разбираться, как и какие настройки влияют на производительность видеокарты.

Во-первых важно понимать, как и из чего формируется изображение на экране, которое мы видим во время игры. Видеокарте нужно расставить объекты, натянуть текстуры, рассчитать освещение, положить тени, сгладить неровности, и при всем при этом, уложиться буквально в считанные доли секунды! И если какой-то этап занимает больше времени чем положено, появляется заметное глазу "торможение", или по-научному, проседание кадров в секунду. Вот, посмотрите сами:

Конечно, многое зависит от разрешения (Resolution) как такового. Простым изменением разрешения на одну ступень ниже можно добиться прироста производительности в 30-40%. Однако при этом, независимо от остальных настроек, картинка на экране будет выглядеть "замыленной". Поэтому самую "вкусную" картинку в игре можно получить, если разрешение соответствует максимальному разрешению (стандартному заводскому) монитора.

Качество и разрешение текстур (см. изображение выше) не так сильно влияют на производительность видеокарты, не так сильно, как качество объектов - потому что, чем больше деталей и объектов одновременно видеокарте нужно удерживать на экране, тем сложнее просчеты самих объектов и теней, которые они отбрасывают. Тени, в свою очередь, нагружают видеокарту весьма ощутимо, потому что объекты как правило движутся, меняется угол обзора, источник освещения, и чтобы тени выглядели мягко и реалистично, видеокарте нужно просчитывать много раз и усреднять итоговые значения.

Есть такая штука, как Ambient Occlusion (глобальное освещение), см. фото выше. Это технология, которая просчитывает как объекты отражают свет, который на них падает, и как близко расположены объекты, затеняя друг друга.

Это создает гораздо более реалистичную картинку с необходимыми затенениями в углах, но ОЧЕНЬ нагружает видеокарту. На сегодняшний день эта технология доступна в двух вариантах: чуть более простой SSAO (Screen Space Ambient Occlusion) и гораздо более продвинутый и прожорливый HBAO (Horizon-Based Ambient Occlusion).

Есть еще Анизотропная фильтрация (anisotropic filtering, AF) или фильтрация текстур. Она нужна для того, чтобы текстуры, которые находятся под углом или далеко от камеры не выглядели слишком мутными и на них не было никаких цветовых артефактов.

Чем выше значение - тем лучше результат фильтрации, однако сразу скажу - эти значения можно выкручивать сразу на "16x", т.е. на максимальное, и это никак не отразится на производительности даже самой бюджетной видеокарты.

Про сглаживание в играх

Сглаживание (anti aliasing). Что же такое сглаживание? Вы наверняка в играх довольно часто встречались с тем, что у объектов, которые должны в принципе выглядеть ровно и гладко, на краях появляются какие-то непонятные лесенки и зазубрины. Естественно, разработчики игр и видеокарт об этой проблеме знают, поэтому и появилась технология, которая называется "сглаживание", она и нужна чтобы эти неровности сгладить (что очевидно).

Существует довольно много методов осуществить сглаживание. Первый из них взаимодействует с изображением еще на уровне его построения . К первому методу относится: способ сглаживания SSAA (Supersample anti-aliasing) и MSAA (Multisample anti-aliasing), и еще между ними недавно затесался CSAA (Coverage Sampling Antialiasing) - последний, нечто среднее по производительности и по качеству.

Как все эти способы сглаживания работают? Они создают картинку в несколько раз большую, чем необходимо, а потом сжимают ее до размеров экрана, получается довольно неплохой результат, но нагрузка на видеокарту в этот момент просто нечеловеческая. Потому что в зависимости от того, что вы выберете в настройках игры (2x, 4x или 8x), соответственно и изображение будет в два, четыре или в восемь раз больше необходимого, получается, что и нагрузка в два, четыре или восемь раз больше.

Но, к счастью для нас, есть второй метод, который основан на так называемой пост-обработке , т.е. когда сглаживание применяется уже к сформированной сцене. К этому методу относятся уже 3 способа сглаживания: FXAA (Fast approXimate Anti-Aliasing) - по качеству сравним с четырех кратным MSAA сглаживанием, но при этом он не создает вообще никакой нагрузки на видеокарту, ну или настолько малую, что ее практически незаметно. Правда у FXAA есть один небольшой минус - при этом совсем слегка замыливаются текстуры. На глаз это почти незаметно.

Но если вам это мыло прям режет глаза, для вас есть второй способ SMAA (Sub-pixel Morphological Anti-Aliasing), он дает чуть меньшее размытие, но и настолько же меньшее качество сглаживания, при том, что все так же не нагружает видеокарту. И наконец третий способ - TXAA (Temporal anti-aliasing, если я правильно понял, доступно только на видеокартах от Nvidia), он дает очень плавную, киношную картинку, но при этом ощутимо нагружает видеокарту. Если сравнить его с эталонным MSAA, то двукратный TXAA = восьмикратному MSAA, при этом нагрузка на видеокарту такая же, как при двукратном MSAA.

Ну а на этом здесь все, про остальные настройки графики в играх поговорим как-нибудь в другой раз. Я надеюсь, что эта статья поможет вам выбрать подходящие настройки в любой игре и выжать максимум производительности из вашей видеокарты.

P.S. : чуть не забыл сказать про HDAO - то же самое, что HBAO, только от компании ATI-Radeon.

Ambient occlusion - метод глобального фонового или непрямого затенения объектов.

Мягкие тени, создаваемые за счет Ambient Occlusion в различных трещинах и углублениях 3D-объектов, освещаемых в сцене непрямым освещением, визуально разделяют объекты, добавляя дополнительного реализма на рендере.

