Теперь же поговорим о еще одном эффекте, который позволяет серьезно улучшить реалистичность картинки - о Ambient Occlusion (AO), или о затенении.

В оптике можно выделить три простых градации освещенности - тень (источник света не виден), полутень (источник света виден частично) и освещенное место (источник света виден полностью). Казалось бы - все просто, рассчитать границы тени и полутени можно в два счета с помощью обыкновенных лучей. Однако полученная в результате картинка наводит на мысль, что мы где-то что-то забыли:

Таких черных теней не бывает (ну на Земле по крайней мере), так что сразу становится очевидным, что мы забыли - рассеяние света: суть в том, что в реальном времени фотоны могут отражаться от различных поверхностей и в итоге попадать туда, куда напрямую фотоны от источника не долетают: именно поэтому в тени хоть и темнее, чем на свету, но не черным черно. На Земле таким «рассеивателем» фотонов выступает сама атмосфера.

Но тут возникает вопрос - а как это рассчитать-то? Увы - алгоритма, дающего 100% точное рассеяние света в real-time, нет, однако есть множество хорошо приближенных к реальности алгоритмов, отлаженных настолько, что они спокойно используются в видеоиграх.

Для начала - общая для всех алгоритмов теория: можно ввести так называемую среднюю освещенность всей сцены, своеобразную аппроксимацию непрямого освещения. Но вот проблема в том, что в местах, где есть тень, такая аппроксимация будет давать повышенную яркость. Поэтому можно несколько усложнить ее - снижать яркость в тех местах, куда отраженному свету труднее добраться. То есть для каждого фрагмента сцены мы находим так называемый заграждающий фактор: количество свободных «путей» для фотона деленное на все количество путей фотона до данного участка, и на основе этих данных и средней яркости сцены можно рассчитать яркость конкретного участка.

Однако тут мы получаем очередную проблему - отрисовка геометрии происходит постепенно, поэтому заграждающий фактор также в процессе отрисовки может серьезно меняться. Можно, конечно, рассчитать AO на этапе загрузки сцены, но тогда затенение не коснется динамических объектов (персонажей, машин и т.д.) - а это нехорошо. И тут приходит идея использовать для отрисовки затенения экранное пространство (Screen Space), что в итоге выливается в простейший алгоритм AO - SSAO.

SSAO

Этот алгоритм появился еще в Crysis 10 лет назад. Его суть проста: после построения геометрии у нас остается Z-буфер, или буфер глубины, который включает в себя абсолютно всю информацию о геометрии сцены - а значит никаких проблем сделать AO нет.

Хотя, конечно, кого я обманываю - проблемы есть, и самая серьезная - недостаточная производительность современных видеокарт: для того, чтобы получить более-менее неплохую карту затенения, для каждого фрагмента сцены нужно обсчитывать порядка 200-250 направлений, что позволяет «закопать» любой GPU. Поэтому делается хитрее - используется 8-32 «луча», направленные на выбранный фрагмент сцены, которые каждый раз поворачиваются на случайное значение. В итоге получается терпимое качество картинки с не очень большими затратами на расчеты:

В дальнейшем алгоритм был доработан - стали использоваться карты нормалей, что снизило сложность вдвое и позволило в итоге вдвое увеличить число выборок. Ну и финальный штрих - стали использовать размытие, дабы сгладить шум от случайных выборок.

HBAO и HBAO+

Nvidia не была бы Nvidia, если бы не стала развивать затенение дальше, представив в 2008 году HBAO - Horizon Based Ambient Occlusion. От SSAO это затенение отличалось тем, что оно основано на физической модели, где аппроксимируется интеграл освещенности фрагмента сцены со значениями выборки буфера глубины. Итоговое качество оказывается выше SSAO при большом числе выборок, но мы опять же упираемся в производительность. Поэтому HBAO рендерится обычно в более низком разрешении, что приводит к мерцанию картинки.

