Что такое частицы в играх
Что такое частицы в играх
Это вторая часть нашего гайда. Первая, где собраны основные настройки вроде разрешения, качества текстур и теней, вы можете прочитать по ссылке.
Качество освещения (Lightning Quality)
То, насколько правдоподобно симулируется освещение в игре. Если это единственный подобный параметр в игре, то именно в эту настройку заложили уйму других, будь-то и объемный свет, и рассеивание лучей, и отражения, а иногда даже глобальное затенение. Освещение — это, пожалуй, вообще едва ли не самое основное из всего, что влияет на красоту картинки: оно делает ее объемной, натуралистичной, правдоподобной. Но и ресурсов все это дело «кушает» тоже немало. Именно поэтому, например, Nvidia так расхваливает свои новые RTX-видеокарты — они изначально разработаны под Ray Tracing — метод рендеринга, предполагающий правдоподобную симуляцию каждого луча.
Влияние на производительность
Зависит от движка, но почти во всех современных играх — очень сильное. Симулировать свет — это очень непросто, так что врубайте «ультра» только если у вас действительно мощная видеокарта.
Качество эффектов (Effects Quality)
Влияние на производительность
Тоже зависит от игры, чаще всего не особенно высокое. Но чем выше этот параметр, тем сильнее будет нагружаться ваша видеокарта в загруженных сценах, например, при масштабных перестрелках. Так что если игра начинает «подлагивать» в особо динамичные моменты, можно попробовать поиграться с этим ползунком, прежде чем снижать, например.
…Качество шейдеров (Shader Quality)
Шейдеры — это специальные программы для вашей видеокарты, исполняемые ее процессором. Грубо говоря, это такие «инструкции» от игры вашей GPU, по которым та понимает, как именно нужно отрисовывать тот или иной эффект. Чаще всего шейдеры используются для улучшения освещения, затенения, создания эффектов преломления лучей в воде (помните, как взрывала мозг та самая «шейдерная водичка из Half-Life 2: Lost Coast?), отражений, рассеиваний и так далее. Так что да, эта опция работает в тандеме с другими параметрами: качеством освещения и качеством теней. Существует три вида шейдеров: вершинные, геометрические и пиксельные, но игры, где можно отрегулировать качество каждого из них отдельно, встречаются невероятно редко.
Соответственно, чем выше качество шейдеров, тем лучше описанные выше эффекты, красивее тени и свет, реалистичнее геометрия — и тем сильнее нагрузка на видеокарту. Именно на видеокарту — потому что шейдеры считаются только GPU.
Влияние на производительность
Чаще всего — высокое. Например, в GTA V это один из самых «тяжелых» параметров в игре — снизив качество шейдеров с «Ультра» на средниее значение, вы получите прирост больше, чем в 15 FPS. Но бывает и так, что снижение этого параметра почти ничего не дает, как, например, в Mass Effect Anromeda.
Технологии графики в современных играх, часть 1: Новомодные свистелки-перделки
Вступление
Ты вступление не читаешь. Тебе оно не интересно.
Мне тоже не интересно описывать, что я за хрен с горы и нафига тут вылез. Но надо.
Короче, крути вниз.
Всем привет.
Наблюдая в недавнем стриме по MATRIX: Path of Neo за тем, как Вася с Максом рассуждают на тему LOD’ов, я понял одну интересную вещь: в современных играх меню с настройками графики представляет собой что-то совершенно непотребное. Оно либо жутко кастрировано, либо открывает для пользователя такую простыню непонятных слов, в которой и чёрт ногу сломит. 
Ладно, я — сам работаю в игрострое. Так что мне-то понятно, какая настройка за что отвечает. Но порой тоже не без трудностей. А вот простых игроков, наверное, при чтении всех этих названий одолевает тихий ужас.
Причём, мир не стоит на месте, и новые графические «фичи» появляются каждый год, а то и месяц. Недавно — вон, свет увидел TressFX.