Например, Ambient Occlusion можно использовать для лучшего визуального разделения кирпичей стены, которые на самом деле не разделены. АО - это не то же самое, что и тени, отбрасываемые прямым источником света, фактически, это фейковые тени, образуемые за счет непрямого освещения, которые на рендере отбрасывают поверхность геометрии.

Если эти лучи взаимодействуют с другой поверхностью, этот участок становится темнее. Если нет - светлее. В большинстве 3D-приложений АО рассчитывается с помощью специального шейдера, который назначается на геометрию. После рендера АО-пас добавляется к изображению в редакторе для композитинга, например в Photoshop, где он дополнительно редактируется и улучшается.

Учитывая, что АО имитируется тогда, когда поверхность объекта «испускает» свет, любой объект с назначенной картой прозрачности не будет просчитываться автоматически. При этом кажется, что АО не рассчитывается, но это не так, поскольку на самом деле лучи света проходят сквозь прозрачную геометрию.

Ambient Occlusion идеально подходит для смягчения всех теней в сцене, если они чрезмерно резкие, а также для их затемнения, если светлые. При этом необходимости в создании дополнительного источника света нет, поскольку АО работает не так, как, например, Final Gather, для которого нужен источник света, испускающий лучи. Для Ambient Occlusion также характерна некоторая вариативность цвета, благодаря которой наши глаза лучше различают детали, которые в противном случае остались бы незамеченными или размытыми. Кроме того, АО идеально подходит для визуализации незатекстуренных моделей.

Советы по настройке Ambient Occlusion
При просчете Ambient Occlusion время рендера можно также сократить, если запечь АО в отдельный слой. Это особенно важно при рендере анимации, поскольку при рендере каждого компьютер будет заново рассчитывать AO, что значительно замедляет время рендера.

Если при рендере на АО-пасе возникают непонятные артефакты, например, излишне насыщенные или слабые тени и пр., нужно подкрутить параметр Max distance в настройках АО. Этот параметр отвечает за то, какое расстояние должны преодолеть лучи света на пути к поверхности геометрии. Чем больше расстояние, тем шире и насыщенней будут тени. Увеличение расстояния также увеличит количество отбрасываемых теней. При уменьшении этого расстояния лучи проделают меньший путь, поэтому тени появятся только там, где геометрия будет расположена близко к поверхности. Экспериментальный подход - залог того, что вы достигнете желаемого результата.

Для дополнительного реализма на рендере можно также использовать непосредственно АО-пас, который можно найти в настройках рендера. Это позволит с помощью направленного источника света добавить Ambient Occlusion дополнительной направленности, а также уменьшит его зависимость от окружающей геометрии.

В некоторых случаях необходимости в рендере отдельного АО-паса нет, поскольку в некоторых материалах он встроен. В таких 3D-редакторах, как 3ds Max или Maya, АО можно найти в настройках архитектурных или дизайнерских материалов. Поэтому перед тем, как настроить отдельный АО-пас, проверьте, не встроен ли он в настройки материала.

В современных играх используется все больше графических эффектов и технологий, улучшающих картинку. При этом разработчики обычно не утруждают себя объяснением, что же именно они делают. Когда в наличии не самый производительный компьютер, частью возможностей приходится жертвовать. Попробуем рассмотреть, что обозначают наиболее распространенные графические опции, чтобы лучше понимать, как освободить ресурсы ПК с минимальными последствиями для графики.

Анизотропная фильтрация

Когда любая текстура отображается на мониторе не в своем исходном размере, в нее необходимо вставлять дополнительные пикселы или, наоборот, убирать лишние. Для этого применяется техника, называемая фильтрацией.

Триленейная

Анизатропная

Билинейная фильтрация является самым простым алгоритмом и требует меньше вычислительной мощности, однако и дает наихудший результат. Трилинейная добавляет четкости, но по-прежнему генерирует артефакты. Наиболее продвинутым способом, устраняющим заметные искажения на объектах, сильно наклоненных относительно камеры, считается анизо­тропная фильтрация. В отличие от двух предыдущих методов она успешно борется с эффектом ступенчатости (когда одни части текстуры размываются сильнее других, и граница между ними становится явно заметной). При использовании билинейной или трилинейной фильтрации с увеличением расстояния текстура становится все более размытой, анизотропная же этого недостатка лишена.

Учитывая объем обрабатываемых данных (а в сцене может быть множество 32-битовых текстур высокого разрешения), анизотропная фильтрация особенно требовательна к пропускной способности памяти. Уменьшить трафик можно в первую очередь за счет компрессии текстур, которая сейчас применяется повсеместно. Ранее, когда она практиковалась не так часто, а пропуская способность видеопамяти была гораздо ниже, анизотропная фильтрация ощутимо снижала количество кадров. На современных же видеокартах она почти не влияет на fps.

Анизотропная фильтрация имеет лишь одну настройку – коэффициент фильтрации (2x, 4x, 8x, 16x). Чем он выше, тем четче и естественнее выглядят текстуры. Обычно при высоком значении небольшие артефакты заметны лишь на самых удаленных пикселах наклоненных текстур. Значений 4x и 8x, как правило, вполне достаточно для избавления от львиной доли визуальных искажений. Интересно, что при переходе от 8x к 16x снижение производительности будет довольно слабым даже в теории, поскольку дополнительная обработка понадобится лишь для малого числа ранее не фильтрованных пикселов.