Проблема мерцания была исправлена в HBAO+ простым методом, который сейчас активно использует Sony в 4К играх на PlayStation 4 Pro: для рассчета HBAO+ используется шахматный рендеринг, то есть для обработки затенения используется часть предыдущего кадра и половина нового: это требует меньше затрат GPU, но при этом позволяет рендерить затенение в исходном разрешении, что и убирает мерцание.

HDAO

AMD в стороне не остались, и стали использовать собственное затенение (которое, к слову, также работает и на Nvidia) - HDAO (High Definition AO). Увы - AMD не делится алгоритмом, однако известно, что в его основе лежит Gather4 - технология, которая собирает 4 текселя в один регистр. То есть, как и с HBAO, по сути происходит рендеринг в пониженном разрешении. В итоге, в среднем картинка с HBAO и HDAO сравнима по качеству, но опять же - все достаточно сильно зависит от игры: к примеру, в Far Cry 3 с HDAO трава выглядит красивее:

VXAO

С выходом DX12 Nvidia представила принципиально новое затенение - VXAO (Voxel Accelerated Ambient Occlusion). Его суть в том, что оно работает уже не с пикселями и текселями (то есть 2D-объектами), а с вокселями - аналогом пикселя в 3D. И теперь мы используем не Z-буфер, а воксельное построение сцены, поэтому алгоритм состоит из трех пунктов: вокселизация, постобработка вокселей и трассировка конуса. Вокселизация выполняется путем рендеринга треугольных сеток в трехмерную текстуру, и поэтому ее производительность сильно зависит от общего количества треугольников, размера этих треугольников и количества вызовов рисования, необходимых для их рендеринга. Постобработка объединяет проходы, такие как очистка, фильтрация и понижающие выборки вокселей, а ее производительность зависит от общего количества вокселей, созданных во время вокселизации. Типичное время после обработки составляет 0,5 - 1,5 мс. И, наконец, трассировка конуса выполняется в пространстве экрана, поэтому его производительность зависит от разрешения экрана и скорости затенения. Итоговое качество картинки оказывается в куда лучше, чем с HBAO+:

На этом все. Советы для игроков простые: если компьютер хорошо тянет игру без AO, то можно попробовать включить SSAO или HBAO - обычно это снижает fps не более чем на 10%. Если же и с ними производительность отличная - можно попробовать HBAO+ и HDAO. Ну и для самых топовых видеокарт современности можно порекомендовать набирающее обороты VXAO - оно крайне требовательно к ресурсам (в том числе и к видеопамяти), поэтому даже в FHD оно будет доступно лишь пользователям старших Nvidia GTX 900ой и 1000ой линейки, а также владельцам старших AMD RX, Fury и Vega.

Здравствуйте, уважаемые читатели блога сайт. Поскольку среди моих читателей наверняка есть те, кто играет в компьютерные игры, я решил посвятить сегодняшнюю статью игровым настройкам, а конкретно сглаживанию и другим важным параметрам , в той или иной степени оказывающим влияние на производительность видеокарты. Поэтому сегодня мы с вами будем разбираться, как и какие настройки влияют на производительность видеокарты.

Во-первых важно понимать, как и из чего формируется изображение на экране, которое мы видим во время игры. Видеокарте нужно расставить объекты, натянуть текстуры, рассчитать освещение, положить тени, сгладить неровности, и при всем при этом, уложиться буквально в считанные доли секунды! И если какой-то этап занимает больше времени чем положено, появляется заметное глазу "торможение", или по-научному, проседание кадров в секунду. Вот, посмотрите сами:

Конечно, многое зависит от разрешения (Resolution) как такового. Простым изменением разрешения на одну ступень ниже можно добиться прироста производительности в 30-40%. Однако при этом, независимо от остальных настроек, картинка на экране будет выглядеть "замыленной". Поэтому самую "вкусную" картинку в игре можно получить, если разрешение соответствует максимальному разрешению (стандартному заводскому) монитора.