Так что дальше будет только больше, и без посторонней помощи разобраться во всём этом техническом безобразии в скором времени уже просто не получится.
Разработчики игр упрощают это дело, как могут, по максимуму убирая из меню всё лишнее. Вот только беда в том, что это вовсе не «лишнее», и надобность той или иной технологии зависит от того, насколько мощное у игрока железо.
В консолях это самое железо известно заранее, и игроделы могут просто сами подобрать оптимальные параметры, скрыв их от глаз игроков. Но вот сделать такое для ПК — в принципе невозможно.
Тем временем, меню всё разрастается и разрастается…
Не удивлюсь, если через пару лет в сингле какого-нибудь ААА-шутера в туториал добявят объяснение графических настроек. А пока — я постараюсь помочь всем интересующимся сориентироваться во всём этом многообразии.
Сразу извиняюсь за возможно «не такой» формат повествования.
Вообще, это далеко не первый мой рассказ на подобную тему. Но обычно подобные темы я обсуждаю с другими такими же «CG-гиками» (коллегами по цеху). А вот в блогах на SG — я пишу впервые. Так что местами могу «не попасть» в то, как тут принято.
Постараюсь не разводить нудятину и осветить тему без излишних технических подробностей. Так что надеюсь обойти стороной всякие вертексные/пиксельные шейдеры, шейдерные модели, graphics pipeline и т.п. Но если что — ссаными тряпками прошу не закидывать.
Как говорится, «это мой первый пост, не судите строго».
Итак, ближе к делу. Рассказ о технологиях пойдёт в порядке их «свежести». А начнём с…
AMD TressFX
Эта технология — просто идеальный пример одного тренда, который прослеживается в игровой индустрии испокон веков. Суть его вот в чём: игровая индустрия сама по себе не придумывает практически никаких технологий.
Просто время идёт, мощности железа растут. И со временем, пускай и с какими-то упрощениями, становится возможным делать в реалтайме то, что раньше было доступно только в «тяжёлом» рендере… ну, то есть, в том, что геймеры именуют «CGI-роликами».
Иными словами, практически все технологии, появившиеся в играх — всего лишь упрощённое заимствование того, что уже давным-давно широко используется в кино и изучено вдоль и поперёк.
Собственно, что такое TressFX? А очень просто: это всего лишь готовый кусок программного кода от AMD, с помощью которого можно считать волосы на видеокарте.
Вообще 3D-шники умеют делать волосы уже много-много лет. Ты их не раз видел во всяких 3D-мультиках. 
Просто раньше это делалось на проце и требовало этих самых процов дофига. Естественно, ни о каком реалтайме — и речи быть не могло.
Поэтому в играх причёски в любом случае делались такими полигональными «лоскутками», на которых волосы были просто текстурой. 
Предыдущие картинки взяты из легендарного в среде 3D-шников making-of’а модели «Varga» от Paul Tosca.
В самом making-of’е картинок ещё больше, и есть gif’ки, позволяющие посмотреть модельку со всех сторон.
А теперь гигагерцы выросли, видюхи растолстели. И игровые программисты могут просто взять этот готовый TressFX и воткнуть его в игру: волосы будут считаться в реалтайме на GPU. Считай, ничего делать не надо: покрутил пару параметров, настроил длину — и очередная пара косичек готова.
Причём, на видеокарте считается не только то, как эти волосы выглядят, но и их физика. То есть, как движется каждый волосок.
В будущем это даст гораздо большую реалистичность стрижек у персонажей: они будут выглядеть, прям как настоящие. Но пока что видюхи попросту не настолько сильные, чтоб держать в кадре хотя бы две таких причёски.
Ну то есть даже на топовом Радеоне на расчёт одной такой шевелюры уходит столько же ресурсов, сколько на всю остальную сцену. В результате — игра тормозит, а волосы глючат (и выглядят хуже, чем сделанные по старинке). Что недавно вышедшая Лара наглядно продемонстрировала.
