Тесселяция: что это такое и её роль в Metro, Stalker и других играх

Содержание:

• Что такое тесселяция
• Назначение тесселяции в сфере компьютерной графики
• Виды тесселяции
• Игры с высоким уровнем реализма в тесселяции: примеры
• Преимущества и недостатки тесселяции: стоит ли применять?
• Итог

В процессе игры с высококачественной графикой игроки могут наблюдать великолепные горные образования, четкие следы на снежном покрове, рельефные швы на одежде героев и множество других ярких деталей. Все эти элементы являются результатом применения тесселяции, которая часто присутствует в параметрах современных видеоигр.

В данном тексте мы подробно рассмотрим понятие тесселяции, её значение в мире 3D-графики, различные её типы, а также примеры применения тесселяции в популярных видеоиграх.

Содержание

• Что такое тесселяция
• Тесселяция в области компьютерной графики служит для процесса разбивки поверхностей на более мелкие элементы, что позволяет создавать более детализированные и сложные изображения. Этот метод дает возможность улучшить качество рендеринга, делая объекты более реалистичными за счет повышения уровня детализации и точности. Тесселяция также способствует более эффективному управлению графическими ресурсами, так как она позволяет адаптировать уровень детализации в зависимости от расстояния до камеры или других факторов. Таким образом, этот процесс играет ключевую роль в создании визуально привлекательной и производительной графики в видеоиграх и других цифровых приложениях.
• Виды тесселяции
• Игры, в которых реализована высокая степень реалистичной тесселяции, демонстрируют удивительные уровни детализации и визуальной правдоподобности. К таким проектам можно отнести:

  1. **The Elder Scrolls V: Skyrim** — в этой игре дополнение, известное как «Skyrim Special Edition», включает в себя усовершенствованные текстуры и улучшенные модели, что позволяет добиться впечатляющего уровня детализации ландшафта и объектов.

  2. **Cyberpunk 2077** — данный проект выделяется не только своим открытым миром, но и применением технологий тесселяции, что придаёт окружению и персонажам реалистичные формы и текстуры.

  3. **Battlefield V** — в этой игре тесселяция используется для создания детализированных объектов, таких как здания и оружие, что значительно увеличивает уровень погружения в игровой процесс.

  4. **Unreal Engine 4** — хотя это не игра, а игровой движок, многие проекты на его основе используют тесселяцию для создания фотореалистичной графики и сложных поверхностей.

  5. **Call of Duty: Modern Warfare** — в этой франшизе тесселяция применяется для улучшения визуальных эффектов и текстур, что делает боевые сцены более захватывающими и реалистичными.

  Эти примеры подчеркивают, как технологии тесселяции могут значительно повысить качество графики и общую атмосферу в современных видеоиграх.

• Необходимо рассмотреть целесообразность применения тесселяции, взвесив ее преимущества и недостатки.

  Среди положительных моментов можно выделить то, что тесселяция позволяет значительно повысить уровень детализации объектов в графике. Это делает изображения более реалистичными и привлекательными для глаз. Кроме того, такая техника может способствовать более эффективному использованию ресурсов графического процессора, так как она позволяет динамически изменять количество полигонов в зависимости от расстояния до камеры.

  Однако наряду с этим есть и некоторые отрицательные аспекты. Использование тесселяции может привести к увеличению нагрузки на систему, что в свою очередь может негативно сказаться на производительности, особенно на менее мощных устройствах. Также существует риск чрезмерной детализации, что может привести к излишней сложности визуализации и затруднению восприятия.

  В итоге, решение о применении тесселяции должно приниматься с учетом конкретных условий и задач, стоящих перед проектом.

Что такое тесселяция

Тесселяция является одной из важнейших технологий в области современного компьютерного графического дизайна. Она позволяет преобразовывать плоские поверхности в объемные формы и вносить огромное количество деталей, при этом не прибегая к использованию миллионов полигонов.

Тесселяция предоставляет возможность разделить четырёхугольник на два треугольника, а затем из этих двух образовать четыре, восемь, шестнадцать треугольников и так далее, без ограничения. В результате, изначально имеющиеся полигоны преобразуются в дополнительные треугольники (но не в новые полигоны), что делает низкополигональную модель более сложной и детализированной.

Тем не менее, независимо от того, как именно представлен полигон объекта — в виде всего лишь пары или сотни треугольников — процесс тесселяции сам по себе не увеличивает детализацию объекта. Вмятины и выпуклости на его поверхности проявятся только при наличии данных, которые показывают расположение вершин мелкой сетки. Обычно это подразумевает использование рельефного текстурирования, осуществляемого через карты параллакса или смещения (Displacement map). В настоящее время карты смещения являются особенно актуальными, так как в сочетании с тесселяцией они создают иллюзию объема даже на плоских участках.

