Сглаживание в играх и другие настройки, как выжать максимум из видеокарты? Что такое Ambient Occlusion (AO).

В современных играх используется все больше графических эффектов и технологий, улучшающих картинку. При этом разработчики обычно не утруждают себя объяснением, что же именно они делают. Когда в наличии не самый производительный компьютер, частью возможностей приходится жертвовать. Попробуем рассмотреть, что обозначают наиболее распространенные графические опции, чтобы лучше понимать, как освободить ресурсы ПК с минимальными последствиями для графики.

Анизотропная фильтрация

Когда любая текстура отображается на мониторе не в своем исходном размере, в нее необходимо вставлять дополнительные пикселы или, наоборот, убирать лишние. Для этого применяется техника, называемая фильтрацией.

Триленейная

Анизатропная

Билинейная фильтрация является самым простым алгоритмом и требует меньше вычислительной мощности, однако и дает наихудший результат. Трилинейная добавляет четкости, но по-прежнему генерирует артефакты. Наиболее продвинутым способом, устраняющим заметные искажения на объектах, сильно наклоненных относительно камеры, считается анизо­тропная фильтрация. В отличие от двух предыдущих методов она успешно борется с эффектом ступенчатости (когда одни части текстуры размываются сильнее других, и граница между ними становится явно заметной). При использовании билинейной или трилинейной фильтрации с увеличением расстояния текстура становится все более размытой, анизотропная же этого недостатка лишена.

Учитывая объем обрабатываемых данных (а в сцене может быть множество 32-битовых текстур высокого разрешения), анизотропная фильтрация особенно требовательна к пропускной способности памяти. Уменьшить трафик можно в первую очередь за счет компрессии текстур, которая сейчас применяется повсеместно. Ранее, когда она практиковалась не так часто, а пропуская способность видеопамяти была гораздо ниже, анизотропная фильтрация ощутимо снижала количество кадров. На современных же видеокартах она почти не влияет на fps.

Анизотропная фильтрация имеет лишь одну настройку – коэффициент фильтрации (2x, 4x, 8x, 16x). Чем он выше, тем четче и естественнее выглядят текстуры. Обычно при высоком значении небольшие артефакты заметны лишь на самых удаленных пикселах наклоненных текстур. Значений 4x и 8x, как правило, вполне достаточно для избавления от львиной доли визуальных искажений. Интересно, что при переходе от 8x к 16x снижение производительности будет довольно слабым даже в теории, поскольку дополнительная обработка понадобится лишь для малого числа ранее не фильтрованных пикселов.

Шейдеры

Шейдеры – это небольшие программы, которые могут производить определенные манипуляции с 3D-сценой, например, изменять освещенность, накладывать текстуру, добавлять постобработку и другие эффекты.

Шейдеры делятся на три типа: вершинные (Vertex Shader) оперируют координатами, геометрические (Geometry Shader) могут обрабатывать не только отдельные вершины, но и целые геометрические фигуры, состоящие максимум из 6 вершин, пиксельные (Pixel Shader) работают с отдельными пикселами и их параметрами.

Шейдеры в основном применяются для создания новых эффектов. Без них набор операций, которые разработчики могли бы использовать в играх, весьма ограничен. Иными словами, добавление шейдеров позволило получать новые эффекты, по умолчанию не заложенные в видеокарте.

Шейдеры очень продуктивно работают в параллельном режиме, и именно поэтому в современных графических адаптерах так много потоковых процессоров, которые тоже называют шейдерами. Например, в GeForce GTX 580 их целых 512 штук.

Parallax mapping

Parallax mapping – это модифицированная версия известной техники bumpmapping, используемой для придания текстурам рельефности. Parallax mapping не создает 3D-объектов в обычном понимании этого слова. Например, пол или стена в игровой сцене будут выглядеть шероховатыми, оставаясь на самом деле абсолютно плоскими. Эффект рельефности здесь достигается лишь за счет манипуляций с текстурами.

Исходный объект не обязательно должен быть плоским. Метод работает на разных игровых предметах, однако его применение желательно лишь в тех случаях, когда высота поверхности изменяется плавно. Резкие перепады обрабатываются неверно, и на объекте появляются артефакты.

Parallax mapping существенно экономит вычислительные ресурсы компьютера, поскольку при использовании объектов-аналогов со столь же детальной 3D-структурой производительности видеоадаптеров не хватало бы для просчета сцен в режиме реального времени.

Эффект чаще всего применяется для каменных мостовых, стен, кирпичей и плитки.