Так что на сегодняшний момент TressFX нужна не столько игрокам, сколько разработчикам. Это банально проще: не париться с созданием геометрии и текстур, а считать волосы по физике, «в лоб».
GPU Particles (частицы на видюхе)
Всё очень просто: видеокарта лучше справляется с задачами, которые легко распараллелить.
Ну то есть, считать много всего однотипного — это к видюхе. Считать что-то одно сложное — это к процу.
В DirectX 11 появилась такая штука (DirectCompute), которая позволяет разработчикам игр самостоятельно считать на GPU практически что угодно.
Естественно, благодаря этому те вещи, которые сами по себе хорошо параллелятся — первым же делом и были перенесены с проца на видюху. Что позволило увеличить детализацию этих «вещей» в несколько раз.
Ярчайший пример — системы частиц. У нас в кадре есть дофига маленьких-маленьких объектов. Вроде песчинок, снежинок, капель воды… Так вот. Раньше мы их считали на проце, поэтому приходилось исхитряться. Например, рисуя вместо одной частицы текстуру, где их 100.
А теперь — мы их считаем на видюхе, так что можем делать это по-честному. Вместе со всей физикой. Это позволяет нам ворочать в кадре буквально миллионами частиц, создавая просто ошеломительные эффекты. 
Интерактивное онлайн-демо с адским числом частиц прямо в браузере (требуется DX11 + нужно установить Unity Web Player)
Некоторые считают, что GPU-частицы, как и другие новомодные фичи — исключительно прерогатива DX11. На самом деле — современный OpenGL может всё то же самое, а местами — даже больше. В чём легко убедиться, погуглив на ютубе.
Так что. Тот факт, что современные игры выпускаются с упором на DirectX — это даже не какой-то заговор Мелко-Мягких, а банальная инерция игроделов.
С технической точки зрения ничто не мешало уже FarCry 3 или Crysis 3 работать не на DirectX, а на OpenGL. А он, вообще-то, кросс-платформенный. То есть, разработчики один раз пишут шейдер, который одинаково отработает и на Windows, и на MacOS, и на Linux.
А учитывая, какие операционки используются на PS4 и грядущем Steam Machines — улавливаешь мысль? Очень скоро произойдёт…
Ну да ладно, это уже совсем другая история. 
Voxel Cone Tracing
Tesselation
Что это нам даёт? Ну, вообще-то, сама по себе тесселяция ничего не даёт. Но зато, если её комбинировать с другими технологиями — можно сделать тот самый «ГРАФОН. 111», на который фапают графодрочеры.
В самом простом случае — да, можно добавить к тесселяции другую технологию (vector displacement), которая по специальной текстуре рельефа «выдавит» точки на тесселированом объекте. Это позволит добавить, собственно, рельеф, сделав прям-таки фотореалистично детализированный уровень. 
Но ведь двигать точки на поверхности можно не только по заранее сделанной фиксированной текстуре. Вместо текстуры величину смещения можно получать по какому-нибудь хитрому алгоритму. То есть прямо во время игры, при отрисовке каждого кадра для каждой точки вычисляется, куда её сместить… хм, не совсем понятно, наверное?
Давай так. Вот у текстуры — есть разрешение. Рано или поздно, когда ты приблизишься — увидишь пиксели. А у алгоритма разрешения нет. То есть, приближать/отдалять можно сколько угодно, не теряя при этом ни детализации, ни производительности. Таким способом (он называется procedural displacement) можно из одной плоскости… выдавливать целые ландшафты. И сколь близко бы ты на него ни смотрел — он всегда будет очень детализированным.
Можешь прикинуть такие масштабы в новом Масс Эффекте?
Или такой пример. Представь, что при замерзании твоего персонажа на нём прямо по форме тела вырастают сосульки. Не внезапно появляются изниоткуда, а именно вырастают. Причём разработчикам для этого достаточно всего лишь 1 раз сделать материал с этим алгоритмом, и потом можно его применять вообще на любой объект.