Ярким примером служит бенчмарк Heaven от Unigine. Несмотря на то что он был выпущен уже довольно давно, в этом тесте наглядно показывается, как меняется итоговое изображение при использовании данного метода по сравнению с его отсутствием.

Поддержка тесселяции впервые была внедрена в графической карте ATI Radeon 8500 в 2001 году и получила название TruForm. Основная особенность этой технологии заключалась в возможности обработки треугольников с изменяемым уровнем детализации. В то время пользователям были доступны различные методы интерполяции для вершин и нормалей, включая линейную и квадратичную интерполяцию для нормалей, а также кубическую интерполяцию для вершин.

Хотя разработчики имели возможность без труда внедрить данную технологию в уже существующие системы рендеринга, она не получила широкого распространения в индустрии из-за ряда ограничений. Одной из проблем стали щели, возникающие в процессе интерполяции между полигонами. Кроме того, отсутствовала поддержка рельефных карт, а также не было возможности гибко изменять геометрию.

Тесселяция приобрела популярность с запуском интерфейса DirectX 11 в конце 2000-х. Об этом мы поговорим подробнее далее.

Назначение тесселяции в сфере компьютерной графики

Основная задача тесселяции заключается в улучшении детализации как окружения, так и персонажей, не прибегая к увеличению числа исходных полигонов. Вот несколько ключевых достоинств данной технологии.

• Сложные по своей структуре поверхности, такие как ландшафты, водные просторы и текстильные материалы, приобретают большую реалистичность и объемность благодаря тщательно проработанным мелким деталям.

• Использование тесселяции позволяет избежать резких переходов в изгибах, что иногда крайне необходимо для точной передачи следов на снегу или песке.

• В процессе тесселяции уровень детализации объектов изменяется динамически в зависимости от удаленности камеры игрока.

Виды тесселяции

Способы тесселяции во многом определяются конкретной областью использования и навыками разработчика.

Под термином «подразделение поверхности» подразумевается процесс деления поверхности на отдельные сегменты. После такого разделения структура модели остается стабильной, независимо от условий. К данной категории относятся модели, в которых использована функция подразделения поверхности (Subdivision Surface), в результате чего количество полигонов в сетке значительно возрастает.

Пример статической тесселяции чаще всего можно наблюдать в приложениях для трехмерного моделирования, таких как Blender, Maya, Cinema 4D и других. В таких программах процесс рендеринга изображений и анимаций, как правило, осуществляется в оффлайн-режиме, а не в реальном времени.

В современных видеоиграх активно используется метод, при котором число полигонов у модели изменяется в зависимости от условий реального времени. Это изменение в первую очередь зависит от угла зрения игрока или расстояния между объектом и камерой внутри игры. Графический процессор или шейдер занимается анализом геометрии, представленной на экране, и определяет, сколько дополнительных треугольников необходимо сгенерировать в данный момент.

Следует подчеркнуть, что плотность геометрии в данном контексте изменяется автоматически в зависимости от расстояния. Подготовка моделей с различными уровнями детализации (LOD) не является обязательной, если речь не идет о персонажах, разработке мобильных игр или окружениях, где важна высокая оптимизация. Динамическая тесселяция поддерживается в таких игровых движках, как Unity, Unreal Engine 4 и 5 (в последней версии применена технология Nanite), CryEngine, Unigine и других платформах, ориентированных на создание реалистичной 3D-графики.

В отличие от динамической тесселяции, аппаратная версия не полагается на игровые движки, а внедрена непосредственно в видеокарты через такие графические API, как DirectX 11, DirectX 12, OpenGL 4 и Vulkan. Для этого используются специальные программируемые шейдеры, названия которых могут варьироваться в зависимости от конкретного API. Например, в DirectX 11 и 12 процесс тесселяции делится на три основных этапа: шейдер корпуса (Hull Shader), сам процесс тесселяции (Tessellator) и шейдер домена (Domain Shader). Хотя стадии в разных API по сути одинаковы, они различаются лишь по названиям и синтаксису программного кода.

Аппаратная тесселяция находит применение как в играх, разработанных на известных игровых движках, так и в проектах, использующих индивидуальные технологии создателей, такими как The Witcher 3: Wild Hunt, Metro Exodus и Far Cry 4. Благодаря использованию программируемых шейдеров, этот метод обладает высокой степенью гибкости и универсальности, позволяя его внедрять в различные игровые движки. Однако стоит учитывать, что при данном подходе задействуется исключительно графический процессор, что может привести к снижению производительности на менее мощных видеокартах.

Обратите внимание: начиная с 2024 года Epic Games сообщила о намерении прекратить поддержку аппаратной тесселяции в Unreal Engine 5. Вместо этого приоритет будет отдан кросс-платформенной поддержке технологии Nanite. Тем не менее, если разработчики решат интегрировать данную технологию самостоятельно, компания предложит некоторую ограниченную помощь.