Шейдеры

Шейдеры – это небольшие программы, которые могут производить определенные манипуляции с 3D-сценой, например, изменять освещенность, накладывать текстуру, добавлять постобработку и другие эффекты.

Шейдеры делятся на три типа: вершинные (Vertex Shader) оперируют координатами, геометрические (Geometry Shader) могут обрабатывать не только отдельные вершины, но и целые геометрические фигуры, состоящие максимум из 6 вершин, пиксельные (Pixel Shader) работают с отдельными пикселами и их параметрами.

Шейдеры в основном применяются для создания новых эффектов. Без них набор операций, которые разработчики могли бы использовать в играх, весьма ограничен. Иными словами, добавление шейдеров позволило получать новые эффекты, по умолчанию не заложенные в видеокарте.

Шейдеры очень продуктивно работают в параллельном режиме, и именно поэтому в современных графических адаптерах так много потоковых процессоров, которые тоже называют шейдерами. Например, в GeForce GTX 580 их целых 512 штук.

Parallax mapping

Parallax mapping – это модифицированная версия известной техники bumpmapping, используемой для придания текстурам рельефности. Parallax mapping не создает 3D-объектов в обычном понимании этого слова. Например, пол или стена в игровой сцене будут выглядеть шероховатыми, оставаясь на самом деле абсолютно плоскими. Эффект рельефности здесь достигается лишь за счет манипуляций с текстурами.

Исходный объект не обязательно должен быть плоским. Метод работает на разных игровых предметах, однако его применение желательно лишь в тех случаях, когда высота поверхности изменяется плавно. Резкие перепады обрабатываются неверно, и на объекте появляются артефакты.

Parallax mapping существенно экономит вычислительные ресурсы компьютера, поскольку при использовании объектов-аналогов со столь же детальной 3D-структурой производительности видеоадаптеров не хватало бы для просчета сцен в режиме реального времени.

Эффект чаще всего применяется для каменных мостовых, стен, кирпичей и плитки.

Anti-Aliasing

До появления DirectX 8 сглаживание в играх осуществлялось методом SuperSampling Anti-Aliasing (SSAA), известным также как Full-Scene Anti-Aliasing (FSAA). Его применение приводило к значительному снижению быстродействия, поэтому с выходом DX8 от него тут же отказались и заменили на Multisample Аnti-Аliasing (MSAA). Несмотря на то что данный способ давал худшие результаты, он был гораздо производительнее своего предшественника. С тех пор появились и более продвинутые алгоритмы, например CSAA.

AA выключено

AA включено

Учитывая, что за последние несколько лет быстродействие видеокарт заметно увеличилось, как AMD, так и NVIDIA вновь вернули в свои ускорители поддержку технологии SSAA. Тем не менее использовать ее даже сейчас в современных играх не получится, поскольку количество кадров/с будет очень низким. SSAA окажется эффективной лишь в проектах предыдущих лет, либо в нынешних, но со скромными настройками других графических параметров. AMD реализовала поддержку SSAA только для DX9-игр, а вот в NVIDIA SSAA функционирует также в режимах DX10 и DX11.

Принцип работы сглаживания очень прост. До вывода кадра на экран определенная информация рассчитывается не в родном разрешении, а увеличенном и кратном двум. Затем результат уменьшают до требуемых размеров, и тогда «лесенка» по краям объекта становится не такой заметной. Чем выше исходное изображение и коэффициент сглаживания (2x, 4x, 8x, 16x, 32x), тем меньше ступенек будет на моделях. MSAA в отличие от FSAA сглаживает лишь края объектов, что значительно экономит ресурсы видеокарты, однако такая техника может оставлять артефакты внутри полигонов.

Раньше Anti-Aliasing всегда существенно снижал fps в играх, однако теперь влияет на количество кадров незначительно, а иногда и вовсе никак не cказывается.

Тесселяция

С помощью тесселяции в компьютерной модели повышается количество полигонов в произвольное число раз. Для этого каждый полигон разбивается на несколько новых, которые располагаются приблизительно так же, как и исходная поверхность. Такой способ позволяет легко увеличивать детализацию простых 3D-объектов. При этом, однако, нагрузка на компьютер тоже возрастет, и в ряде случаев даже не исключены небольшие артефакты.

Выключена

Включена

На первый взгляд, тесселяцию можно спутать с Parallax mapping. Хотя это совершенно разные эффекты, поскольку тесселяция реально изменяет геометрическую форму предмета, а не просто симулирует рельефность. Помимо этого, ее можно применять практически для любых объектов, в то время как использование Parallax mapping сильно ограничено.

Технология тесселяции известна в кинематографе еще с 80-х го­дов, однако в играх она стала поддерживаться лишь недавно, а точнее после того, как графические ускорители наконец достигли необходимого уровня производительности, при котором она может выполняться в режиме реального времени.

Чтобы игра могла использовать тесселяцию, ей требуется видеокарта с поддержкой DirectX 11.

Вертикальная синхронизация

V-Sync – это синхронизация кадров игры с частотой вертикальной развертки монитора. Ее суть заключается в том, что полностью просчитанный игровой кадр выводится на экран в момент обновления на нем картинки. Важно, что очередной кадр (если он уже готов) также появится не позже и не раньше, чем закончится вывод предыдущего и начнется следующего.

Если частота обновления монитора составляет 60 Гц, и видео­карта успевает просчитывать 3D-сцену как минимум с таким же количеством кадров, то каждое обновление монитора будет отображать новый кадр. Другими словами, с интервалом 16,66 мс пользователь будет видеть полное обновление игровой сцены на экране.