На любой. То есть, целые уровни можно замораживать, просто накинув на все объекты этот материал.
И алгоритм для смещения может быть любым. Например, он может учитывать текущее время и благодаря этому заставлять этот рельеф двигаться. Ну допустим, у персонажа прямо будет видно, как пульсирует вена.
В общем, тесселяция напару с процедурным дисплейсментом открывает для разработчиков прям-таки безграничный арсенал выразительных средств.
Кроме того, использование тесселяции позволяет вообще отказаться от технологии LOD (Level of Detail), о которой я упоминал в начале. Проще говоря, разработчики за те же деньги смогут сделать больше объектов на уровне. То есть, не только сами объекты при близком разглядывании будут более детализированными, но и уровни в целом будут более разнообразными. Но это только если делать игру исключительно с расчётом на DX11 и соответствующее железо.
Так что если твой комп тянет тесселяцию — лучше по умолчанию её включать. Игра так будет не только более красивой, но и работать может быстрее.
Realtime Ambient Occlusion
High Definition Ambient Occlusion — AO высокого разрешения.
Реализация от AMD. Картинка натуральнее, чем с HBAO. Что лично меня как поклонника AMD/ATI — радует.
Но вот со скоростью — те же непонятки. На видюхах от AMD — быстрее, чем HBAO, но медленне, чем SSAO. На видюхах от нвидии — бывает по-разному. В том числе бывает, что HDAO быстрее, чем «родной» HBAO.
В общем, обычно HDAO/HBAO — медленнее и качественнее, чем SSAO. Качество картинки в любом случае улучшается так: SSAO — HBAO — HBAO+ — HDAO (хотя лично я считаю, что первые два надо поменять местами). Но вот какой вариант быстрее — проще самому попробовать в игре.
Как-то так. На сегодняшний день — это все технологии, которые я могу причислить к относительно новым.
Пока что практически ни одна из них не используется широко. Но именно их существование подталкивает игровую индустрию вперёд. Разработчики игр видят те возможности, которые открывают эти новомодные «фичи». Но они вынуждены ориентироваться на среднестатистическое железо, поэтому пока не спешат внедрять всё и сразу.
Игроки же потихоньку это самое железо обновляют, приближая тот момент, когда все эти технологии станут «стандартным набором» и тем самым спровоцируют появление новых.
В общем, как всегда: поживём — увидим.
Bonus: DirectX 11 vs OpenGL 4
Многие годы DirectX царственно восседал на троне неоспоримого лидера по графическим прибамбасам. Чем Microsoft и жила. В эпоху Windows XP «играть в игры» было практически синонимом «пользоваться Windows». Да что уж там, ситуация сохраняется по сей день. Когда говорят «ПК», то по умолчанию подразумевается Windows 7 со встроенным в неё DirectX’ом.
На консолях есть свои графические библиотеки — но на то они и консоли. А на ПК безраздельно правит DirectX…
Однако в последнее время эта его «безраздельность» нехило так пошатнулась. Дело в том, что, действительно, OpenGL всегда не дотягивал до возможностей DirectX, из-за чего игроделы выбирали последнего. OGL всегда «как бы мог» всё то же самое, но со скрежетом. Всегда проигрывал по скорости. Всегда «не дотаягивал» по качеству итоговой картинки или количеству параметров.
Всегда.
До релиза OpenGL 4.
С его появлением в индустрии, можно сказать, пройдена точка невозврата. Если сравнивать DX11 и OGL 4 — то выясняется, что в конкретно этих двух версиях уже начинает лидировать OpenGL. Не с диким отрывом, нет. Потихоньку-помаленьку… вот тут рендерится быстрее, вот там возможностей больше, вот здесь код чище.
