Одной из ведущих отраслей компьютерной индустрии является «изготовление» игр. Специально для игр разрабатываются особые материнские платы, видеокарты, чипсеты. Но, как всем известно, главное требование любой современной игры – мощная видеокарта. Правда видеокарта является и самой дорогостоящей деталью персонального компьютера. Поэтому не все могут позволить менять видуокарту как перчатки, а значит вопрос о том, как настроить графику в играх – всегда актуален!

Нередко финансы не позволяют приобрести хорошую видеокарту. Из-за этого возникает ряд проблем, например, торможение, «лесенка» на границах предметов или плохая деталировка. Однако «слабая» видеокарта – это не приговор. Ситуацию можно спасти настройкой графики. Даже если у вас не самый производительный компьютер, «картинка» может быть вполне нормальной. Естественно, чем-то придется жертвовать, но это все, же лучше чем испорченная игра. И дальше мы будем разбираться с самыми распространёнными настройками графики.

Если вы уже пытались разобраться в установках игры, то, вероятно, поняли максимум половину из написанного. Допустим анизотропная фильтрация. Анизотропная фильтрация очень хороша при генерации сильно наклонённых относительно камеры объектах. Она оставляет текстуру равнозначно чёткой, а не частично размытой. Обойдёмся без заумных слов, объясню всё просто и понятно. Когда текстура рисунка воспроизводится на экране, то отображается либо уменьшенной, либо увеличенной. Уменьшением-увеличением и занимается анизотропная фильтрация. Иными словами она убирает «лиш¬ние» пикселы или, наоборот, при необходимости вставляет дополнительные. Ещё этот вид фильтрации лишен генерации большинства артефактов.

У Анизотропной фильтрации всего одна настройка – это коэффициент фильтрации. Возможные значения этого коэффициента могут принимать такие значения: 2x, 4x, 8x и 16x. Текстуры выгля¬дят четче и естественнее при более высоком значении. Для получения нормальной картинки достаточно 4x или 8x. Даже, если вы поставите 8x или 16x, особо на быстродействие это не скажется.

Я уверен, вы обратили внимание на очень странное слово в настройках – шейдеры. Они манипулируют 3D-сценой. Например, добавляют постобра¬ботку, накладывают текстуру, изменяют освещенность. Словом шейдеры создают новые эффекты. В параллельном ре¬жиме шейдеры работают наиболее продуктивно.

Parallax mapping симулирует рельефность текстур. Он ничего не создаёт, а только манипулирует текстурами. Например, ваш персонаж может «вставить» ногу в камень.
Эффект работает удачно только когда высота предмета меняется плавно, иначе у картинки появляются изъяны. Parallax mapping существенно экономит вычислительные ресур¬сы компьютера.

Тесселяция – это ещё один помощник графики в играх. В отличие от Parallax mapping, который только создаёт иллюзию объёмности объекта, тесселяция реально увеличивает детализацию простых 3D-объектов,. К тому же тесселяция может быть применена для любых предметов.

Ещё одно отличие от Parallax mapping в том, что тесселяция значительно загружает компьютер и работает только с DirectX 11.

Теперь об эффекте, убирающем лесенку на краях предметов – сглаживании (Anti-Aliasing). Есть несколько видов сглаживания разной эффективности и «тяжести» для видеокарты: FSAA, MSAA, CSAA, SSAA. CSAA уже морально устарел. MSAA и SSAA по принципу работы практически идентичны. MSAA сглаживает только края предметов. Это экономит ресурсы видеокарты. FSAA превосходно всё сглаживает, но количество кадров в секунду будет очень низким.

Сглаживание, как и фильтрация, имеет один параметр – коэффициент сглаживания (2x, 4x, 8x, 16x, 32х). Раньше сглаживание существенно влияло на количество кадров, сейчас это влияние практически почти не сказывается.

Опция V-Sync (вертикальная синхронизация) служит для синхронизации кадров игры с частотой вертикальной развертки монитора. То есть игровой кадр выводиться на монитор во время обновления на нём картинки. Важно, что в игре fps не может превышать частоту вертикальной развертки монитора. Иначе придётся активировать тройную буферизацию. Вертикальная синхронизация избежать эффекта сдвинутого кадра.

Эффект HIGH DYNAMIC RANGE (HDR) часто используется в сценах с контрастным освещением. Без этого эффекта в сценах с контрастным освещением всё становится монотонным и теряет деталировку. Предварительные просчёты проводятся повышенной точности: 64 или 96 бит. Только при выводе на экран, картинка подгоняется под 24 бит. Этот эффект часто используется для создания иллюзии адаптации зрения при выходе героя из туннеля на ярко освещённую поверхность.

