Как устроены тени в старых 3D-играх

Ближе к концу превосходной ленты Вима Вендерса «Идеальные дни» главный герой Хираяма пьёт пиво под мостом после того, как увидел, как Бизнесмен ухаживает за девушкой, в которую влюблён Хираяма. Внезапно к нему подходит Бизнесмен. Всё оказалось не так просто, но их беседа приводит их к фундаментальным вопросам:

Бизнесмен: Тени. Становятся ли они темнее, когда накладываются друг на друга?
Хираяма: Не знаю.
Бизнесмен: Я не знаю ещё очень многого... Именно так заканчивается жизнь... Наверно.
Хираяма: Давайте узнаем прямо сейчас.
Бизнесмен: Что?

И они выходят на свет уличного фонаря, чтобы изучить свои тени (сцена целиком ^[1]):

Хотя Бизнесмен и не видит разницы, Хираяма уверен, что пересекающиеся тени действительно становятся темнее. «Они должны становиться темнее, это логично». Очень сильная сцена.

К сожалению, Хираяма ошибается. Тени не становились темнее. Источник света всего один, и он довольно далеко, поэтому тень — это просто отсутствие света. Не важно, сколько раз перекрыт источник света.

В 3D-видеоиграх же тени — это нечто совсем иное. Очень легко нарисовать тёмное пятно под ногами персонажа и предполагать, что всё остальное освещено. Возможно, Хираяма вспоминал тень-пятно из Metal Gear Solid, которая становится темнее, когда накладывается на другие?

В реальном мире тени просто существуют, но в играх они разрабатываются и проектируются. Они должны обеспечивать хорошую производительность, но при этом прилично выглядеть. Эта взаимосвязь кажется мне восхитительной, и в статье я объясню, почему. Начнём с простых примеров.

Экранные 2D-тени

Можно отрисовать на экране изображение тени до отрисовки персонажа. Я говорю не о спрайтах теней, как в Duke Nukem 3D ^[2], а в буквальном смысле о 2D-изображении без масштабирования. Это срабатывает, если персонаж находится на самом переднем плане, как в Winter Gold или в MDK.

Как я и говорил, это было просто.

Тень-пятно

Так, а теперь 3D. Отрисуем тёмный диск под персонажем. Вот и всё.

На самом деле, нужно ещё и выровнять диск тени относительно земли, а также подумать, как обрабатывать ситуации, когда тень накладывается на уступ. Например, в Super Mario 64 пятна отрисовываются при помощи особой аппаратной функции, которая, по сути, усекает тень, чтобы она отображалась только на плоскости земли.

Тень-пятно может быть и анимированной. В Super Mario 64 она становится меньше при прыжке, а в Metal Gear Solid она меняет форму ^[5]. Если вы хотите заморочиться, то можете решить проблему тени над выступом, проецируя четырёхугольник тени как декаль ^[6].

Проецируемые тени с текстурой для рендеринга

Пятно — это просто текстура, а на текстуры обычно можно выполнять рендеринг во время выполнения. Так что будем рендерить персонажа сверху и использовать это в качестве тени вместо тёмного круга. Это замечательно работает в Crash 3 (видео ^[7]), но не очень хорошо в Soldier of Fortune, потому что разработчики оставили разрешение тени очень низким.

Стоит отметить, что это отличается от техники shadow mapping ^[9], при которой карта глубин рендерится с точки зрения источника света. Здесь мы рендерим только чёрно-белое изображение, используемое как текстура. То есть в каком-то смысле мы говорим об однобитной shadow map.

Как можно сделать тени резче?

Проецируемые тени с геометрией

Сразу приходит в голову такой вариант: «разгладить» отбрасывающий тень объект на плоскости, спроецировав его от источника света. Затем отрендерить его во второй раз, но уже в чёрном цвете. Такие тени обычно оставляют непрозрачными, чтобы скрыть, как части объекта отрисовываются одна поверх другой. Естественно, тень будет корректна только на плоской поверхности пола.

В некоторых ранних лётных симуляторах плоская тень в проекции сверху рендерилась на взлётной полосе. В процессе своих исследований я надеялся найти примеры того, что тень видна и во время полёта, но не смог обнаружить ни одного.

Визуально они выглядят как чёрные стенсил-тени, отбрасываемые на плоскую поверхность.