Anti-Aliasing

До появления DirectX 8 сглаживание в играх осуществлялось методом SuperSampling Anti-Aliasing (SSAA), известным также как Full-Scene Anti-Aliasing (FSAA). Его применение приводило к значительному снижению быстродействия, поэтому с выходом DX8 от него тут же отказались и заменили на Multisample Аnti-Аliasing (MSAA). Несмотря на то что данный способ давал худшие результаты, он был гораздо производительнее своего предшественника. С тех пор появились и более продвинутые алгоритмы, например CSAA.

AA выключено

AA включено

Учитывая, что за последние несколько лет быстродействие видеокарт заметно увеличилось, как AMD, так и NVIDIA вновь вернули в свои ускорители поддержку технологии SSAA. Тем не менее использовать ее даже сейчас в современных играх не получится, поскольку количество кадров/с будет очень низким. SSAA окажется эффективной лишь в проектах предыдущих лет, либо в нынешних, но со скромными настройками других графических параметров. AMD реализовала поддержку SSAA только для DX9-игр, а вот в NVIDIA SSAA функционирует также в режимах DX10 и DX11.

Принцип работы сглаживания очень прост. До вывода кадра на экран определенная информация рассчитывается не в родном разрешении, а увеличенном и кратном двум. Затем результат уменьшают до требуемых размеров, и тогда «лесенка» по краям объекта становится не такой заметной. Чем выше исходное изображение и коэффициент сглаживания (2x, 4x, 8x, 16x, 32x), тем меньше ступенек будет на моделях. MSAA в отличие от FSAA сглаживает лишь края объектов, что значительно экономит ресурсы видеокарты, однако такая техника может оставлять артефакты внутри полигонов.

Раньше Anti-Aliasing всегда существенно снижал fps в играх, однако теперь влияет на количество кадров незначительно, а иногда и вовсе никак не cказывается.

Тесселяция

С помощью тесселяции в компьютерной модели повышается количество полигонов в произвольное число раз. Для этого каждый полигон разбивается на несколько новых, которые располагаются приблизительно так же, как и исходная поверхность. Такой способ позволяет легко увеличивать детализацию простых 3D-объектов. При этом, однако, нагрузка на компьютер тоже возрастет, и в ряде случаев даже не исключены небольшие артефакты.

Выключена

Включена

На первый взгляд, тесселяцию можно спутать с Parallax mapping. Хотя это совершенно разные эффекты, поскольку тесселяция реально изменяет геометрическую форму предмета, а не просто симулирует рельефность. Помимо этого, ее можно применять практически для любых объектов, в то время как использование Parallax mapping сильно ограничено.

Технология тесселяции известна в кинематографе еще с 80-х го­дов, однако в играх она стала поддерживаться лишь недавно, а точнее после того, как графические ускорители наконец достигли необходимого уровня производительности, при котором она может выполняться в режиме реального времени.

Чтобы игра могла использовать тесселяцию, ей требуется видеокарта с поддержкой DirectX 11.

Вертикальная синхронизация

V-Sync – это синхронизация кадров игры с частотой вертикальной развертки монитора. Ее суть заключается в том, что полностью просчитанный игровой кадр выводится на экран в момент обновления на нем картинки. Важно, что очередной кадр (если он уже готов) также появится не позже и не раньше, чем закончится вывод предыдущего и начнется следующего.

Если частота обновления монитора составляет 60 Гц, и видео­карта успевает просчитывать 3D-сцену как минимум с таким же количеством кадров, то каждое обновление монитора будет отображать новый кадр. Другими словами, с интервалом 16,66 мс пользователь будет видеть полное обновление игровой сцены на экране.

Следует понимать, что при включенной вертикальной синхронизации fps в игре не может превышать частоту вертикальной развертки монитора. Если же число кадров ниже этого значения (в нашем случае меньше, чем 60 Гц), то во избежание потерь производительности необходимо активировать тройную буферизацию, при которой кадры просчитываются заранее и хранятся в трех раздельных буферах, что позволяет чаще отправлять их на экран.

Главной задачей вертикальной синхронизации является устранение эффекта сдвинутого кадра, возникающего, когда нижняя часть дисплея заполнена одним кадром, а верхняя – уже другим, сдвинутым относительно предыдущего.

Post-processing

High dynamic range (HDR)

Film Grain

Motion Blur

Выключен

Включен

Эффект также поможет при необходимости завуалировать низкую частоту смены кадров и добавить плавности в игровой процесс.

SSAO

Cel shading

В похожем стиле создают комиксы, поэтому прием часто используют именно в играх, имеющих к ним отношение. Из последних известных релизов можно назвать шутер Borderlands, где Cel shading заметен невооруженным глазом.

Особенностями технологии является применение ограниченного набора цветов, а также отсутствие плавных градиентов. Название эффекта происходит от слова Cel (Celluloid), т. е. прозрачного материала (пленки), на котором рисуют анимационные фильмы.