MOTION BLUR – эффект смазывания при быстром перемещении камеры. Он добавляет кинематографичности в происходящее на экране. Зачастую используется в гоночных играх для добавления динамики.

В настройках также можно встретить такую технику, как SSAO (Screen Space Ambient Occlusion). Данная техника используется, чтобы придать сцене фотореалистичности. Она построена на принципе создания более реалистичного освещения сцены с учётом характеристик отражения и поглощения света. Ее предшественник, Ambient occlusion, не нашел применения на современных GPU из-за высокого уровня их быстродействия. Понятно, что SSAO даёт более слабый результат, но его вполне достаточно. Вообще, SSAO – золотая середина между качеством картинки и производительности.

Я думаю, в шутерах многие стыкались с такой опцией, как BLOOM. Она симулирует эффект съёмки ярких сцен обычными камерами, когда яркий свет за предметами «заливает» предметы перед собой. Данный эффект может создавать артефакты на краях предметов.
Иногда игры основывают на эффекте CEL SHADING. В нём каждый кадр доводится практически до рисунка от руки или фрагмента из мультика. Грубо говоря – это просто комиксы-раскраски. Игры в таком стиле начали выпускать с 2000 г.

Ещё один эффект – это FILM GRAIN: зернистость. Артефакт возникает в аналоговом ТВ при плохом сигнале, фотогра¬фиях (сделанных при недостаточном освещении) или на старых магнит¬ных кассетах. Обычно данный эффект только мешает, но в некоторых играх (ужастиках, например, Silent Hill) он только добавляет атмосферности.

В шутерах используется ещё один эффект, добавляющий иллюзию присутствия. Это – DEPTH OF FIELD (глубина резкости). DEPTH OF FIELD – это фокусировка камеры на дальнем или ближнем плане. Например, в фокусе передний план, значит задний план – размытый и наоборот. Лицезреть эффект глубины резкости можно на фотографиях сделанных качественным фотоаппаратом.

Вы только что познакомились со всеми распространенными игровыми эффектами графики и теперь можете качественно настроить графику в любой игре. Но не забывайте, что включение их всех на максимум приведёт сильнейшему уменьшению количества кадров в секунду, то есть торможению картинки. Так что настраивайте с умом. Ну, а впрочем, желаю вам весёлой и зрелищной игры

Кстати, рекомендую вот этот гайд для очистки ПК от мусора и соответственн оускорения его работы. Ссылка на гайд: http://pcguide.biz/del-trash.html

Графика в играх – видео разбор:

• 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

Классически - теории

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

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

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

High dynamic range (HDR)

Film Grain

Motion Blur

Выключен

Включен

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

SSAO

Cel shading

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

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

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.

Стоит только начать обсуждение новой игры для ПК, как неотвратимо всплывет слово «оптимизация». Deus Ex: Mankind Divided? «Похоже, что эту игру ВООБЩЕ не оптимизировали», - пишет кто-то из игроков в Steam. Metro: Last Light? «Если коротко, то оптимизация выполнена ужасно», - пишет другой.

Жалобы на плохую оптимизацию, как правило, идут бок о бок с фразами наподобие «у меня эта игра тормозит». Но связана ли производительность с ошибками программистов, которые не смогли эффективно написать код? Как понять, игра на самом деле плохо оптимизирована или для нее просто не хватает мощности вашего ПК?

В этой статье я постараюсь прояснить, чем является оптимизация на самом деле, расскажу о некоторых технических средствах вроде освещения и сглаживания, которые всегда требовательны к ресурсам вашего ПК, а также немного объясню, как разработчики определяют настройки графики и системные требования.

Что такое оптимизация, и чем её измерить?

Оптимизация в компьютерных играх - это вовсе не то же самое, что оптимизация в информатике. Она используется не столько для того, чтобы оптимизировать процесс, сколько для того, чтобы что-нибудь улучшить. Ключевое отличие состоит в том, что в информатике оптимизацией называется то, что дает точно такой же конечный результат.

Вот простой пример. Допустим, вам необходимо вычислить следующее:

a = b*c + b*c + b*c

Если вместо этого мы определим:

d = b*c, и запишем a = d + d + d

это будет «оптимизацией», так как для получения этого же результата используется всего одна операция умножения вместо трех. Если придерживаться такого узкого определения, то попытки сравнивать уровень оптимизации в разных играх, создатели которых ставят перед собой разные цели, становятся совершенно нецелесообразными.