Игры с высоким уровнем реализма в тесселяции: примеры

Тесселяция в игре The Witcher 3: Wild Hunt добавляет объектам окружения, таким как дороги, ландшафт и стены, небольшую степень объёмности при близком взгляде. Пользователи могут настроить этот параметр в разделе, посвящённом качеству рельефа. Однако на практике влияние этого эффекта оказывается незначительным и лучше всего проявляется в различных модификациях.

Игра также включает в себя передовую технологию NVIDIA Hairworks, которая отвечает за тесселяцию волос, шерсти и меха, обеспечивая их детальное отображение на уровне отдельных прядей. Тем не менее, многие игроки замечали проблемы с неправильным отображением причесок своих персонажей.

В Metro Exodus тесселяция в сочетании с трассировкой лучей значительно изменяет внешний вид игровых локаций, придавая стенам, предметам и окружающему миру дополнительный рельеф. Это создает более глубокое ощущение реализма в окружении, что особенно актуально для шутера от первого лица, где игроки часто наблюдают детали объектов в непосредственной близости.

Корреспонденты Digital Foundry подчеркнули, что в этом отношении версия игры для ПК выглядела значительно лучше по сравнению с Xbox One X, на котором отсутствовал эффект объемных поверхностей.

В Battlefield 5 технология тесселяции позволяет не только реалистично воспроизводить рельеф неподвижных поверхностей, но и демонстрировать следы персонажей, а также отпечатки от шин и гусениц, которые адаптируются в зависимости от изменений в игровом процессе. Кроме того, она используется для визуализации воронок, образующихся в результате взрывов. Аналогично тому, как это реализовано в The Witcher, эффект объемного рельефа можно настроить в разделе «Качество рельефа».

В дополнение к тесселяции растительности, в данной игре также применялись карты смещения на уровне пикселей. Эта техника позволяла стволам деревьев выглядеть объёмными, не прибегая к тесселяции. В приведённом ниже видео можно увидеть, как этот метод реализован в игровом процессе.

Сюжет игры разворачивается на фоне живописных пейзажей Гималаев, что делает тесселяцию в Far Cry 4 ориентированной на повышение качества окружающей среды — включая ландшафты, горные массивы, деревья и даже шерсть животных, благодаря технологии NVIDIA Hairworks, о которой уже говорилось ранее.

Преимущества и недостатки тесселяции: стоит ли применять?

Применение тесселяции существенно улучшает визуальное восприятие графики в видеоиграх, однако требует тщательной оценки и обдуманного подхода.

В играх наблюдается значительный рост качества визуализации. Увеличение числа треугольников в комбинации с использованием карт смещения делает игровые миры более правдоподобными. Хотя это лишь симуляция, такие поверхности обеспечивают более качественное отображение падающих теней, в отличие от стандартных объектов, использующих карты рельефа или нормалей, где поверхность по сути остается плоской.

Современные инструменты разработки обеспечивают поддержку тесселяции. Популярные игровые движки и современные графические API, использующие аппаратные методы, позволяют разработчикам интегрировать эту технологию в игры с минимальными затратами.

Неверное отображение эффекта. В разговорах о различных видеоиграх часто можно услышать недовольства по поводу ошибок, которые появляются при активации тесселяции. В некоторых ситуациях она даже ухудшает игровой процесс.

Падение производительности. С увеличением уровня детализации возрастает нагрузка на графический процессор. Таким образом, на менее мощных видеокартах может наблюдаться снижение кадровой частоты. Однако следует учитывать, что это также зависит от того, насколько хорошо игра оптимизирована для определенных моделей видеокарт. К примеру, Shadow of the Tomb Raider хорошо адаптирована под видеокарты NVIDIA, и поэтому активация тесселяции слабо сказывается на производительности.

Итог

Тесселяция представляет собой значимый инструмент в области 3D-графики, позволяющий создавать более объемные и реалистичные изображения плоских моделей с помощью особых карт смещения. Этот метод находит широкое применение в играх с большими бюджетами, где он способствует повышению детализации как окружения, так и ландшафта и персонажей.

Хотя у технологии имеется множество плюсов, её успешное внедрение и оптимизация требуют тщательного подхода, особенно когда речь идёт о системах с ограниченными характеристиками. В определённых ситуациях разработчику необходимо будет создать несколько уровней настройки, чтобы как можно больше пользователей могли насладиться детализированным игровым окружением.

Не менее значимо избежать чрезмерного использования тесселяции, регулируя ее уровень. Хотя мостовая, покрытая крупными камнями, может выглядеть впечатляюще в контексте демонстрационных материалов, в игровом процессе трудно представить персонажа, который бы мог удобно передвигаться по такой поверхности. Таким образом, при внедрении данной технологии разработчику следует стремиться к балансировке между реалистичностью, производительностью и разумными ожиданиями.