Depth of field

В определенной мере глубину резкости можно наблюдать, просто сосредоточившись на близко расположенном перед глазами предмете. Все, что находится позади него, будет размываться. Верно и обратное: если фокусироваться на удаленных объектах, то все, что размещено перед ними, получится нечетким.

Лицезреть эффект глубины резкости в гипертрофированной форме можно на некоторых фотографиях. Именно такую степень размытия часто и пытаются симулировать в 3D-сценах.

В играх с использованием Depth of field геймер обычно сильнее ощущает эффект присутствия. Например, заглядывая куда-то через траву или кусты, он видит в фокусе лишь небольшие фрагменты сцены, что создает иллюзию присутствия.

Влияние на производительность

Надеюсь данная статья не только позволит вам лучше оптимизировать игру под свой компьютер, но и расширит ваш кругозор. Совсем скоро появится статья о реальном влиянии количества FPS на восприятие игры.

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.

Графический движок Far Cry 3

Far Cry 3 построен на движке Dunia 2, ведущего родословную от первой версии CryEngine, которая лежала в основе самого первого Far Cry, а следующие версии используются в серии Crysis. Но, несмотря на именитое родство, а также всю привлекательность Far Cry 3, нельзя не признать, что эта игра больше берет проработанным дизайном, чем передовыми технологиями и богатством графических эффектов. Far Cry 3 поддерживает API DirectX 9 либо DX11 (промежуточный вариант в виде DirectX 10 недоступен), но почти все красоты игры не выходят за рамки возможностей первого. Немногие заметные глазу преимущества, которые можно извлечь из DirectX 11, сводятся к полноэкранному сглаживанию мощностью вплоть до 8x и выбору из трех различных механизмов Ambient Occlusion. Внимательные игроки также могут заметить работу технологии Contact Hardening Shadows: жесткость тени варьируется в зависимости от расстояния между ее источником и затененной поверхностью.

Far Cry 3 в немалой степени ориентирован на консоли с присущими им ограничениями на объем памяти и вычислительную мощность. Кроме того, создание большого открытого окружения требует такого количества дизайнерских человеко-часов, что разработчик не может преуспеть во всех составляющих визуального облика игры, и для него выгоднее, наоборот, сконцентрироваться на нескольких ключевых компонентах. В случае с Far Cry 3 таковыми стали персонажи и окружающая среда.

Возьмем персонажей. Постоянные читатели наверняка помнят, что в свое время NVIDIA в качестве очередной виртуальной красотки, демонстрирующей возможности GeForce 8800 GTX, избрала отрендеренную копию некой модели по имени Adrianne Curry. В 2006 году результат действительно восхищал, в то время как в большинстве игр физиономии персонажей все еще выглядели довольно-таки грубо. Ну а теперь уже красота виртуальной Adrianne Curry уступает внешности Citra — главной обольстительницы из истории Far Cry 3.

Что касается красот природы, то вызывает восхищение тот изящный и эффективный метод, с помощью которого разработчики сделали игровой мир столь богатым и реалистичным. Поначалу картинка просто вызывает восторг и поглощает зрителя целиком, но если присмотреться к деталям, то выяснится, что пейзажи острова довольно однообразные и простые. Нельзя не сравнить Far Cry 3 с первым Crysis, действие которого также происходит на тропическом острове. И в плане проработки окружения сравнение будет не в пользу новинки. Хотя, конечно, это не только или даже, быть может, не столько недостаток Far Cry 3, сколько свидетельство тому, насколько Crysis тогда опередил свое время.

Но сравнение видеоряда Crysis и Far Cry 3 раскрывает и главное преимущество последнего. Это одна из первых игр, которые используют технологию Global Illumination, и с чрезвычайно эффектным результатом. Работа GI в Far Cry 3 складывается из двух основных компонентов: прямого освещения от небесной сферы и рассеянного света, отраженного от элементов игрового окружения.

Направление и оттенок света небесной сферы рассчитывается движком в реальном времени, что позволяет теням от объектов ползти по земле вслед за солнцем.

А данные о распределении света, отражающегося от близко расположенных поверхностей, и видимости неба из определенной точки (зонда - Probe) вычисляется на CPU в «офлайне» (на схеме — Probe Baking), что делает технологию относительно нетребовательной по сравнению с полностью «онлайновой» реализацией Global Illumination. И это, возможно, не последняя причина того, что движок допускает лишь небольшие разрушения игровой среды.

Затем уже в игре из сочетания заранее просчитанной информации и динамического небесного освещения (Relighting) формируются объемные текстуры, с помощью которых GPU придает объектам ту или иную освещенность и оттенок.