Так как же нам рассуждать об оптимизации, сохранив хоть какую-то объективность? Вот какое определение дали мне в QLOC:

Показатель хорошей оптимизации - работающая игра работает с одинаковой частотой кадров на широкой линейке аппаратных конфигураций, включая низкопроизводительные.

Для поддержания стабильной частоты кадров они уделяют большое внимание настройкам графики, за счет которых можно преодолеть широкий технологический разрыв между высоко- и низкопроизводительными ПК.

Дин Секулич из Croteam оптимизирует игры уже 20 лет и уверен, что «с одной стороны, невозможно сравнить, насколько оптимизированы разные игры», но с другой? всегда можно составить мнение, визуально оценив качество двух разных игр и уровень производительности, который ими достигнут. Однако он также отмечает, что «есть много всего скрытого от глаз», влияющего на поведение игры.

Что же это? Понимание того, что такое оптимизация и что на неё влияет, подразумевает получение ответа на этот вопрос. Мы начнем с оценки того, как на производительность могут влиять те визуальные эффекты, которые дают наибольшую нагрузку на современные аппаратные средства.

Современные эффекты и производительность

Если вы разочарованы производительностью игры, скорее всего виной тому один из этих эффектов. В большинстве случаев картинка не выглядит плавной именно благодаря им, и с них стоит начать настройку графики для достижения частоты 60 FPS (кадров в секунду).

Качество изображения

Возможно, самый простой параметр, который заметно влияет на производительность и позволяет сравнивать уровень оптимизации, это разрешение экрана . Вполне естественно сравнивать игры на одинаковом разрешении, поскольку этот параметр состоит всего из двух чисел (к примеру, 1920×1080) и доступен для настройки практически в каждой игре. Важный факт, который часто упускается из виду: с изменением разрешения меняется количество выводимых пикселей - 4k дает нагрузку примерно в четыре, а не в два раза больше, чем 2k.

Сглаживание - это намного более сложная тема, когда дело касается сравнений. В современных играх вы можете встретить любую из этих настроек:

• Чистые методы работы с экранным пространством, такие как FXAA или SMAA (1x). Работают с уже сгенерированным изображением. На этапе постобработки производится попытка выявить и устранить артефакты визуализации, к примеру, «лесенки».
• Методы временного сглаживания. Делают движения более плавными, генерируя изображение с наложением предыдущего кадра и выводят промежуточный результат.
• Множественная выборка сглаживания или мультисэмплинг (MSAA). На разных этапах визуализации пиксели на гранях полигонов генерируются на основе нескольких предварительных виртуальных моделей.
• Избыточная выборка сглаживания или суперсэмплинг. На разных этапах визуализации все пиксели генерируются на основе нескольких предварительных виртуальных моделей.
• Комбинации из вышеописанных методов (к примеру, TXAA)

Список представлен в порядке возрастания ожидаемого влияния на производительность, за исключением последнего пункта, который зависит от используемых методов. Методы, работающие с экранным пространством, задействуют небольшое количество ресурсов, чуть больше нагрузки дает временное сглаживание, далее следуют мультисэмплинг и, наконец, суперсэмплинг. Мультисэмплинг представляет особую сложность для сопоставления производительности, поскольку, в зависимости от способа реализации, нагрузка при использовании этого метода может значительно различаться - от минимальной до близкой с суперсэмплингу. Суперсэмплинг достаточно легко соотнести с разрешением: использование Nx суперсэмплинга увеличивает нагрузку эквивалентно увеличению разрешения в N раз.

Освещение и тени

Поверхности и окружающая атмосфера напрямую зависят от освещения, которое относится к основам 3D графики и одновременно является ее Священным Граалем. Постоянно разрабатываются всё более сложные эффекты, благодаря которым достижимо современное качество изображения, однако улучшение картинки часто достигается за счет огромного ущерба производительности.

Если речь идет об освещении, то обработка почти всего, что позиционируется, как объёмное , или приближенно к глобальному освещению , чаще всего является оправданно затратной. Это относится и к современной реализации так называемых, лучей бога , которые воспроизводят эффект яркого сияния, подсвечивающего взвешенные в воздухе частицы или пыль на более темном фоне.