Следует понимать, что при включенной вертикальной синхронизации fps в игре не может превышать частоту вертикальной развертки монитора. Если же число кадров ниже этого значения (в нашем случае меньше, чем 60 Гц), то во избежание потерь производительности необходимо активировать тройную буферизацию, при которой кадры просчитываются заранее и хранятся в трех раздельных буферах, что позволяет чаще отправлять их на экран.

Главной задачей вертикальной синхронизации является устранение эффекта сдвинутого кадра, возникающего, когда нижняя часть дисплея заполнена одним кадром, а верхняя – уже другим, сдвинутым относительно предыдущего.

Post-processing

Это общее название всех эффектов, которые накладываются на уже готовый кадр полностью просчитанной 3D-сцены (иными словами, на двухмерное изображение) для улучшения качества финальной картинки. Постпроцессинг использует пиксельные шейдеры, и к нему прибегают в тех случаях, когда для дополнительных эффектов требуется полная информация обо всей сцене. Изолированно к отдельным 3D-объектам такие приемы не могут быть применены без появления в кадре артефактов.

High dynamic range (HDR)

Эффект, часто используемый в игровых сценах с контрастным освещением. Если одна область экрана является очень яркой, а другая, наоборот, затемненной, многие детали в каждой из них теряются, и они выглядят монотонными. HDR добавляет больше градаций в кадр и позволяет детализировать сцену. Для его применения обычно приходится работать с более широким диапазоном оттенков, чем может обеспечить стандартная 24-битовая точность. Предварительные просчеты происходят в повышенной точности (64 или 96 бит), и лишь на финальной стадии изображение подгоняется под 24 бита.

HDR часто применяется для реализации эффекта приспособления зрения, когда герой в играх выходит из темного туннеля на хорошо освещенную поверхность.

Bloom

Bloom нередко применяется совместно с HDR, а еще у него есть довольно близкий родственник – Glow, именно поэтому эти три техники часто путают

.

Bloom симулирует эффект, который можно наблюдать при съемке очень ярких сцен обычными камерами. На полученном изображении кажется, что интенсивный свет занимает больше объема, чем должен, и «залазит» на объекты, хотя и находится позади них. При использовании Bloom на границах предметов могут появляться дополнительные артефакты в виде цветных линий.

Film Grain

Зернистость – артефакт, возникающий в аналоговом ТВ при плохом сигнале, на старых магнитных видеокассетах или фотографиях (в частности, цифровых изображениях, сделанных при недостаточном освещении). Игроки часто отключают данный эффект, поскольку он в определенной мере портит картинку, а не улучшает ее. Чтобы понять это, можно запустить Mass Effect в каждом из режимов. В некоторых «ужастиках», например Silent Hill, шум на экране, наоборот, добавляет атмосферности.

Motion Blur

Motion Blur – эффект смазывания изображения при быстром перемещении камеры. Может быть удачно применен, когда сцене следует придать больше динамики и скорости, поэтому особенно востребован в гоночных играх. В шутерах же использование размытия не всегда воспринимается однозначно. Правильное применение Motion Blur способно добавить кинематографичности в происходящее на экране.

Выключен

Включен

Эффект также поможет при необходимости завуалировать низкую частоту смены кадров и добавить плавности в игровой процесс.

SSAO

Ambient occlusion – техника, применяемая для придания сцене фотореалистичности за счет создания более правдоподобного освещения находящихся в ней объектов, при котором учитывается наличие поблизости других предметов со своими характеристиками поглощения и отражения света.

Screen Space Ambient Occlusion является модифицированной версией Ambient Occlusion и тоже имитирует непрямое освещение и затенение. Появление SSAO было обусловлено тем, что при современном уровне быстродействия GPU Ambient Occlusion не мог использоваться для просчета сцен в режиме реального времени. За повышенную производительность в SSAO приходится расплачиваться более низким качеством, однако даже его хватает для улучшения реалистичности картинки.

SSAO работает по упрощенной схеме, но у него есть множество преимуществ: метод не зависит от сложности сцены, не использует оперативную память, может функционировать в динамичных сценах, не требует предварительной обработки кадра и нагружает только графический адаптер, не потребляя ресурсов CPU.

Cel shading

Игры с эффектом Cel shading начали делать с 2000 г., причем в первую очередь они появились на консолях. На ПК по-настоящему популярной данная техника стала лишь через пару лет, после выхода нашумевшего шутера XIII. С помощью Cel shading каждый кадр практически превращается в рисунок, сделанный от руки, или фрагмент из детского мультика.

В похожем стиле создают комиксы, поэтому прием часто используют именно в играх, имеющих к ним отношение. Из последних известных релизов можно назвать шутер Borderlands, где Cel shading заметен невооруженным глазом.

Особенностями технологии является применение ограниченного набора цветов, а также отсутствие плавных градиентов. Название эффекта происходит от слова Cel (Celluloid), т. е. прозрачного материала (пленки), на котором рисуют анимационные фильмы.

Depth of field

Глубина резкости – это расстояние между ближней и дальней границей пространства, в пределах которого все объекты будут в фокусе, в то время как остальная сцена окажется размытой.

В определенной мере глубину резкости можно наблюдать, просто сосредоточившись на близко расположенном перед глазами предмете. Все, что находится позади него, будет размываться. Верно и обратное: если фокусироваться на удаленных объектах, то все, что размещено перед ними, получится нечетким.

Лицезреть эффект глубины резкости в гипертрофированной форме можно на некоторых фотографиях. Именно такую степень размытия часто и пытаются симулировать в 3D-сценах.

