Как работают отражения в играх

Отражения играют большую роль в общей композиции графики компьютерных игр. Порой мы их даже не замечаем, однако их отсутствие сразу бросается нам в глаза. Читайте внимательно, мы расскажем про  самые популярные технологии, которые применяются для реализации отражений.

Отражения в видеоиграх прошли долгий путь от простых, неточных отображений до высоко реалистичных, динамических элементов.

Первые отражения появились еще в 2D-играх 90-х годов, таких как Crach Bandicoot или Doom. В большинстве случаев их приходилось выстраивать вручную, деля копию игровой сцены, отзеркалив ее.

Переход к 3D-графике значительно усложнил, но и обогатил процесс, открыв возможности для реалистичного отображения окружающего мира в отражающих поверхностях. Так, одной из первых технологий, использующихся в 3D-графике, стали планарные отражения.

Планарные отражения (Planar Reflections) – самый простой и самый распространенный метод реализации отражений, появившийся еще при зарождении 3D в 1990-х годах. Планарные отражения работают только с плоскими отражающими поверхностями и хорошо подходят для отражений в зеркалах, лужах и т.д.

Принцип работы метода

Сцена, которую видит игрок, отрисовывается с разных ракурсов, а затем зеркально добавляется на поверхность, которая должна быть отражателем, относительно угла камеры игрока. Детально процесс можно описать так:

1. Сначала определяется плоскость, которая служит отражающей поверхностью. Это может быть зеркало, окно здания, вода и т.п.
2. Компьютер делает “копию” всего, что находится перед зеркалом. Но эта копия "перевёрнута" как в настоящем зеркале.
3. Компьютер отрисовывает эту перевёрнутую копию на отражающей поверхности, как будто камера находится за ней.

Грубо говоря, компьютер рисует мир дважды: один раз как обычно, и второй раз – "перевёрнутый", как будто виден в зеркале. Затем он смешивает эти два изображения, чтобы показать отражение на заданной плоскости.

Преимущества

1. Планарные отражения относительно легко запрограммировать. Это означает, что разработчикам игр проще их использовать, и они используют меньше памяти и ресурсов компьютера для работы.
2. Разработчики точно знают, как будет выглядеть отражение, поэтому легко предсказать и контролировать результат.

Недостатки и ограничения

1. Этот метод работает только для идеально ровных поверхностей как зеркало. На кривых поверхностях (например, волнистой воде) он даст неточный результат, содержащий артефакты и нереалистичные эффекты.
2. Несмотря на простоту метода, отрисовка двух и более игровых сцен может быть сложной задачей для компьютеров со слабыми видеокартами. Особенно, если отражающих поверхностей в кадре несколько.

Почему используется

Несмотря на возможные недостатки, в большинстве случаев данный метод является отличным вариантом для реализации отражений в плоских поверхностях. Благодаря своей простоте он может обеспечить качественные отражения, например, в паре зеркал на локации, не сильно нагрузив систему и обеспечив реалистичную картинку.

Если вы знакомы с движком Unity, вы можете попробовать сделать планарные отражения для какой-нибудь своей игровой сцены – видеоурок.

Кубическая карта (Cubemap) — это тип текстуры, представляющий собой набор из шести квадратных изображений, расположенных на гранях куба, окружающего определенную точку в 3D-пространстве. Проще говоря, это текстура, состоящая из “фотографий”, сделанных разработчиками из определенной точки локации в шести направлениях. Такая карта в зависимости от назначения может использоваться игрой не только для создания отражений, но и освещения или теней.

Впервые использоваться разработчиками этот подход стал в середине 2000-х годов в таких движках как CryEngine и Unreal Engine 3.