Таким образом и получаются сцены с роскошными реалистичными тенями, которыми так привлекает Far Cry 3.

Наконец, в дополнение к описанному алгоритму, версия Far Cry 3 для PC оперирует информацией о распространении света от локальных источников для того, чтобы аппроксимировать динамическое освещение, создаваемое фарами автомобиля, факелами и прочим.

⇡ Настройки графики Far Cry 3

DirectX 9 vs DirectX 11

Итак, Far Cry 3 предлагает выбор между API DirectX 9 и DX 11. Последний вариант открывает доступ к выбору режима полноэкранного сглаживания и алгоритма Ambient Occlusion. Последняя технология выполняет ту же задачу, что и Global Illumination, только в меньшем масштабе: аппроксимирует распределение отраженного света, что лучше всего проявляется в затенении углубленных участков геометрии (ниши, углы и т.д.) по сравнении с выдающимися.

Польза антиалиасинга в Far Cry 3 не подлежит обсуждению, особенно потому, что наш остров головорезов — «весь покрытый зеленью, абсолютно весь». MSAA в сочетании с TSAA (применением суперсемплинга к прозрачным текстурам, из которых состоит обильная тропическая листва) делает картинку куда более четкой, нежели в режиме DirectX 9, хотя и ценой колоссального падения производительности. Что поделаешь, такова неприятная особенность доминирующего сегодня метода отложенного рендеринга (Deferred Rendering).

А вот выбор между методами Ambient Occlusion неоднозначнен. В режиме DirectX 9 по умолчанию доступен только относительно старый и неточный метод - SSAO (Screen space ambient occlusion), при переходе к DirectX 11 появляются еще два варианта: HBAO (Horizon-Based Ambient Occlusion) и HDAO (High Definition Ambient Occlusion).

Как видно по скриншотам, использование SSAO производит довольно грубый результат, резко выделяя стыки полигонов и накладывая обширные тени на поверхности.

Освещение с использованием HBAO также выглядит не очень естественно. Хотя картинка и не столь темная, как при SSAO, в стыках полигонов появляются резкие короткие тени, за счет чего клочки травы на открытых пространствах выглядит как подпаленные, а в закрытых помещениях HBAO придает графике Far Cry 3 отдаленное сходство с мультяшным стилем Borderlands 2.

Наиболее сбалансированные тени производит метод HDAO, подчеркивая объем в тех местах, где нужно, и не создавая странных графических артефактов. Для расчета данных HDAO движок Far Cry 3 задействует API DirectCompute.

GPU от AMD и NVIDIA с теми версиями драйверов, которые использовались в тестировании, работают с тремя режимами Ambient Occlusion с примерно одинаковой эффективностью: разница очень невелика.

Предустановки детализации

Far Cry 3 позволяет в широких пределах изменять детализацию игрового окружения. Предлагаются пять предустановленных настроек: Low, Medium, High, Very High и Ultra, от которых также сильно зависит и производительность. Откатив графику до уровня Low, можно сделать Far Cry 3 играбельным даже на относительно старых системах, хотя при этом и пропадет добрая часть труда дизайнеров.

Предустановки мало влияют на сложность геометрии движущихся моделей и вид закрытых помещений. Сильнее всего изменяется детализация текстур и дальность прорисовки деталей ландшафта. При переходе от низких режимов к высоким постепенно включаются компоненты сложной модели освещения Far Cry 3. Заметная разница также проявляется в том, как выглядят модели персонажей.

Изображение, приближенное к замыслу авторов игры, появляется на экране только в режиме High, при котором наблюдается неплохой компромисс между красотой и быстродействием. В более низких режимах открытые пространства Far Cry 3 становятся похожи на примитивные (а когда-то восхищавшие) декорации TES: Oblivion.

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)

Стоит только начать обсуждение новой игры для ПК, как неотвратимо всплывет слово «оптимизация». Deus Ex: Mankind Divided? «Похоже, что эту игру ВООБЩЕ не оптимизировали», - пишет кто-то из игроков в Steam. Metro: Last Light? «Если коротко, то оптимизация выполнена ужасно», - пишет другой.

Жалобы на плохую оптимизацию, как правило, идут бок о бок с фразами наподобие «у меня эта игра тормозит». Но связана ли производительность с ошибками программистов, которые не смогли эффективно написать код? Как понять, игра на самом деле плохо оптимизирована или для нее просто не хватает мощности вашего ПК?

В этой статье я постараюсь прояснить, чем является оптимизация на самом деле, расскажу о некоторых технических средствах вроде освещения и сглаживания, которые всегда требовательны к ресурсам вашего ПК, а также немного объясню, как разработчики определяют настройки графики и системные требования.