Тени на рельефе

Игра Virus ^[12] (1987 год) Дэвида Брэбена на Acorn Archimedes и других домашних компьютерах отрисовывает космические корабли, отбрасывающие на рельеф тени с проекцией сверху.

Более сложный пример — это Interstate ’76. Разработчики изгибали и растягивали плоскую тень, чтобы она соответствовала наклону поверхности. Тени иногда проходят сквозь землю ^[13], но в целом эффект довольно правдоподобный. Любопытно, что в показанном ниже программно отрендеренном скриншоте тени слегка прозрачные, а при аппаратном ускорении они полностью чёрные.

Разработчики даже осмелились попробовать проецировать тени больших объектов наподобие мостов ^[14], и это им успешно удалось.

Но как отбрасывают тени в любом типе сцены?

Падающая тень на проецируемой текстуре

Этот подход имеет много общего с методикой «Проецируемые тени с текстурой для рендеринга», но работает на поверхностях любой формы. Игра рендерит текстуру тени из проекции сверху, но не отображает её на плоской поверхности, а проецирует текстуру ^[17] на другие объекты. Можно представить, что это бэт-сигнал ^[18], но направленный прямо вниз с неба.

Подобные тени можно сделать очень резкими, но они могут выглядеть странно на вертикальных поверхностях и иногда даже отображаются на потолках. См. видео геймплея Sonic Adventure 2: Battle ^[19] (2001 год, GameCube).

Кроме того, эта техника отлично подходит для деревьев:

Проецированные тени могут просвечивать сквозь объекты, поэтому применимы лишь в особых случаях. Shadow map (карты теней) можно использовать где угодно.

Shadow map

Этот подход обычно используется для реализации теней. Игра отрисовывает изображение глубин (shadow map) с точки зрения источника освещения, и выполняет чтение из этого изображения при рендеринге мира. Это легко сделать, поскольку можно заново использовать обычный код рендеринга игрового движка.

Ограниченное разрешение shadow map приводит к появлению хорошо известных артефактов с забавными названиями, например, Peter Panning и «теневое акне» ^[20]. Было предложено множество трюков для выделения большей площади shadow map поверхностям, находящимся рядом с камерой, где дополнительное разрешение нужно больше всего. Обычно для красивого отображения необходима некоторая настройка shadow map.

До того, как shadow map стали доминирующей технологией, у них был популярный конкурент.

Стенсил-тени

Ранее популярный способ реализации теней. Стенсил-тени отрисовывают резкие тени на любом типе поверхности. Они создают уникальную атмосферу в стиле фильмов жанра «нуар», который сложно имитировать при помощи shadow map. Самый известный пример — это, разумеется, Doom 3 с его тёмными помещениями:

Стенсил-тени основаны на принципе объёмов теней (shadow volume) — невидимой геометрии, разбивающей мир на освещённые и затенённые пространства. Игра применяет освещение только к тем пикселям, которые не находятся в объёме теней.

Чтобы стенсил-тени работали, мир необходимо перерисовывать множество раз. Если упростить, то игра сначала отрисовывает весь мир с освещением окружающей среды (ambient lighting). Затем для каждого источника света создаются все объёмы тени, за которыми снова следует весь мир, задействуя только незатенённые пиксели. Объёмы отрисовываются разными стенсил-операциями ^[23] для передних и задних граней ^[24]. То есть приходится отрисовывать очень большое количество пикселей.

Наверно, самой первой выпущенной игрой со стенсил-тенями стала Severance: Blade of Darkness (2001 год), где тени выглядят великолепно ^[25].

Читая обзор игры в британской версии журнала Edge за март 2001 года ^[26](pdf ^[27]), становится очевидно, что, несмотря на графический прогресс, мир в те времена ещё не был готов к «соулслайкам».

Сегодня стенсил-тени особо не используются. Одна из причин этого заключается в непредсказуемых затратах во время выполнения. Эти затраты зависят от величины объёма тени на экране, а значит, могут сильно варьироваться. Кроме того, был запатентован оптимизированный алгоритм ^[28]. Для разработки Doom 3 Id Software, похоже, заключила ^[29] некий договор ^[30].

Мягкие стенсил-тени

Стенсил-тени не обязаны быть резкими. В игре 2001 года Silent Hill 2 для PlayStation 2, как показано выше, стенсил-тени размываются. На консоли это выглядит почти идеально ^[32].

