В современном мире видеоигр и компьютерной графики технологии визуализации играют ключевую роль в создании захватывающего и реалистичного игрового опыта. Среди самых востребованных и инновационных подходов сегодня можно выделить HDR (High Dynamic Range), систему глобального освещения Lumen и аппаратный рейтрейсинг. Эти технологии обеспечивают невероятную глубину, детализацию и реализм изображения, которые раньше были доступны лишь в кинематографических постановках и профессиональной графике. В данной статье мы подробно рассмотрим каждую из этих технологий, а также обсудим их интеграцию и развитие в контексте игрового движка Unreal Engine 5.5 и примеры их внедрения в игровые проекты.
HDR – это технология высокого динамического диапазона, позволяющая отображать на экране более широкий спектр яркости и цвета. За счёт увеличенного диапазона яркости можно передать мельчайшие детали как в самых темных, так и в очень светлых участках изображения, что значительно повышает уровень реализма. В играх, использующих HDR, освещение становится более естественным, цвета – насыщенными, а общее восприятие сцены – живым и объёмным. Несмотря на то, что сама идея HDR существует уже достаточно давно, именно современные аппаратные возможности и программные инструменты делают ее массовое внедрение возможным. На пути к внедрению HDR в новые игровые проекты возникают различные технические вызовы.
Например, при переходе на новую версию игрового движка Unreal Engine 5.5 разработчики столкнулись с проблемой некорректного отображения HDR при открытии пользовательского интерфейса. Эта проблема была связана с некорректной обработкой буфера рендеринга, который не очищался должным образом перед использованием, что вызывало появление «мусорных» данных на экране. Проблема была решена путём оптимизации процесса рендеринга и последовательным наложением элементов интерфейса с учётом HDR-эффектов. В частности, для редактора аватара применён смарт-подход: сначала размытие фона с HDR, затем рендеринг UI, наложение фона аватара и комплексное объединение слоёв, что обеспечивает корректное отображение.
Переход к Lumen – новой системе глобального освещения, разработанной компанией Epic Games и интегрированной в Unreal Engine последних версий. Lumen предназначен для динамического и реального времени моделирования рассеянного светового потока, отражений и теней без необходимости предварительного вычисления (baking). Это революционная технология, которая позволяет играм выглядеть живыми и реалистичными при изменении условий освещения и геометрии сцены. Внедрение Lumen в игровые проекты требует особого внимания к структурам данных и алгоритмам, обеспечивающим эффективную работу системы глобального освещения. Одной из важных инноваций стало использование "Surface Cache" – механизма хранения информации о поверхностях сцен для быстрого доступа при рендеринге освещения.
Вместе с системой прямого и отражённого света, Surface Cache играет ключевую роль в достижении плавного и достоверного глобального освещения. Разработчики игр, использующих Unreal Engine, могут столкнуться с проблемами производительности при попытке интегрировать Lumen с поддержкой аппаратного рейтрейсинга в рамках своих сцен. Например, в одном из проектов пришлось решать задачу адаптации технологии для построения поверхности к кластеризованным объектам (например, кирпичных конструкций), которые представляют собой множество мелких деталей и пустот. Для эффективного трассирования лучей в таких сложных сценах была задействована библиотека embree4. Она позволяет обрабатывать до восьми лучей одновременно с помощью инструкций AVX, что значительно ускоряет вычисления на CPU.
Для создания поверхностей с помощью embree4 используется специальный алгоритм: низкополигональная сетка объектов конвертируется в внутреннее представление для трассировщика, затем накладывается трёхмерная воксельная сетка с шагом 32x32x32, после чего для каждой грани сетки запускаются лучи для выявления поверхностей и внутренних пустот. На основе полученных данных генерируются спрайты поверхностей – своего рода "карты", которые служат источниками отражённого и рассеянного света в Lumen. Такой подход позволяет создать поверхностный кеш с покрытием около 90% сцены, что значительно улучшает качество освещения и отражений при любых настройках. Одновременно разработчики смогли минимизировать нагрузку на систему во время построения кеша, делая этот этап практически невидимым по времени для пользователя. Аппаратный рейтрейсинг (Hardware Ray Tracing) – это технология, использующая специализированные графические ускорители для трассировки лучей в реальном времени.
Рейтрейсинг позволяет получить реалистичные отражения, преломления и тени, которые сложно или невозможно достичь с помощью традиционного растра и рендеринга. Более того, аппаратное исполнение значительно ускоряет вычисления, что особенно важно для динамичных игровых сцен. Однако аппаратный рейтрейсинг по-прежнему требует мощного железа и обладает определёнными ограничениями. Например, в ранних демонстрациях интеграция аппаратного рейтрейсинга с Lumen была неидеальной, и сцены с использованием базовых мешей отображались некорректно. Проблема заключалась в неправильной подготовке данных и отсутствии полноценного Surface Cache, что приводило к тому, что элементы сцены отбрасывались или не рендерились должным образом.
Со временем, благодаря исправлениям и оптимизациям, аппаратный рейтрейсинг стал более стабильным и быстрее, хотя все ещё требует доработок для массового использования. Надежда возлагается на будущие версии Unreal Engine, такие как 5.6 и выше, которые смогут предложить более глубокие и эффективные улучшения производительности и качества графики. HDR, Lumen и аппаратный рейтрейсинг в совокупности открывают новые горизонты для игровых проектов. Они позволяют создавать виртуальные миры с непревзойденной визуальной достоверностью, где каждое отражение, каждая тень и каждый луч света ведут себя максимально естественно и реалистично.
Для разработчиков это значит возможность привлечь и удержать внимание игроков, создавая уникальный игровой опыт, основанный на визуальном погружении. Кроме того, внедрение данных технологий оказывает влияние не только на игровой процесс, но и на инструменты разработки. Рендеринг с мощным HDR и глобальным освещением облегчает работу художников, позволяя им создавать сложные сцены и персонажей с точной имитацией света и материалов. Трассировка лучей сокращает время на оформление и корректировку отражений и теней, что в итоге ускоряет цикл разработки и улучшает качество финального продукта. Для пользователей, которые обладают современными мониторами с поддержкой HDR и соответствующим оборудованием, новые возможности открывают впечатляющие визуальные эффекты, которые ранее казались недоступными.