Что такое оптимизация, и чем её измерить?

Оптимизация в компьютерных играх - это вовсе не то же самое, что оптимизация в информатике. Она используется не столько для того, чтобы оптимизировать процесс, сколько для того, чтобы что-нибудь улучшить. Ключевое отличие состоит в том, что в информатике оптимизацией называется то, что дает точно такой же конечный результат.

Вот простой пример. Допустим, вам необходимо вычислить следующее:

a = b*c + b*c + b*c

Если вместо этого мы определим:

d = b*c, и запишем a = d + d + d

это будет «оптимизацией», так как для получения этого же результата используется всего одна операция умножения вместо трех. Если придерживаться такого узкого определения, то попытки сравнивать уровень оптимизации в разных играх, создатели которых ставят перед собой разные цели, становятся совершенно нецелесообразными.

Так как же нам рассуждать об оптимизации, сохранив хоть какую-то объективность? Вот какое определение дали мне в QLOC:

Показатель хорошей оптимизации - работающая игра работает с одинаковой частотой кадров на широкой линейке аппаратных конфигураций, включая низкопроизводительные.

Для поддержания стабильной частоты кадров они уделяют большое внимание настройкам графики, за счет которых можно преодолеть широкий технологический разрыв между высоко- и низкопроизводительными ПК.

Дин Секулич из Croteam оптимизирует игры уже 20 лет и уверен, что «с одной стороны, невозможно сравнить, насколько оптимизированы разные игры», но с другой? всегда можно составить мнение, визуально оценив качество двух разных игр и уровень производительности, который ими достигнут. Однако он также отмечает, что «есть много всего скрытого от глаз», влияющего на поведение игры.

Что же это? Понимание того, что такое оптимизация и что на неё влияет, подразумевает получение ответа на этот вопрос. Мы начнем с оценки того, как на производительность могут влиять те визуальные эффекты, которые дают наибольшую нагрузку на современные аппаратные средства.

Современные эффекты и производительность

Если вы разочарованы производительностью игры, скорее всего виной тому один из этих эффектов. В большинстве случаев картинка не выглядит плавной именно благодаря им, и с них стоит начать настройку графики для достижения частоты 60 FPS (кадров в секунду).

Качество изображения

Возможно, самый простой параметр, который заметно влияет на производительность и позволяет сравнивать уровень оптимизации, это разрешение экрана . Вполне естественно сравнивать игры на одинаковом разрешении, поскольку этот параметр состоит всего из двух чисел (к примеру, 1920×1080) и доступен для настройки практически в каждой игре. Важный факт, который часто упускается из виду: с изменением разрешения меняется количество выводимых пикселей - 4k дает нагрузку примерно в четыре, а не в два раза больше, чем 2k.

Сглаживание - это намного более сложная тема, когда дело касается сравнений. В современных играх вы можете встретить любую из этих настроек:

• Чистые методы работы с экранным пространством, такие как FXAA или SMAA (1x). Работают с уже сгенерированным изображением. На этапе постобработки производится попытка выявить и устранить артефакты визуализации, к примеру, «лесенки».
• Методы временного сглаживания. Делают движения более плавными, генерируя изображение с наложением предыдущего кадра и выводят промежуточный результат.
• Множественная выборка сглаживания или мультисэмплинг (MSAA). На разных этапах визуализации пиксели на гранях полигонов генерируются на основе нескольких предварительных виртуальных моделей.
• Избыточная выборка сглаживания или суперсэмплинг. На разных этапах визуализации все пиксели генерируются на основе нескольких предварительных виртуальных моделей.
• Комбинации из вышеописанных методов (к примеру, TXAA)

Список представлен в порядке возрастания ожидаемого влияния на производительность, за исключением последнего пункта, который зависит от используемых методов. Методы, работающие с экранным пространством, задействуют небольшое количество ресурсов, чуть больше нагрузки дает временное сглаживание, далее следуют мультисэмплинг и, наконец, суперсэмплинг. Мультисэмплинг представляет особую сложность для сопоставления производительности, поскольку, в зависимости от способа реализации, нагрузка при использовании этого метода может значительно различаться - от минимальной до близкой с суперсэмплингу. Суперсэмплинг достаточно легко соотнести с разрешением: использование Nx суперсэмплинга увеличивает нагрузку эквивалентно увеличению разрешения в N раз.

Освещение и тени

Поверхности и окружающая атмосфера напрямую зависят от освещения, которое относится к основам 3D графики и одновременно является ее Священным Граалем. Постоянно разрабатываются всё более сложные эффекты, благодаря которым достижимо современное качество изображения, однако улучшение картинки часто достигается за счет огромного ущерба производительности.