Качество и разрешение текстур (см. изображение выше) не так сильно влияют на производительность видеокарты, не так сильно, как качество объектов - потому что, чем больше деталей и объектов одновременно видеокарте нужно удерживать на экране, тем сложнее просчеты самих объектов и теней, которые они отбрасывают. Тени, в свою очередь, нагружают видеокарту весьма ощутимо, потому что объекты как правило движутся, меняется угол обзора, источник освещения, и чтобы тени выглядели мягко и реалистично, видеокарте нужно просчитывать много раз и усреднять итоговые значения.

Есть такая штука, как Ambient Occlusion (глобальное освещение), см. фото выше. Это технология, которая просчитывает как объекты отражают свет, который на них падает, и как близко расположены объекты, затеняя друг друга.

Это создает гораздо более реалистичную картинку с необходимыми затенениями в углах, но ОЧЕНЬ нагружает видеокарту. На сегодняшний день эта технология доступна в двух вариантах: чуть более простой SSAO (Screen Space Ambient Occlusion) и гораздо более продвинутый и прожорливый HBAO (Horizon-Based Ambient Occlusion).

Есть еще Анизотропная фильтрация (anisotropic filtering, AF) или фильтрация текстур. Она нужна для того, чтобы текстуры, которые находятся под углом или далеко от камеры не выглядели слишком мутными и на них не было никаких цветовых артефактов.

Чем выше значение - тем лучше результат фильтрации, однако сразу скажу - эти значения можно выкручивать сразу на "16x", т.е. на максимальное, и это никак не отразится на производительности даже самой бюджетной видеокарты.

Про сглаживание в играх

Сглаживание (anti aliasing). Что же такое сглаживание? Вы наверняка в играх довольно часто встречались с тем, что у объектов, которые должны в принципе выглядеть ровно и гладко, на краях появляются какие-то непонятные лесенки и зазубрины. Естественно, разработчики игр и видеокарт об этой проблеме знают, поэтому и появилась технология, которая называется "сглаживание", она и нужна чтобы эти неровности сгладить (что очевидно).

Существует довольно много методов осуществить сглаживание. Первый из них взаимодействует с изображением еще на уровне его построения . К первому методу относится: способ сглаживания SSAA (Supersample anti-aliasing) и MSAA (Multisample anti-aliasing), и еще между ними недавно затесался CSAA (Coverage Sampling Antialiasing) - последний, нечто среднее по производительности и по качеству.

Как все эти способы сглаживания работают? Они создают картинку в несколько раз большую, чем необходимо, а потом сжимают ее до размеров экрана, получается довольно неплохой результат, но нагрузка на видеокарту в этот момент просто нечеловеческая. Потому что в зависимости от того, что вы выберете в настройках игры (2x, 4x или 8x), соответственно и изображение будет в два, четыре или в восемь раз больше необходимого, получается, что и нагрузка в два, четыре или восемь раз больше.

Но, к счастью для нас, есть второй метод, который основан на так называемой пост-обработке , т.е. когда сглаживание применяется уже к сформированной сцене. К этому методу относятся уже 3 способа сглаживания: FXAA (Fast approXimate Anti-Aliasing) - по качеству сравним с четырех кратным MSAA сглаживанием, но при этом он не создает вообще никакой нагрузки на видеокарту, ну или настолько малую, что ее практически незаметно. Правда у FXAA есть один небольшой минус - при этом совсем слегка замыливаются текстуры. На глаз это почти незаметно.

Но если вам это мыло прям режет глаза, для вас есть второй способ SMAA (Sub-pixel Morphological Anti-Aliasing), он дает чуть меньшее размытие, но и настолько же меньшее качество сглаживания, при том, что все так же не нагружает видеокарту. И наконец третий способ - TXAA (Temporal anti-aliasing, если я правильно понял, доступно только на видеокартах от Nvidia), он дает очень плавную, киношную картинку, но при этом ощутимо нагружает видеокарту. Если сравнить его с эталонным MSAA, то двукратный TXAA = восьмикратному MSAA, при этом нагрузка на видеокарту такая же, как при двукратном MSAA.