Принцип работы метода

Такая текстура служит для компьютера справочником при генерации отражений. Процесс можно описать так:

1. Когда движок игры рисует пиксель на отражающей поверхности (например, на поверхности автомобиля), он вычисляет вектор отражения. Этот вектор указывает направление, в котором должен “смотреть” воображаемый луч света, чтобы увидеть отражение.
2. Этот вектор отражения преобразуется в координаты на одной из шести граней кубической карты: вектор определяет, на какую грань куба “смотрит” отраженный луч, и где именно на этой грани находится “точка зрения”.
3. Используя полученные координаты, движок считывает цвет пикселя из соответствующей грани кубической карты и отрисовывает его на отражающей поверхности.

Преимущества

1. Высокая производительность: Поскольку отражения предварительно вычислены, использование кубических карт значительно ускоряет процесс рендеринга. Не нужно вычислять отражение в реальном времени для каждого пикселя.
2. Хорошее качество: Обеспечивают достаточно реалистичные отражения для статических сцен.

Недостатки и ограничения

1. Кубические карты не учитывают динамические объекты. Если объекты движутся после генерации карты, отражения будут неточными или искаженными.
2. Разрешение кубической карты ограничено, что может приводить к низкому качеству отражений на больших расстояниях или при высоком уровне детализации.

Почему используется

Несмотря на негативный пример использования кубических карт для отражений, показанный выше, он, скорее является исключением. Грамотное использование кубических карт позволяет разработчикам создать достаточно реалистичные отражения, соблюдая баланс между производительностью и качеством.

Трассировка лучей (Ray Tracing) – самая новая и самая сложная технология для реализации отражений (и не только) в видеоиграх. Этот метод рендеринга с высокой точностью имитирует поведение света в реальном мире. Получил свое распространение в 2019 году с выходом видеокарт NVIDIA серии RTX, способных работать с этой технологией.

Принцип работы метода

Трассировка лучей вычисляет путь каждого луча света индивидуально от источника света к камере. Исходя из пути луча и его взаимодействий с объектами, к текстурам применяются те изменения цвета, которые должны происходить при попадании на них света в реальной жизни. В том числе это работает и с отражающими поверхностями, позволяя им работать так, как они бы работали в реальности:

1. Для каждого пикселя на экране генерируется луч света, направленный от камеры через пиксель в сцену.
2. Движок проверяет, пересекается ли этот луч с какими-либо объектами в сцене. Если пересечение найдено, определяется точка пересечения и свойства материала объекта (цвет, отражающая способность, прозрачность и т.д.).
3. В зависимости от свойств материала, происходит изменение в поведении луча. В нашем случае, при попадании на отражающую поверхность, луч отражается – генерируется новый луч, отраженный от поверхности, и процесс продолжается.
4. Цвета от всех лучей, попадающих в пиксель, комбинируются, чтобы определить окончательный цвет пикселя на поверхности.

Преимущества

1. Трассировка лучей обеспечивает высочайший уровень реализма в отображении света, теней, отражений и преломлений. Результат намного более точный, чем в других методах.
2. Создает очень реалистичные отражения и преломления света, учитывая свойства материалов.
3. Метод точно моделирует физическое поведение света при попадании на различные поверхности, в то время как другие методы просто создают иллюзию этого.

Недостатки и ограничения

1. Вычисление пути каждого луча требует значительных вычислительных ресурсов. Это может привести к низкой производительности при использовании трассировки лучей.
2. Технология трассировки лучей доступна только на видеокартах NVIDIA, начиная с 20-й серии, и на видеокартах AMD с серии RX 6000.

Почему используется

Трассировку лучей выбирают для достижения максимального уровня реализма и погружения в игровой мир, поскольку она позволяет создавать наиболее точные и динамичные отражения. Несмотря на то, что она требует значительных вычислительных ресурсов и наличия специальных видеокарт, трассировка лучей все равно является одним из лучших вариантов для достижения высокой визуальной достоверности.

Судя по скорости, с которой развивается игровая индустрия, в будущем нас могут ждать еще более сложные и более реалистичные подходы созданию отражений, делая наш игровой опыт еще более приятным.