Но в сумме набирается, что сегодняшний OGL не только не уступает по возможностям перед DirectX, но в чём-то даже превосходит. Об этом я вскользь упоминал в разделе про GPU-партиклы. Но решил на этом остановиться поподробнее.
Ведь, пробежавшись взглядом по статье, я заметил, что все описанные в ней технологии, кроме TressFX, есть параллельно и на DX, и на OGL. А аналог TressFX в принципе можно сделать и на нынешнем OGL.
Относительно недавно даже появился специальный игровой движок — Unigine. Его, как говорится, «killing feature», на которую упирают создатели — это то, что он обеспечивает совершенно идентичную картинку на всех платформах. На Windows он использует DirectX, на остальных — OpenGL.
Собственно, та самая демка, которая демонстрирует прелести тесселяции, которую все видели — она сделана на Unigine:
С появлением движка Unigine — на ютубе стали вылазить сравнительные сплит-скрин бенчмарки одной и той же сцены на DX и на OGL. И, глядя на них, начинаешь замечать едва видимые, но отличия. Вот тут свет считается точнее, вот там расфокус размывается правильнее, вот здесь тесселяция плотнее, а линзовые эффекты физически корректнее.
А потом выясняется, что на некоторых конфигурациях OGL ещё и быстрее.
В общем, все и так поняли, что я хочу сказать. Оставлю свои эмоции в стороне и просто предоставлю одно из таких видео:
Система частиц для игры в стиле ASCII-art
Система частиц — распространённый способ создания эффектов вроде огня, взрывов, дыма и так далее. В этой статье я расскажу, как разработал систему частиц для своей игры Unsigned Character, выполненной в стиле ASCII-art.
Цель: разработать универсальную систему частиц для эффектов пламени, взрыва, шлейфа от снарядов и так далее.
Частицы должны имитировать статичное пламя, а также формировать след за движущимся объектом. Вся графика в игре состоит из символов. Поэтому частицы тоже должны рисоваться символами. И разработать это придётся с нуля. В качестве вдохновения я использовал эти анимации из игры asciident:
Распределение цветов и вариантов символа по уровням выглядело как-то так:
Далее хочется получить более «объёмное» пламя. Поэтому спавним несколько частиц за раз (по умолчанию 3).
Частицы спавнятся в одной точке и могут попадать на одинаковые координаты на следующих уровнях. Поэтому отслеживаем все перекрывающиеся частицы и делаем видимой только одну из них (любую). В результате получаем что-то вроде этого.
Отдалённо напоминает пламя, но выглядит как-то топорно. Если присмотреться к анимации из аскидента, то можно заметить, что частицы там проигрывают некоторую анимацию прежде чем подняться на следующий уровень. Самое время добавить это в проект.
Теперь для частицы рандомно выбирается не один символ, а последовательность символов, которую он должен проиграть прежде чем перейдёт на следующий уровень.
Заодно, я вынес конфигурацию эффектов в json. Вот так выглядит единый набор анимаций частиц:
Каждая строка формирует последовательность «кадров». Можно заметить, что анимации изображают частицу, движущуюся вверх. Из нижнего положения (. или o) в верхнее (* или ‘).
У нас есть пламя со статичным источником. Теперь хочется, чтобы источник мог двигаться. В игре физические объекты могут двигаться попиксельно. Их координаты не привязаны к символьной сетке. Но для частиц это недопустимо. Если частицы не будут выровнены по сетке, они будут перекрываться друг с другом, что сильно испортит эффект. Поэтому частицы всегда спавнятся и движутся по символьным координатам. Это создаёт некий рассинхрон. Место спавна частиц не точно совпадает с источником пламени, но это не критично.
Другая проблема — при быстром движении источника огненный след получается очень редким. Решение — спавнить внеочередную частицу в момент, когда источник пламени меняет символьные координаты (строка/столбец).