Ну а на этом здесь все, про остальные настройки графики в играх поговорим как-нибудь в другой раз. Я надеюсь, что эта статья поможет вам выбрать подходящие настройки в любой игре и выжать максимум производительности из вашей видеокарты.

P.S. : чуть не забыл сказать про HDAO - то же самое, что HBAO, только от компании ATI-Radeon.

Ambient occlusion - метод глобального фонового или непрямого затенения объектов.

Мягкие тени, создаваемые за счет Ambient Occlusion в различных трещинах и углублениях 3D-объектов, освещаемых в сцене непрямым освещением, визуально разделяют объекты, добавляя дополнительного реализма на рендере.

Например, Ambient Occlusion можно использовать для лучшего визуального разделения кирпичей стены, которые на самом деле не разделены. АО - это не то же самое, что и тени, отбрасываемые прямым источником света, фактически, это фейковые тени, образуемые за счет непрямого освещения, которые на рендере отбрасывают поверхность геометрии.

Если эти лучи взаимодействуют с другой поверхностью, этот участок становится темнее. Если нет - светлее. В большинстве 3D-приложений АО рассчитывается с помощью специального шейдера, который назначается на геометрию. После рендера АО-пас добавляется к изображению в редакторе для композитинга, например в Photoshop, где он дополнительно редактируется и улучшается.

Учитывая, что АО имитируется тогда, когда поверхность объекта «испускает» свет, любой объект с назначенной картой прозрачности не будет просчитываться автоматически. При этом кажется, что АО не рассчитывается, но это не так, поскольку на самом деле лучи света проходят сквозь прозрачную геометрию.

Ambient Occlusion идеально подходит для смягчения всех теней в сцене, если они чрезмерно резкие, а также для их затемнения, если светлые. При этом необходимости в создании дополнительного источника света нет, поскольку АО работает не так, как, например, Final Gather, для которого нужен источник света, испускающий лучи. Для Ambient Occlusion также характерна некоторая вариативность цвета, благодаря которой наши глаза лучше различают детали, которые в противном случае остались бы незамеченными или размытыми. Кроме того, АО идеально подходит для визуализации незатекстуренных моделей.

Советы по настройке Ambient Occlusion
При просчете Ambient Occlusion время рендера можно также сократить, если запечь АО в отдельный слой. Это особенно важно при рендере анимации, поскольку при рендере каждого компьютер будет заново рассчитывать AO, что значительно замедляет время рендера.

Если при рендере на АО-пасе возникают непонятные артефакты, например, излишне насыщенные или слабые тени и пр., нужно подкрутить параметр Max distance в настройках АО. Этот параметр отвечает за то, какое расстояние должны преодолеть лучи света на пути к поверхности геометрии. Чем больше расстояние, тем шире и насыщенней будут тени. Увеличение расстояния также увеличит количество отбрасываемых теней. При уменьшении этого расстояния лучи проделают меньший путь, поэтому тени появятся только там, где геометрия будет расположена близко к поверхности. Экспериментальный подход - залог того, что вы достигнете желаемого результата.

Для дополнительного реализма на рендере можно также использовать непосредственно АО-пас, который можно найти в настройках рендера. Это позволит с помощью направленного источника света добавить Ambient Occlusion дополнительной направленности, а также уменьшит его зависимость от окружающей геометрии.

В некоторых случаях необходимости в рендере отдельного АО-паса нет, поскольку в некоторых материалах он встроен. В таких 3D-редакторах, как 3ds Max или Maya, АО можно найти в настройках архитектурных или дизайнерских материалов. Поэтому перед тем, как настроить отдельный АО-пас, проверьте, не встроен ли он в настройки материала.