Если речь идет об освещении, то обработка почти всего, что позиционируется, как объёмное , или приближенно к глобальному освещению , чаще всего является оправданно затратной. Это относится и к современной реализации так называемых, лучей бога , которые воспроизводят эффект яркого сияния, подсвечивающего взвешенные в воздухе частицы или пыль на более темном фоне.

Там, где есть свет, должны быть и тени, но, к сожалению, в играх это не происходит таким же естественным образом, как в реальной жизни. В современных играх, как правило, используются два источника теней, работающих в реальном времени: рассеянное затенение , которое пытается снизить интенсивность общего освещения и зависит, как правило, от близлежащих объектов, а также прямое затенение .

Рассеянное затенение впервые было представлено в Crysis и само по себе требовало немалых ресурсов. В наши дни использование этого эффекта больше не вызывает проблем с производительностью. Однако новые графические техники, такие как воксельное рассеянное затенение или затенение отдаленных пространств, всё еще достаточно требовательны к производительности.

Наряду с прямым затенением, в играх сложно воспроизвести и контактное уплотнение . Этот эффект заключается в том, что, чем ближе тень к отбрасывающему ее объекту, тем контрастнее ее очертания, а чем дальше, тем они мягче. Есть целый ряд различных реализаций этого эффекта (к примеру, PCSS), но любая из них дает высокую нагрузку на производительность.

Существует важная деталь, которую необходимо учитывать, когда вы рассуждаете об оптимизации: все, что относится к динамике в реальном времени - движение света или изменение яркости, перемещение игроков, а в худшем случае и изменение рельефа местности - намного сильнее влияет на производительность, чем освещение и тени, которые можно рассчитать заранее. Если в игре присутствует смена дня и ночи или возможность менять ландшафт, это должно быть тщательным образом учтено при обсуждении использованных технологий освещения и теней.

Прочие визуальные эффекты

Многие из эффектов, которые не входят ни в одну из вышеперечисленных категорий, служат для имитации оптических свойств камеры. Как правило, они не слишком сокращают производительность, за исключением высокоточной имитации размытия боке . Чем сильнее размытие участков изображения вне фокуса, тем больше страдает производительность.

Относительно новая разработка, которая часто встречается наряду с физически корректным рендерингом, это отражения на экранном пространстве. Этот эффект оказывает заметное влияние на производительность, хотя и менее ресурсоемок, чем традиционные техники реализации отражений, при использовании которых большие участки сцены просчитываются заново. Кроме того, нагрузка удваивается, если имитируются дополнительные детали вроде контактного уплотнения.

И наконец, существует категория эффектов, относящихся к физическому моделированию , которые тоже достаточно требовательны к ресурсам центрального либо графического процессора, а, бывает, и обоих сразу. Они используются в целях, не связанных с геймплеем, и чаще всего нужны для имитации волос и одежды, а также жидкостей, газов, мусора и их динамического взаимодействия.

Особенности оптимизации

Теперь, когда у нас есть некоторое представление о самых ресурсоемких эффектах в современных играх, мы можем заняться рассмотрением, что необходимо для создания игры, которая, как хотелось бы надеяться, в конечном итоге будет оптимизирована.

Стандартные настройки и системные требования

Предустановленные графические настройки - привычные «низкие», «средние», «высокие», «очень высокие», «ультра» - практически никогда не соответствуют друг другу в разных играх, однако они крайне важны: их используют игроки, которые не хотят углубляться в тонкости индивидуальной настройки.
В Croteam «средние» предустановки определяются на ранней стадии разработки игры и зависят от текущего и прогнозируемого уровня развития аппаратных средств, а будущие графическое оформление и дизайн выполняются с учетом этого стандарта. Ближе к выпуску техническая команда определяет настройки для каждой предустановки, стараясь на каждом уровне сбалансировать качество картинки и производительность.

Лично я люблю именно их подход за то, что они разделяют настройки по нагрузке на центральный и графический процессоры или память, вместо того, чтобы оставлять игрока разбираться в этом самостоятельно. Одновременно с тем, что они стараются разрабатывать игры для сбалансированных ПК, такой подход позволяет эффективнее использовать производительность тем игрокам, на чьих компьютерах установлены мощные или же слабые центральные или графические процессоры.

Для QLOC, где, в основном, занимаются портированием консольных игр на ПК, «средние» настройки портированной игры определяются стандартными установками графики на консоли, однако могут быть внесены и некоторые изменения, вызванные различием платформ. В тех случаях, когда такое возможно, вводится варьируемость параметров. Предустановки графики и системные требования меняются в процессе оптимизации, начиная того момента, как система визуализации и другие ключевые механизмы протестированы и функционируют.