В играх с использованием Depth of field геймер обычно сильнее ощущает эффект присутствия. Например, заглядывая куда-то через траву или кусты, он видит в фокусе лишь небольшие фрагменты сцены, что создает иллюзию присутствия.

Влияние на производительность

Чтобы выяснить, как включение тех или иных опций сказывается на производительности, мы воспользовались игровым бенчмарком Heaven DX11 Benchmark 2.5. Все тесты проводились на системе Intel Core2 Duo e6300, GeForce GTX460 в разрешении 1280×800 точек (за исключением вертикальной синхронизации, где разрешение составляло 1680×1050).

Как уже упоминалось, анизо­тропная фильтрация практически не влияет на количество кадров. Разница между отключенной анизотропией и 16x составляет всего лишь 2 кадра, поэтому рекомендуем ее всегда ставить на максимум.

Сглаживание в Heaven Benchmark снизило fps существеннее, чем мы того ожидали, особенно в самом тяжелом режиме 8x. Тем не менее, поскольку для ощутимого улучшения картинки достаточно и 2x, советуем выбирать именно такой вариант, если на более высоких играть некомфортно.

Тесселяция в отличие от предыдущих параметров может принимать произвольное значение в каждой отдельной игре. В Heaven Benchmark картинка без нее существенно ухудшается, а на максимальном уровне, наоборот, становится немного нереалистичной. Поэтому следует устанавливать промежуточные значения – moderate или normal.

Для вертикальной синхронизации было выбрано более высокое разрешение, чтобы fps не ограничивался вертикальной частотой развертки экрана. Как и предполагалось, количество кадров на протяжении почти всего теста при включенной синхронизации держалось четко на отметке 20 или 30 кадров/с. Это связано с тем, что они выводятся одновременно с обновлением экрана, и при частоте развертки 60 Гц это удается сделать не с каждым импульсом, а лишь с каждым вторым (60/2 = 30 кадров/с) или третьим (60/3 = 20 кадров/с). При отключении V-Sync число кадров увеличилось, однако на экране появились характерные артефакты. Тройная буферизация не оказала никакого положительного эффекта на плавность сцены. Возможно, это связано с тем, что в настройках драйвера видеокарты нет опции принудительного отключения буферизации, а обычное деактивирование игнорируется бенчмарком, и он все равно использует эту функцию.

Если бы Heaven Benchmark был игрой, то на максимальных настройках (1280×800; AA – 8x; AF – 16x; Tessellation Extreme) в нее было бы некомфортно играть, поскольку 24 кадров для этого явно недостаточно. С минимальной потерей качества (1280×800; AA – 2x; AF – 16x, Tessellation Normal) можно добиться более приемлемого показателя в 45 кадров/с.

Надеюсь данная статья не только позволит вам лучше оптимизировать игру под свой компьютер, но и расширит ваш кругозор. Совсем скоро появится статья о реальном влиянии количества FPS на восприятие игры.

• Tutorial

Привет, хабрапользователь! После небольшого перерыва можно опять браться за трехмерную графику. В этот раз мы поговорим о таком алгоритме глобального затенения, как . Интересно? Под кат!

Но сначала чуть-чуть новостей

Я отказался от использования XNA, мощностей DX9 мне стало не хватать: конечно, в целом ничего не поменялось, но написание кода стало куда менее костыльным. Все последующие примеры будут реализованы с помощью фреймворка SharpDX.Toolkit : не пугайтесь, это духовный наследник XNA , еще и OpenSource и с поддержкой DX11 .

Классически - теории

Самой важной частью в графическом движке любой игры (которая имеет претензии на реалистичность) - это освещение. Сейчас невозможно полностью смоделировать освещение в игре real-time так, как это происходит в нашем, реальном мире. Условно говоря, не в real-time приложениях: освещение считается “пусканием” фотонов из источника света в нужных направлениях и регистрации этих фотонов камерой (глазом). Для подобных процессов в реальном времени требуется апромиксация, например: у нас есть некоторая поверхность и источник света, и для того что-бы создать освещение – требуется рассчитать “освещенность” каждого пикселя принадлежащей поверхности, т.е. учитывается только прямое влияние источника света на тексель. В данной апромиксации не учитывается непрямое освещение, т.е. в случае с real-time фотон может отразиться от какой-либо поверхности и повлиять на совершено другой “тексель”. Для единичных, небольших источников света это не особо критично, но стоит взять большой источник света и “бесконечно удаленный”, например, солнце (небо выступает как мощный «рассеиватель» света от солнца), то сразу возникают проблемы, примерно такие:

В реальном же мире, на подобной сцене не было бы такой черной черноты в местах теней. Развивая дальше тему, можно ввести некоторое значение ambient, которое будет отображать общую освещенность всей сцены, своеобразная аппроксимация непрямого освещения. Но дело в том, что подобное освещение на всей сцене везде одинаково, даже в тех местах, где непрямой свет будет оказывать наименьшее влияние. Но и тут можно схитрить и усложнить апромиксацию путем затенения тех участков, куда отраженному свету сложнее всего добраться. Таким образом мы подошли к понятию называемым “глобальное затенение” (ambient occlusion ). Суть такого подхода заключается в том, что мы для каждого фрагменты сцены находим некоторый заграждающий фактор, т.е. кол-во не загражденных направлений падения “фотона” деленное на общее кол-во всевозможных направлений.