Там, где есть свет, должны быть и тени, но, к сожалению, в играх это не происходит таким же естественным образом, как в реальной жизни. В современных играх, как правило, используются два источника теней, работающих в реальном времени: рассеянное затенение , которое пытается снизить интенсивность общего освещения и зависит, как правило, от близлежащих объектов, а также прямое затенение .

Рассеянное затенение впервые было представлено в Crysis и само по себе требовало немалых ресурсов. В наши дни использование этого эффекта больше не вызывает проблем с производительностью. Однако новые графические техники, такие как воксельное рассеянное затенение или затенение отдаленных пространств, всё еще достаточно требовательны к производительности.

Наряду с прямым затенением, в играх сложно воспроизвести и контактное уплотнение . Этот эффект заключается в том, что, чем ближе тень к отбрасывающему ее объекту, тем контрастнее ее очертания, а чем дальше, тем они мягче. Есть целый ряд различных реализаций этого эффекта (к примеру, PCSS), но любая из них дает высокую нагрузку на производительность.

Существует важная деталь, которую необходимо учитывать, когда вы рассуждаете об оптимизации: все, что относится к динамике в реальном времени - движение света или изменение яркости, перемещение игроков, а в худшем случае и изменение рельефа местности - намного сильнее влияет на производительность, чем освещение и тени, которые можно рассчитать заранее. Если в игре присутствует смена дня и ночи или возможность менять ландшафт, это должно быть тщательным образом учтено при обсуждении использованных технологий освещения и теней.

Прочие визуальные эффекты

Многие из эффектов, которые не входят ни в одну из вышеперечисленных категорий, служат для имитации оптических свойств камеры. Как правило, они не слишком сокращают производительность, за исключением высокоточной имитации размытия боке . Чем сильнее размытие участков изображения вне фокуса, тем больше страдает производительность.

Относительно новая разработка, которая часто встречается наряду с физически корректным рендерингом, это отражения на экранном пространстве. Этот эффект оказывает заметное влияние на производительность, хотя и менее ресурсоемок, чем традиционные техники реализации отражений, при использовании которых большие участки сцены просчитываются заново. Кроме того, нагрузка удваивается, если имитируются дополнительные детали вроде контактного уплотнения.

И наконец, существует категория эффектов, относящихся к физическому моделированию , которые тоже достаточно требовательны к ресурсам центрального либо графического процессора, а, бывает, и обоих сразу. Они используются в целях, не связанных с геймплеем, и чаще всего нужны для имитации волос и одежды, а также жидкостей, газов, мусора и их динамического взаимодействия.

Особенности оптимизации

Теперь, когда у нас есть некоторое представление о самых ресурсоемких эффектах в современных играх, мы можем заняться рассмотрением, что необходимо для создания игры, которая, как хотелось бы надеяться, в конечном итоге будет оптимизирована.

Стандартные настройки и системные требования

Предустановленные графические настройки - привычные «низкие», «средние», «высокие», «очень высокие», «ультра» - практически никогда не соответствуют друг другу в разных играх, однако они крайне важны: их используют игроки, которые не хотят углубляться в тонкости индивидуальной настройки.
В Croteam «средние» предустановки определяются на ранней стадии разработки игры и зависят от текущего и прогнозируемого уровня развития аппаратных средств, а будущие графическое оформление и дизайн выполняются с учетом этого стандарта. Ближе к выпуску техническая команда определяет настройки для каждой предустановки, стараясь на каждом уровне сбалансировать качество картинки и производительность.

Лично я люблю именно их подход за то, что они разделяют настройки по нагрузке на центральный и графический процессоры или память, вместо того, чтобы оставлять игрока разбираться в этом самостоятельно. Одновременно с тем, что они стараются разрабатывать игры для сбалансированных ПК, такой подход позволяет эффективнее использовать производительность тем игрокам, на чьих компьютерах установлены мощные или же слабые центральные или графические процессоры.

Для QLOC, где, в основном, занимаются портированием консольных игр на ПК, «средние» настройки портированной игры определяются стандартными установками графики на консоли, однако могут быть внесены и некоторые изменения, вызванные различием платформ. В тех случаях, когда такое возможно, вводится варьируемость параметров. Предустановки графики и системные требования меняются в процессе оптимизации, начиная того момента, как система визуализации и другие ключевые механизмы протестированы и функционируют.

Игрокам не всегда до конца известно, каким образом определяются системные требования. В то время как

каждый разработчик использует собственные стандарты, в Croteam «минимальные» требования означают, что игра должна хорошо работать на низких настройках, и если эти требования не соблюдены, техническая поддержка не предоставляется. «Рекомендуемые» же системные требования подразумевают, что игра должна хорошо работать («не на средних, а на высоких», как сказал мне Дин) c разрешением 1080p.