Но, так как мы будем использовать view space нам нужно будет восстанавливать положение точки во view space по глубине. О том, как это сделать смотрите в последнем разделе «Ништяки». Пока, пускай у нас будут четыре функции в шейдере:

float restoreViewSpaceDistance(in float depth) vec3 restoreViewSpacePosition(in vec2 texCoords, in float depth) float projectViewSpaceDistance(in float z) vec3 projectViewSpacePosition(in vec3 viewSpace)

Также, для того, чтобы придать разнообразия нашему расчету AO, нам понадобится текстура с шумом. Самая обычная текстура с шумом, я даже показывать её здесь не буду. В дополнение к этой текстуре нам специально для неё нужны будут текстурные координаты. Такие, чтобы текстура рисовалась на экране в пиксель. По большому счету, это не обязательно, но очень желательно, чтобы выборки были «более случайными».

Итого, на входе во фрагментный шейдер у нас есть три текстуры и два набора текстурных координат.

Надо заметить, что в моем движке для того, чтобы поддерживались разные версии шейдеров, сделаны следующие штуки:
Входящая переменная во фрагментный шейдер - etFragmentIn . В старых шейдерах заменяется на varying , в новых на in .
Результат фрагментного шейдера записывается в переменную etFragmentOut (gl_FragColor в старых шейдерах и "out vec4 ... " + glBindFragDataLocation в новых версиях).

Итого, кусочек шейдера у нас уже есть:

uniform sampler2D texture_diffuse; uniform sampler2D texture_normal; uniform sampler2D texture_depth; uniform sampler2D texture_noise; etFragmentIn vec2 TexCoord; etFragmentIn vec2 NoiseTexCoord;

Теперь можно приступить непосредственно к расчету нашего затенения.

3. Расчет SSAO

Общая идея такова: в данной точке получить положение и нормаль, затем сгенерировать несколько случайных направлений на полусфере, заданой нормалью, и проверить затенения в них. Результат собрать и поделить на количество выборок. Таким образом мы хотим контролировать как минимум три параметрa:
1) количество выборок;
2) минимальное расстояние, на котором мы проверяем затенение (оно нужно нам, чтобы избавиться от некоторых неприятных артефактов);
3) максимальное расстояние, на котором мы проверяем затенение;

Вот пару картинок для сравнения параметров: количество выборок - чем больше, тем более плавное и красивое затенение у нас получается:

Максимальное расстояние - чем оно больше, тем «шире» и мягче у нас затенение:

Для тестовой сцены (Crytek Sponza) я использовал такие параметры:

#define NUM_SAMPLES 64 #define MIN_SAMPLE_SIZE 1 .0 #define SAMPLE_SIZE 32 .0

К сожалению, мне пока не пришло в голову, как можно избавиться от этих параметров и вычислять их, исходя из того, что у нас есть на экране. Буду рад, если кто-то подскажет, куда двигаться в этом направлении.

Итак, у нас все есть для того, чтобы рассчитать затенение каждой точки на экране. Для начала нам нужно найти нормаль в этой точке и её положение (не забывайте, что мы работает во view space). Делается это просто чтением нормали из текстуры и восстановлением положения по глубине:

void main() { vec4 noiseSample = etTexture2D(texture_noise, NoiseTexCoord) ; vec3 normalSample = decodeNormal(etTexture2D(texture_normal, TexCoord) .xy) ; float depthSample = 2 .0 * etTexture2D(texture_depth, TexCoord) .x - 1 .0 ; vec3 viewSpacePosition = restoreViewSpacePosition(2 .0 * TexCoord - 1 .0 , depthSample) ; ...

Функция etTexture2D - это тоже магия моего движка. Для старых версий GLSL она превращается в texture2D, для новых в texture.

Теперь, чтобы не городить все в теле функции main(), заведем специальную функцию, которая рассчитывает затенение в данной точке. Я пафосно назвал её performRaytracingInViewSpace:

float performRaytracingInViewSpace(in vec3 vp, in vec3 vn, in vec4 noise)