Рассмотрим следующую картинку:

Тут у нас есть две рассматриваемые точки, которые образуют вокруг себя окружность с радиусом R. И для того, чтобы определить степень загражденности взятого фрагмента достаточно найти площадь незагражденного пространства и разделить на общую площадь окружности. Если мы подобную операцию проделаем для всех точек сцены – мы получим глобальное затенение. Выглядеть оно будет примерно так (для трехмерного случая):

Но теперь нужно подумать, как подобный алгоритм внедрить в пайп-лайн рендера графического конвейера. Сложность возникает в том, что отрисовка геометрии происходит постепенно. В следствии чего, первый объект в сцене не будет знать о существовании других. Можно, конечно, заранее рассчитать AO (на этапе загрузки) для сцены, но в таком случае мы не будем учитывать динамически изменяемую геометрию: физические объекты, персонажей, etc. И тут на помощь приходит работа с геометрией в экранном пространстве (Screen Space). Я его уже , когда рассказывал об SSLR-алгоритме. Этим можно воспользоваться и считать AO в экранном пространстве. Тут появляется самая классическая реализация SSAO, придумали его классные ребята из крайтек ровно 8 лет назад. Их алгоритм заключался в следующем: после рисования всей геометрии у них был в наличии буфер глубины, который несет в себе информацию об всей видимой геометрии, строя сферы для каждого текселя они считали кол-во затенения для сцены:

Тут, кстати, возникает еще одна сложность. Дело в том, что мы не можем учесть абсолютно все направления в real-time, во первых, потому, что пространство дискретно, а во вторых на производительности можно ставить крест. Мы не можем учесть даже 250 направлений (а именно столько необходимо для минимально-вменяемого качества изображения). Для того, чтобы сократить кол-во выборок – используют некоторое ядро направлений (от 8 до 32), которое вращают каждый раз на случайное значение. После этих операций нам доступен AO в реал-тайме:

Самое тяжелое в алгоритме SSAO это определение заграждения, ведь это чтение из float-текстуры.
Чуть позже была придумана модификация алгоритма SSAO: Normal-oriented Hemisphere SSAO . Суть модификации в том, что мы можем увеличить точность алгоритма за счет учета нормалей (по сути нужен GBuffer ). Для пространства выборок мы будем использовать не сферу, а полусферу, которая ориентирована по нормали текущего текселя. Такой подход позволяет увеличить кол-во полезных выборок в двое.

Если посмотреть на рисунок, то можно понять, о чем я говорю:

Завершающим этапом алгоритма будет размытие изображения AO для того, чтобы убрать шум, вызванным случайными выборками. В конечном счете – реализация нашего алгоритма будет выглядеть так:

С теорией пока все ясно, можно перейти к практике.

Зона, свободная от теории

Советую прочитать статью, там я рассказывал про суть работы Screen Space пространством. Но, а в практике я приведу особо важные участки кода с нужными комментариями.

Самое первое , что нам понадобится, это информация о геометрии: GBuffer . Т.к. его построение не входит в тему статьи – о нем подробно расскажу как-нибудь в другой раз.

Второе - это полусфера со случайными направлениями:

SamplesKernel = new Vector3; for (int i = 0; i < _samplesKernel.Length; i++) { _samplesKernel[i].X = random.NextFloat(-1f, 1f); _samplesKernel[i].Z = random.NextFloat(-1f, 1f); _samplesKernel[i].Y = random.NextFloat(0f, 1f); _samplesKernel[i].Normalize(); float scale = (float)i / (float)_samplesKernel.Length; scale = MathUtil.Lerp(0.1f, 1.0f, scale * scale); _samplesKernel[i] *= scale; }
Тут важно отметить, что в шейдере у нас не будет трассировки, т.к. мы сильно ограничены в инструкциях, взамен этому – мы будем считать факт нахождения конечной точки в какой-либо геометрии, поэтому необходимо учитывать больше ближней геометрии, чем дальней. Для этого достаточно взять набор точек с нормальным распределением в полусфере. Это можно получить честным нормальным распределением, можно просто дважды умножить вектор на случайное число от 0 до 1, а можно воспользоваться небольшим хаком: задавать длину какой-либо функцией, например квадратичной. Это нам даст более лучший “сорт” ядра.

Третье – это набор каких-нибудь случайных векторов, для того, чтобы разнообразить конечные выборки, у меня оно генерируется в случайным образом:

Color randomNormal = new Color[_randomNormalTexture.Width * _randomNormalTexture.Height]; for (int i = 0; i < randomNormal.Length; i++) { Vector3 tsRandomNormal = new Vector3(random.NextFloat(0f, 1f), 1f, random.NextFloat(0f, 1f)); tsRandomNormal.Normalize(); randomNormal[i] = new Color(tsRandomNormal, 1f); }
Но выглядит оно примерно так:

Не стоит использовать подобную текстуру больше чем 4x4-8x8, потому, что подобное вращение ядра дает низкочастотный шум, который размыть в будущем куда проще.

Теперь поглядим на тело шейдера SSAO:

Float depth = GetDepth(UV); float3 texelNormal = GetNormal(UV); float3 texelPosition = GetPosition2(UV, depth) + texelNormal * NORMAL_BIAS; float3 random = normalize(RandomTexture.Sample(NoiseSampler, UV * RNTextureSize).xyz); float ssao = 0; for(int i = 0; i < MAX_SAMPLE_COUNT; i++) { float3 hemisphereRandomNormal = reflect(SamplesKernel[i], random); float3 hemisphereNormalOrientated = hemisphereRandomNormal * sign(dot(hemisphereRandomNormal, texelNormal)); ssao += calculateOcclusion(texelPosition, texelNormal, hemisphereNormalOrientated, RADIUS); } return (ssao / MAX_SAMPLE_COUNT);
Тут мы получаем нелинейную глубину, получаем мировую позицию и нормаль, получаем набор случайных векторов растянутых на весь экран. Стоит сразу заранее сказать про два хака.