Как оценивать оптимизацию игры

Вооружившись знанием о том, в чем заключается оптимизация, и о том, как работают самые ресурсоемкие эффекты, мы можем попытаться пересмотреть несколько самых острых тем из обсуждений «неоптимизированных» игр.

Относительно недавно утихли обсуждения Dying Light, и, на мой взгляд, это один из самых показательных случаев – не в том, что касается ошибок разработчиков, но касательно оценки, которую получила эта игра. Dying Light это игра с открытым миром, в котором необходимо много путешествовать, кроме того, присутствует динамическая смена дня и ночи, а это компоненты, которые делают игру технически сложной в реализации. Игра предоставляет широкие возможности для настройки дальности прорисовки, которая, в частности, дает огромную нагрузку на центральный и графический процессоры.

Поднялся громкий вой на Dying Light, как на «ужасно не оптимизированный порт на ПК» из-за того, что она не соответствовала (произвольно выбранным) стандартам на максимальных настройках графики. Как выяснилось, ползунок настройки дальности прорисовки, установленный на минимум, в первоначальной версии игры определял более высокую дальность прорисовки, чем на консоли. В сущности, люди были недовольны тем, что разработчик подразумевал, что в ранних патчах игрокам придется устанавливать ползунок дальности прорисовки на 55% от максимального значения.

Выглядела бы игра более «оптимизированной», если бы этот простой шаг был сделан до релиза? Я в этом уверен. При этом была бы она на самом деле «лучше оптимизирована»? Разумеется, нет. Dying Light – не только хороший пример того, как сложно оценить качество оптимизации, но и того, что должны учитывать разработчики при определении доступных настроек графики.

Похожая история недавно произошла с Deus Ex: Mankind Divided, в которой важное значение имеет настройка MSAA (до 8x). Поскольку в игре используется отложенное освещение и затенение – универсальная техника визуализации, которая делает намного менее эффективной простую реализацию MSAA с аппаратным ускорением - MSAA давала большую нагрузку на производительность, которой от нее никто не ожидал. И снова, игра выглядела бы более «оптимизированной» в том случае, если бы не предоставляла такую настройку, при чем, опять же, проблема с оптимизацией совсем не в этом.

Игра редко представляет из себя монолитную сущность, которая либо оптимизирована, либо нет. Не оптимизированы могут быть отдельные эффекты, в отличие от игры в целом. Это особенно распространено при использовании нововведений: когда в оригинальной Crysis впервые было использовано рассеянное затенение, оно было плохо оптимизировано по сравнению с современными реализациями. Кроме того, первая реализация воксельного рассеянного затенения в Rise of the Tomb Raider – в целом хорошо оптимизированной и красивой игры – может оказаться хуже грядущих реализаций.

Metro 2033 стала одной из первых игр, где были широко использованы объемные лучи, и позиционировалась она как духовный приемник Crysis в том, что касается производительности на высоких настройках. Это же актуально и для недавнего и последующего использования теней с контактным уплотнением. Тем не менее, я считаю, что необходимо экспериментировать с внедрением новых возможностей, несмотря на то, что первые реализации не всегда можно использовать из-за их нагрузки на производительность. Благодаря этому процесс развития игровой разработки не стоит на месте, и появляются хорошо оптимизированные визуальные эффекты. Прелесть платформы ПК заключается в том, что эффект, который был «не оптимизирован» в 2010 году, может быть использован по максимуму в 2016-м, и игра будет выглядеть лучше даже на средней аппаратной конфигурации.

Разумеется, существуют игры, которые действительно плохо оптимизированы. Обычно за ними стоит одно и то же: недостаток ресурсов, попытка небольшого разработчика откусить больше, чем он может прожевать, или просто низкие технические навыки. Когда игра тормозит на настройках по умолчанию даже на самом мощном ПК, или в простой 2D игре fps падает до 20 кадров в секунду даже на современной консоли, тогда никакой самый глубокий анализ не приведет к утешительным выводам. В большинстве случаев, однако, оценка становится намного сложнее, и я надеюсь, что, как я надеюсь, было хорошо проиллюстрировано в этом разделе.