Игрокам не всегда до конца известно, каким образом определяются системные требования. В то время как

каждый разработчик использует собственные стандарты, в Croteam «минимальные» требования означают, что игра должна хорошо работать на низких настройках, и если эти требования не соблюдены, техническая поддержка не предоставляется. «Рекомендуемые» же системные требования подразумевают, что игра должна хорошо работать («не на средних, а на высоких», как сказал мне Дин) c разрешением 1080p.

Как оценивать оптимизацию игры

Вооружившись знанием о том, в чем заключается оптимизация, и о том, как работают самые ресурсоемкие эффекты, мы можем попытаться пересмотреть несколько самых острых тем из обсуждений «неоптимизированных» игр.

Относительно недавно утихли обсуждения Dying Light, и, на мой взгляд, это один из самых показательных случаев – не в том, что касается ошибок разработчиков, но касательно оценки, которую получила эта игра. Dying Light это игра с открытым миром, в котором необходимо много путешествовать, кроме того, присутствует динамическая смена дня и ночи, а это компоненты, которые делают игру технически сложной в реализации. Игра предоставляет широкие возможности для настройки дальности прорисовки, которая, в частности, дает огромную нагрузку на центральный и графический процессоры.

Поднялся громкий вой на Dying Light, как на «ужасно не оптимизированный порт на ПК» из-за того, что она не соответствовала (произвольно выбранным) стандартам на максимальных настройках графики. Как выяснилось, ползунок настройки дальности прорисовки, установленный на минимум, в первоначальной версии игры определял более высокую дальность прорисовки, чем на консоли. В сущности, люди были недовольны тем, что разработчик подразумевал, что в ранних патчах игрокам придется устанавливать ползунок дальности прорисовки на 55% от максимального значения.

Выглядела бы игра более «оптимизированной», если бы этот простой шаг был сделан до релиза? Я в этом уверен. При этом была бы она на самом деле «лучше оптимизирована»? Разумеется, нет. Dying Light – не только хороший пример того, как сложно оценить качество оптимизации, но и того, что должны учитывать разработчики при определении доступных настроек графики.

Похожая история недавно произошла с Deus Ex: Mankind Divided, в которой важное значение имеет настройка MSAA (до 8x). Поскольку в игре используется отложенное освещение и затенение – универсальная техника визуализации, которая делает намного менее эффективной простую реализацию MSAA с аппаратным ускорением - MSAA давала большую нагрузку на производительность, которой от нее никто не ожидал. И снова, игра выглядела бы более «оптимизированной» в том случае, если бы не предоставляла такую настройку, при чем, опять же, проблема с оптимизацией совсем не в этом.

Игра редко представляет из себя монолитную сущность, которая либо оптимизирована, либо нет. Не оптимизированы могут быть отдельные эффекты, в отличие от игры в целом. Это особенно распространено при использовании нововведений: когда в оригинальной Crysis впервые было использовано рассеянное затенение, оно было плохо оптимизировано по сравнению с современными реализациями. Кроме того, первая реализация воксельного рассеянного затенения в Rise of the Tomb Raider – в целом хорошо оптимизированной и красивой игры – может оказаться хуже грядущих реализаций.

Metro 2033 стала одной из первых игр, где были широко использованы объемные лучи, и позиционировалась она как духовный приемник Crysis в том, что касается производительности на высоких настройках. Это же актуально и для недавнего и последующего использования теней с контактным уплотнением. Тем не менее, я считаю, что необходимо экспериментировать с внедрением новых возможностей, несмотря на то, что первые реализации не всегда можно использовать из-за их нагрузки на производительность. Благодаря этому процесс развития игровой разработки не стоит на месте, и появляются хорошо оптимизированные визуальные эффекты. Прелесть платформы ПК заключается в том, что эффект, который был «не оптимизирован» в 2010 году, может быть использован по максимуму в 2016-м, и игра будет выглядеть лучше даже на средней аппаратной конфигурации.

Разумеется, существуют игры, которые действительно плохо оптимизированы. Обычно за ними стоит одно и то же: недостаток ресурсов, попытка небольшого разработчика откусить больше, чем он может прожевать, или просто низкие технические навыки. Когда игра тормозит на настройках по умолчанию даже на самом мощном ПК, или в простой 2D игре fps падает до 20 кадров в секунду даже на современной консоли, тогда никакой самый глубокий анализ не приведет к утешительным выводам. В большинстве случаев, однако, оценка становится намного сложнее, и я надеюсь, что, как я надеюсь, было хорошо проиллюстрировано в этом разделе.