Первый заключается в том, что мы сдвигаем позицию текселя на нормаль умноженную на некоторое маленькое значение, это необходимо для того, чтобы избавится от ненужных пересечений из-за дискретности screen space пространства:

А второй заключается в том, что в алгоритме нам необходимо сравнивать значения глубины, а нелинейная глубина на средних-дальних дистанциях находится в окрестностях единицы. По-хорошему мы должны эту глубину линеализировать, но т.к. подобные значения используются только для сравнения – можно ввести некоторое оценку нелинейной глубины:

Float depthAssessment_invsqrt(float nonLinearDepth) { return 1 / sqrt(1.0 - nonLinearDepth); }
Отдельно стоит сказать, что хорошо бы сделать unroll-цикла, т.к. кол-во выборок заранее известно, подобный код будет работать быстрее.

Float3 hemisphereRandomNormal = reflect(SamplesKernel[i], random); float3 hemisphereNormalOrientated = hemisphereRandomNormal * sign(dot(hemisphereRandomNormal, texelNormal));
И передаем функции расчета заграждения:

Float calculateOcclusion(float3 texelPosition, float3 texelNormal, float3 sampleDir, float radius) { float3 position = texelPosition + sampleDir * radius; float3 sampleProjected = GetUV(position); float sampleRealDepth = GetDepth(sampleProjected.xy); float assessProjected = depthAssessment_invsqrt(sampleProjected.z); float assessReaded = depthAssessment_invsqrt(sampleRealDepth); float differnce = (assessReaded - assessProjected); float occlussion = step(differnce, 0); // (x >= y) ? 1: 0 float distanceCheck = min(1.0, radius / abs(assessmentDepth - assessReaded)); return occlussion * distanceCheck; }
Берем сэмпл и проектируем его в экранное пространство (получаем новые значения UV.xy и нелинейную глубину):

Float3 position = texelPosition + sampleDir * radius; float3 sampleProjected = GetUV(position);

Функция проекции выглядит следующим образом:
float3 _innerGetUV(float3 position, float4x4 VP) { float4 pVP = mul(float4(position, 1.0f), VP); pVP.xy = float2(0.5f, 0.5f) + float2(0.5f, -0.5f) * pVP.xy / pVP.w; return float3(pVP.xy, pVP.z / pVP.w); } float3 GetUV(float3 position) { return _innerGetUV(position, ViewProjection); }
Константы 0.5f напрашиваются, чтобы их зашили в матричку.

После этого мы получаем новое значение глубины:
float assessProjected = depthAssessment_invsqrt(sampleProjected.z); float assessReaded = depthAssessment_invsqrt(sampleRealDepth); float differnce = (assessReaded - assessProjected); float occlussion = step(differnce, 0); // (x >= y) ? 1: 0
Факт заграждения мы определяем как: “видна ли точка наблюдателю”, т.е. если точка не лежит в какой-либо геометрии – то assessReaded будет всегда строго меньше assessProjected .

Ну и с учетом того, что в экранном пространстве полно такого явления как information lost, мы должны регулировать кол-во затенения в зависимости от дистанции “проникновения” в геометрию. Это необходимо для того, что мы ничего не знаем о геометрии за видимой частью экранного пространства:

Float distanceCheck = min(1.0, radius / abs(differnce));
Ну и финальный этап, это размытие. Я лишь скажу то, что нельзя размывать буффер SSAO без учета неоднородности глубины как это делают многие. Так же, хорошо бы учесть и нормали при размытии, примерно так:

If(DepthAnalysis) { float lDepthR = LinearizeDepth(GetDepth(UVR)); float lDepthL = LinearizeDepth(GetDepth(UVL)); depthFactorR = saturate(1.0f / (abs(lDepthR - lDepthC) / DepthAnalysisFactor)); depthFactorL = saturate(1.0f / (abs(lDepthL - lDepthC) / DepthAnalysisFactor)); } if(NormalAnalysis) { float3 normalR = GetNormal(UVR); float3 normalL = GetNormal(UVL); normalFactorL = saturate(max(0.0f, dot(normalC, normalL))); normalFactorR = saturate(max(0.0f, dot(normalC, normalR))); }
Коэффициенты depthFactor и normalFactor учитываются в коэффициентах размытия.

Взамен заключения

Для более подробного изучения – я оставлю полный исходный код

Теперь же поговорим о еще одном эффекте, который позволяет серьезно улучшить реалистичность картинки - о Ambient Occlusion (AO), или о затенении.

В оптике можно выделить три простых градации освещенности - тень (источник света не виден), полутень (источник света виден частично) и освещенное место (источник света виден полностью). Казалось бы - все просто, рассчитать границы тени и полутени можно в два счета с помощью обыкновенных лучей. Однако полученная в результате картинка наводит на мысль, что мы где-то что-то забыли:

Таких черных теней не бывает (ну на Земле по крайней мере), так что сразу становится очевидным, что мы забыли - рассеяние света: суть в том, что в реальном времени фотоны могут отражаться от различных поверхностей и в итоге попадать туда, куда напрямую фотоны от источника не долетают: именно поэтому в тени хоть и темнее, чем на свету, но не черным черно. На Земле таким «рассеивателем» фотонов выступает сама атмосфера.