Трудности оптимизации

Сам процесс создания оптимального кода (в том значении, которое используется в информатике, что упоминалось ранее) достаточно трудоемок. Для Дина Секулича «худший кошмар оптимизации» это «смотреть на данные профайлера и видеть, что выполнение верхней функции занимает 3% времени». Для понимания того, что имеется ввиду, скажу, что профайлер - это инструмент, который позволяет программисту увидеть, сколько времени у программы уходит на выполнение каждой функции, обычно он сортирует итоговый список по убыванию времени выполнения.

Когда верхняя функция занимает 3% времени, это означает, что если вам удастся вдвое сократить время ее выполнения - для чего могут потребоваться титанические усилия - в целом программа ускорится на 1,5%. Из-за того, что подобные ситуации возникают постоянно, оптимизация готового кода превращается в поэтапный и трудоемкий процесс.

В QLOC портируют игры с использованием самых разных технологий, поэтому с каждым проектом возникают новые задачи. «Это может быть по-настоящему сложно для одной игры, и намного проще для другой».

Таким образом, как говорит Дин, в оптимизации программы «не бывает простых и очевидных решений».
К вопросу о DirectX 12: Низкоуровневые интерфейсы вроде DirectX 12 иногда становятся простым ответом на споры об оптимизации, однако множество игр с DirectX 12 так и не показали значительных результатов в производительности.

За исключением тех случаев, когда игровой движок полностью поддерживает новый низкоуровневый интерфейс, использование такого интерфейса сразу же после появления в QLOC считается неоправданным или «дающим небольшое улучшение производительности, которое может быть сведено на нет, когда портирование завершено».

Дин Секулич уверен, что «парадигму движков визуализации пора менять», но при этом видит огромный потенциал для Vulkan в будущем. Он дает наполовину шуточный совет разработчикам: «Если вы используете Vulkan, добавляйте на экран побольше объектов», подразумевая, что в будущем могут возникнуть ситуации, которые невозможно качественно воспроизвести, используя возможности современных интерфейсов.

Учитывая основное содержание как онлайн-дискуссий и обзоров, так и этой статьи, следует повторить еще раз: оптимизация - это тема, подразумевающая не только графику , даже несмотря на то, что обработка каждого выводимого кадра занимает значительную часть процессорного времени.

Как говорят в команде разработчиков QLOC, «Для нас оптимизация также во многом касается исправления неудачных решений с управлением, повышения комфорта игрового процесса, улучшения пользовательского интерфейса, усовершенствования системы сохранений и загрузки, улучшения работы с сетью и даже исправления старых ошибок в первоначальном коде». Могу себе представить, что есть немало людей, которые могут по достоинству оценить подобный подход, и которые, в свое время, помучались с ускорением мыши, задержками ввода или кричащим пользовательским интерфейсом в других портированных играх – я сам о таком частенько писал.

Подводя итог

Несмотря на то, что эта статья описывает множество различных тонкостей, она только слегка затрагивает то, что на самом деле происходит в процессе оптимизации современной игры для ПК. Надеюсь, что мне удалось раскрыть несколько секретов внутренней кухни, а также дать подсказки, которые помогут вам отключить нужные настройки для того, чтобы игра работала с высокой частотой кадров.

В подобной форме это оказалось бы невозможным без помощи добрых людей из QLOC и Croteam. Croteam считается перспективной и опытной компанией, разрабатывающей игры в первую очередь для ПК и известной высоким качеством своих продуктов. О QLOC мы знаем в первую очередь благодаря их работе по портированию игр. Ожидая выход игры на ПК, игроки, как правило, вздыхают с облегчением, когда видят название этой компании. Если вы найдете в статье ошибки, то они принадлежат только мне, а не им.
В завершение статьи хотелось бы озвучить две просьбы.

Когда вы сравниваете относительную производительность игр, постарайтесь принять во внимание все то, что в них действительно заложено. Как говорилось выше, освещение в реальном времени и интерактивные объекты несравнимо труднее реализовать с той же эффективностью, как статические сцены, и реальность ставит всех нас - даже самых безучастных - перед фактом, что нагрузка на производительность не зависит от того, насколько оптимизированы эти эффекты.

Аналогичным образом, стоит учитывать, что даже если дополнительные настройки визуальных эффектов новейшего поколения сейчас бесполезны, их наличие в любом случае лучше, чем их отсутствие. Они не делают игру менее оптимизированной. Я всегда считал, что возможность вернуться к высококлассной игре много лет спустя и увидеть, как раскроется ее красота, является одним из главных преимуществ ПК как платформы, и было бы грустно видеть, что оно сводится на нет из-за недальновидных суждений об оптимизации.