Трудности оптимизации

Сам процесс создания оптимального кода (в том значении, которое используется в информатике, что упоминалось ранее) достаточно трудоемок. Для Дина Секулича «худший кошмар оптимизации» это «смотреть на данные профайлера и видеть, что выполнение верхней функции занимает 3% времени». Для понимания того, что имеется ввиду, скажу, что профайлер - это инструмент, который позволяет программисту увидеть, сколько времени у программы уходит на выполнение каждой функции, обычно он сортирует итоговый список по убыванию времени выполнения.

Когда верхняя функция занимает 3% времени, это означает, что если вам удастся вдвое сократить время ее выполнения - для чего могут потребоваться титанические усилия - в целом программа ускорится на 1,5%. Из-за того, что подобные ситуации возникают постоянно, оптимизация готового кода превращается в поэтапный и трудоемкий процесс.

В QLOC портируют игры с использованием самых разных технологий, поэтому с каждым проектом возникают новые задачи. «Это может быть по-настоящему сложно для одной игры, и намного проще для другой».

Таким образом, как говорит Дин, в оптимизации программы «не бывает простых и очевидных решений».
К вопросу о DirectX 12: Низкоуровневые интерфейсы вроде DirectX 12 иногда становятся простым ответом на споры об оптимизации, однако множество игр с DirectX 12 так и не показали значительных результатов в производительности.

За исключением тех случаев, когда игровой движок полностью поддерживает новый низкоуровневый интерфейс, использование такого интерфейса сразу же после появления в QLOC считается неоправданным или «дающим небольшое улучшение производительности, которое может быть сведено на нет, когда портирование завершено».

Дин Секулич уверен, что «парадигму движков визуализации пора менять», но при этом видит огромный потенциал для Vulkan в будущем. Он дает наполовину шуточный совет разработчикам: «Если вы используете Vulkan, добавляйте на экран побольше объектов», подразумевая, что в будущем могут возникнуть ситуации, которые невозможно качественно воспроизвести, используя возможности современных интерфейсов.

Учитывая основное содержание как онлайн-дискуссий и обзоров, так и этой статьи, следует повторить еще раз: оптимизация - это тема, подразумевающая не только графику , даже несмотря на то, что обработка каждого выводимого кадра занимает значительную часть процессорного времени.

Как говорят в команде разработчиков QLOC, «Для нас оптимизация также во многом касается исправления неудачных решений с управлением, повышения комфорта игрового процесса, улучшения пользовательского интерфейса, усовершенствования системы сохранений и загрузки, улучшения работы с сетью и даже исправления старых ошибок в первоначальном коде». Могу себе представить, что есть немало людей, которые могут по достоинству оценить подобный подход, и которые, в свое время, помучались с ускорением мыши, задержками ввода или кричащим пользовательским интерфейсом в других портированных играх – я сам о таком частенько писал.

Подводя итог

Несмотря на то, что эта статья описывает множество различных тонкостей, она только слегка затрагивает то, что на самом деле происходит в процессе оптимизации современной игры для ПК. Надеюсь, что мне удалось раскрыть несколько секретов внутренней кухни, а также дать подсказки, которые помогут вам отключить нужные настройки для того, чтобы игра работала с высокой частотой кадров.

В подобной форме это оказалось бы невозможным без помощи добрых людей из QLOC и Croteam. Croteam считается перспективной и опытной компанией, разрабатывающей игры в первую очередь для ПК и известной высоким качеством своих продуктов. О QLOC мы знаем в первую очередь благодаря их работе по портированию игр. Ожидая выход игры на ПК, игроки, как правило, вздыхают с облегчением, когда видят название этой компании. Если вы найдете в статье ошибки, то они принадлежат только мне, а не им.
В завершение статьи хотелось бы озвучить две просьбы.

Когда вы сравниваете относительную производительность игр, постарайтесь принять во внимание все то, что в них действительно заложено. Как говорилось выше, освещение в реальном времени и интерактивные объекты несравнимо труднее реализовать с той же эффективностью, как статические сцены, и реальность ставит всех нас - даже самых безучастных - перед фактом, что нагрузка на производительность не зависит от того, насколько оптимизированы эти эффекты.

Аналогичным образом, стоит учитывать, что даже если дополнительные настройки визуальных эффектов новейшего поколения сейчас бесполезны, их наличие в любом случае лучше, чем их отсутствие. Они не делают игру менее оптимизированной. Я всегда считал, что возможность вернуться к высококлассной игре много лет спустя и увидеть, как раскроется ее красота, является одним из главных преимуществ ПК как платформы, и было бы грустно видеть, что оно сводится на нет из-за недальновидных суждений об оптимизации.