Тени упрощённых персонажей

А что, если тени будут отбрасываться более простой моделью, чем та, которая видна на экране? Например, в Zelda на Nintendo 64 ноги Линка отбрасывают тени, даже если ничто их не отбрасывает:

Уникальный подход использован в Hyperblade — игроки на футуристической хоккейной арене отбрасывают проецируемые тени в виде простых анимированных фигур.

Тени в статическом освещении уровней

Для фиксации освещения на уровнях игры можно использовать техники цветов вершин и карт освещения (lightmap). Они применялись во многих играх как единственный способ отображения крупных теней, поэтому я и добавил их в статью.

Цвета вершин

В Ico видно, насколько сложными могут выглядеть тени при обычном старомодном вершинном освещении.

На низкополигональных картах даже резкие тени можно представить в виде цветов вершин. Отличным примером этого может служить Tony Hawk Pro Skater 2 (2000 год, Playstation), которая выглядела великолепно, учитывая простоту техники.

Карты освещения

Карты освещения — это классический способ хранения освещения и теней уровней. Вместо того, чтобы хранить цвет для каждой вершины, мы создаём второй набор текстур, хранящий только освещение. Их разрешение может варьироваться в зависимости от областей игры, благодаря чему в нужных местах тени способны быть более точными. С другой стороны, для карт освещения требуется больше памяти, чем для цветов вершин.

Карты освещения были популяризированы игрой Quake (1996 год, PC), где выглядели так: https://jbush001.github.io/2015/06/11/quake-lightmaps.html ^[35].

На этом мы закончим изучение традиционных методик создания теней. А теперь давайте немного поговорим об освещении в целом.

Тени в современных играх

По возможности в современных играх используются традиционные техники. Вот некоторые из примеров:

• Разновидности shadow mapping, например, Cascaded Shadow Maps ^[36], позволяющие покрывать большие площади, сохраняя при этом высокую скорость.

• Карты освещения в сочетании с другими техниками, например, light probe ^[37]. В Call of Duty по-прежнему используются карты освещения ^[38], см. слайды Hemispherical Lighting Insights ^[39].

• Идея упрощённой модели персонажа. В The Last of Us (2013 год, PlayStation 3) мягкие тени персонажей отбрасываются при помощи растянутых сфер. См. слайд ^[40]из доклада Lighting Technology of The Last Of Us (2013) ^[41]. Кроме того, Unreal Engine поддерживает упрощённые капсульные тени ^[42] для персонажей.

• Проецируемые тени. В Hot Wheels Track Attack (2010 год, Wii) меши теней рендерятся на текстуру, а затем она проецируется на гоночную трассу, как описывается в блоге одного разработчика ^[43]. В движении ^[44] игра выглядит великолепно.

Тени, получаемые трассировкой лучей

В начале статьи мы сказали, что тени образуются отсутствием света. Если игра действительно пытается симулировать физически корректное освещение, то тени должны выглядеть естественно. Даже маленькие геометрические детали отбрасывают точные тени ^[45], в отличие случая с shadow map. Большие лампы естественным образом создают мягкие тени, а непрямое освещение делает светлее тёмные уголки. Для реализации всего этого потребовалось потратить невероятное количество времени и денег на разработку алгоритмов и оборудования трассировки лучей (ray tracing).

На практике современные игры имеют такие сложные сцены, что описанное выше симулируемое решение необходимо аппроксимировать. Например, в получаемых трассировкой лучей тенях Alan Wake 2 (2023 год) каждый пиксель принимает освещение только от одного случайно выбранного источника ^[46]. Далее результат подаётся алгоритму устранения шумов ^[47], который интеллектуальным образом сглаживает шумную картинку. Подробности см. в презентации ^[48]. Следовательно, даже полученные трассировкой лучей тени не будут «идеальными» и в зависимости от выбранных компромиссов обладают собственным уникальным внешним видом.

И под конец приведём ещё один очевидный вариант.

Отсутствие теней

Иногда тени для вас не главное.

---

Когда Хираяма в сцене из фильма внимательно изучает тени, его новый друг замечает:

Бизнесмен: Да тебе это действительно нравится.

Думаю, мы, как любители компьютерной графики, разделяем его увлечение.

Все скриншоты взяты с MobyGames ^[49], если не указано иное. Благодарю mankeli за подробные примечания по первому черновику статьи. Выражаю благодарность noby, msqrt, shaiggon и Warma за отзывы.