Но тут возникает вопрос - а как это рассчитать-то? Увы - алгоритма, дающего 100% точное рассеяние света в real-time, нет, однако есть множество хорошо приближенных к реальности алгоритмов, отлаженных настолько, что они спокойно используются в видеоиграх.

Для начала - общая для всех алгоритмов теория: можно ввести так называемую среднюю освещенность всей сцены, своеобразную аппроксимацию непрямого освещения. Но вот проблема в том, что в местах, где есть тень, такая аппроксимация будет давать повышенную яркость. Поэтому можно несколько усложнить ее - снижать яркость в тех местах, куда отраженному свету труднее добраться. То есть для каждого фрагмента сцены мы находим так называемый заграждающий фактор: количество свободных «путей» для фотона деленное на все количество путей фотона до данного участка, и на основе этих данных и средней яркости сцены можно рассчитать яркость конкретного участка.

Однако тут мы получаем очередную проблему - отрисовка геометрии происходит постепенно, поэтому заграждающий фактор также в процессе отрисовки может серьезно меняться. Можно, конечно, рассчитать AO на этапе загрузки сцены, но тогда затенение не коснется динамических объектов (персонажей, машин и т.д.) - а это нехорошо. И тут приходит идея использовать для отрисовки затенения экранное пространство (Screen Space), что в итоге выливается в простейший алгоритм AO - SSAO.

SSAO

Этот алгоритм появился еще в Crysis 10 лет назад. Его суть проста: после построения геометрии у нас остается Z-буфер, или буфер глубины, который включает в себя абсолютно всю информацию о геометрии сцены - а значит никаких проблем сделать AO нет.

Хотя, конечно, кого я обманываю - проблемы есть, и самая серьезная - недостаточная производительность современных видеокарт: для того, чтобы получить более-менее неплохую карту затенения, для каждого фрагмента сцены нужно обсчитывать порядка 200-250 направлений, что позволяет «закопать» любой GPU. Поэтому делается хитрее - используется 8-32 «луча», направленные на выбранный фрагмент сцены, которые каждый раз поворачиваются на случайное значение. В итоге получается терпимое качество картинки с не очень большими затратами на расчеты:

В дальнейшем алгоритм был доработан - стали использоваться карты нормалей, что снизило сложность вдвое и позволило в итоге вдвое увеличить число выборок. Ну и финальный штрих - стали использовать размытие, дабы сгладить шум от случайных выборок.

HBAO и HBAO+

Nvidia не была бы Nvidia, если бы не стала развивать затенение дальше, представив в 2008 году HBAO - Horizon Based Ambient Occlusion. От SSAO это затенение отличалось тем, что оно основано на физической модели, где аппроксимируется интеграл освещенности фрагмента сцены со значениями выборки буфера глубины. Итоговое качество оказывается выше SSAO при большом числе выборок, но мы опять же упираемся в производительность. Поэтому HBAO рендерится обычно в более низком разрешении, что приводит к мерцанию картинки.

Проблема мерцания была исправлена в HBAO+ простым методом, который сейчас активно использует Sony в 4К играх на PlayStation 4 Pro: для рассчета HBAO+ используется шахматный рендеринг, то есть для обработки затенения используется часть предыдущего кадра и половина нового: это требует меньше затрат GPU, но при этом позволяет рендерить затенение в исходном разрешении, что и убирает мерцание.

HDAO

AMD в стороне не остались, и стали использовать собственное затенение (которое, к слову, также работает и на Nvidia) - HDAO (High Definition AO). Увы - AMD не делится алгоритмом, однако известно, что в его основе лежит Gather4 - технология, которая собирает 4 текселя в один регистр. То есть, как и с HBAO, по сути происходит рендеринг в пониженном разрешении. В итоге, в среднем картинка с HBAO и HDAO сравнима по качеству, но опять же - все достаточно сильно зависит от игры: к примеру, в Far Cry 3 с HDAO трава выглядит красивее:

VXAO

С выходом DX12 Nvidia представила принципиально новое затенение - VXAO (Voxel Accelerated Ambient Occlusion). Его суть в том, что оно работает уже не с пикселями и текселями (то есть 2D-объектами), а с вокселями - аналогом пикселя в 3D. И теперь мы используем не Z-буфер, а воксельное построение сцены, поэтому алгоритм состоит из трех пунктов: вокселизация, постобработка вокселей и трассировка конуса. Вокселизация выполняется путем рендеринга треугольных сеток в трехмерную текстуру, и поэтому ее производительность сильно зависит от общего количества треугольников, размера этих треугольников и количества вызовов рисования, необходимых для их рендеринга. Постобработка объединяет проходы, такие как очистка, фильтрация и понижающие выборки вокселей, а ее производительность зависит от общего количества вокселей, созданных во время вокселизации. Типичное время после обработки составляет 0,5 - 1,5 мс. И, наконец, трассировка конуса выполняется в пространстве экрана, поэтому его производительность зависит от разрешения экрана и скорости затенения. Итоговое качество картинки оказывается в куда лучше, чем с HBAO+:

На этом все. Советы для игроков простые: если компьютер хорошо тянет игру без AO, то можно попробовать включить SSAO или HBAO - обычно это снижает fps не более чем на 10%. Если же и с ними производительность отличная - можно попробовать HBAO+ и HDAO. Ну и для самых топовых видеокарт современности можно порекомендовать набирающее обороты VXAO - оно крайне требовательно к ресурсам (в том числе и к видеопамяти), поэтому даже в FHD оно будет доступно лишь пользователям старших Nvidia GTX 900ой и 1000ой линейки, а также владельцам старших AMD RX, Fury и Vega.