Если раньше источник был в одном символе, а теперь в другом — спавним в новом месте новую частицу не дожидаясь, когда придёт время обычного спавна. И не просто спавним, а рандомно с заданной вероятностью. Эта вероятность зависит от количества потоков, то есть количества частиц, которое спавнится обычным образом (в пункте 2 мы дали этой величине значение по умолчанию 3).
Кроме того делаем дополнительные модификации, чтобы огонь в движении выглядел реалистичнее.
Длительностью кадра я называю время, которое частица существует на одном цветовом уровне. По истечении этого времени частица перемещается вверх и меняет цвет. До сих пор это время было одинаковым для всех частиц на всех уровнях. Однако при движении это выглядит нереалистично.
Я сделал так, чтобы при движении длительность кадра начиналась с более низкой величины и возвращалась к стандартному значению с ростом уровня. Проще говоря, при движении источника более низкие частицы «горят» быстрее. И чем быстрее движется источник, тем ниже начальная длительность кадра.
С ускорением «кадров» частицы начинают быстрее подниматься и формируют более размытый след. Чтобы избежать этого, я немного переделал движение частиц. Теперь при смене кадров они поднимаются не всегда, а рандомно с некоторой вероятностью. Вероятность эта равна 0 на самом первом уровне и поднимается до 1 на самом последнем.
Кроме того, перед подъёмом и сдвигом частицы проверяется пересечение с картой. Частицы не заходят на статичные занятые области уровня.
В итоге получился такой результат:
Партиклы – система частиц
Партиклы или система частиц – это часто используемый в видеоиграх инструмент для представления объемных эффектов, не имеющих чётких геометрических границ (взрывы, струи пара, шлейфы от ракет, дым, снег, дождь и многие другие).
В этой статье в начале я расскажу о том, что такое партиклы (системы частиц), а потом посмотрим видео-уроки профессиональных VFX-специалистов (vfx – visual effects) по созданию разных крутых эффектов в Unity3d.
Далее по тексту я буду использовать англицизм “партиклы” вместе с более адекватным русским вариантом “система частиц”. За что заранее прошу прощения: вербально в студиях где я работал, мы использовали именно “партиклы”, и это выгодно с точки зрения поисковой оптимизации.
Партиклы в эффектах
Эффект, использующий партиклы состоит из некоторого количества частиц. Каждая из этих частиц имеет определенный набор атрибутов, которые влияют на ее поведение. Все это зависит от среды: разные игровые движки и 3d пакеты предоставляют разную функциональность.
В Unity среди атрибутов есть, например: скорость, ориентация, угловая скорость, цвет. Изменение этих атрибутов задается “кривыми” и интерполируется с течением времени жизни каждой частички.
В большинстве реализаций работают системы частиц таким образом: существует некоторый объект, который испускает частицы он называется “эмиттер”. В пространстве он может быть представлен точкой, плоскостью и даже поверхностью. Например, в случае если мы делаем систему частиц для снега, система частиц может иметь эмиттер в форме круга-основания цилиндра, а все частицы направленно будут в объеме этого цилиндра падать.
В играх и других real-time приложениях просчитывать свет/тень для каждой частицы было бы непозволительно неэффективно. Поэтому партиклы не отбрасывают тени друг на друга.
В настоящее время не существует общепринятого формата для партиклов. В разных игровых движках и 3D пакетах реализации собственные реализации. А это значит, что свойства, поведение и внешний вид систем частиц могут отличаться.
Нас как unity3d программистов больше всего интересуют возможности системы частиц в Unity. В видео-подборке ниже отличные примеры визуальных эффектов из видео-игр.
Примеры систем частиц в Unity3d
В начале видео показываются примеры партиклов, а далее в форме step by step туториала рассказывается как этого эффекта достичь в Unity.
Симпатичный визуальный эффект
Система частиц (партиклов) для healing-эффекта.
Партиклы для эффекта slash and blood
Какие-то эффекты достигаются применением обычных mesh-renderer’ов вместе с партиклами, например как в видео ниже.