Глава 1. Эволюция технологий создания трёхмерных растений

Концепция Цель и задачи

Глава 1. Эволюция технологий создания трёхмерных растений

1.1 Появление иллюзии трёхмерности
1.2 Стремление к фотореализму и процедурности

Глава 2. Современные технологии создания трёхмерных растений

2.1 Альфа-карточки и фотограмметрия
    Маленькие растения
    Деревья
    Процедурные ассеты
    Уровни детализации
    Преимущества и ограничения технологии
2.2 Отдельные сетки
    Процедурная генерация
    Создание геометрии растений
    Преимущества и ограничения технологии

Глава 3. Разработка ассета «Dark plants» для трёхмерных игровых локаций

3.1 Выбор оптимального инструмента для создания цифрового ассета растений
3.2 Описание и этапы разработки цифрового ассета
3.3 Планируемые результаты внедрения цифрового ассета в трёхмерную сцену

Заключение Список источников

Растения являются неотъемлемой частью игрового окружения, они оказывают большое влияние на погружение игрока в атмосферу игры и в полной мере отвечают за насыщенность его игрового опыта. Создание фотореалистичных трёхмерных растений для видеоигр всегда было масштабной задачей, для решения которой необходимо учитывать множество ограничений. На технологии разработки растений, как и на любые другие задачи в играх, напрямую влияет уровень развития компьютерных технологий и вычислительных мощностей.

С эволюцией компьютерной графики появляется всё больше инструментов для упрощения и оптимизации работы. К таким инструментам относятся цифровые ассеты, облегчающие создание окружения за счет процедурной генерации и гибких настроек параметров. В данной работе автор стремился структурировать прогресс, достигнутый разработчиками игр, которые создают визуально качественные и оптимизированные 3D-модели растений. На основе проведенного исследования автор разрабатывает собственный цифровой ассет растений. Исследование посвящено изучению способов создания трёхмерных растений для игровых локаций и разработке цифрового ассета, который будет внедрён в проект выпускной квалификационной работы.

Объект исследования — технологии создания растений в видеоиграх. Предмет исследования — цифровые ассеты растений. Результатом исследования станет разработка собственного цифрового ассета «Dark plants» (Тёмные растения).

В первую очередь проводится анализ исторического аспекта создания растений в видеоиграх, после автор описывает конкретные технологии, применяемые разработчиками ассетов растений для современных ААА-игр. Материал для исследования отобран из интервью специалистов, энвайронмент (от англ. environment — окружение) и фолиадж (от англ. foliage — листва) артистов в сфере геймдевелопмента, их официальных рабочих страниц и выступлений на международных игровых конференциях, из статей на сайтах программного обеспечения, используемого в играх, и на официальных сайтах, посвященных техническому аспекту разработки игр.

В числе исследовательских задач работы можно обозначить следующие:

1. Изучить исторический аспект создания трёхмерных растений.
2. Описать современные технологии создания трёхмерных растений.

На основе проведенного исследования решаются задачи, касающиеся практической части работы:

1. Выбрать оптимальный инструмент для создания цифрового ассета растений.
2. Разработать цифровой ассет растений.
3. Протестировать цифровой ассет в трёхмерной игровой локации.

История растений в играх началась с появлением 8-битной графики. В ранних видеоиграх деревья и леса часто представляли собой одинаковые фоновые «таблички», призванные лишь уведомить игрока о типе местности. Например, такие деревья можно встретить в игре The Legend of Zelda (1986).

С появлением 16-битной графики открылись возможности для индивидуального размещения деревьев. В таких играх как Secret of Mana (1993) появились уникальные стили деревьев и вариации листвы, что позволило задать особое настроение и атмосферу.

2.5D-игры появились в 80-х годах, это были платформеры с изометрическим отображением игровых уровней. К ним относится, например, игра Might and Magic Book One: The Secret of the Inner Sanctum (1986). Зачастую в таких платформерах игровой персонаж мог передвигаться лишь вдоль двух осей и менять своё положение относительно поверхности, взлетая или подпрыгивая.

Уже с 90-х годов в 2.5D-играх пространство было по-настоящему трёхмерным, но модели игровых объектов, (зданий, растений и персонажей, эффектов) являлись спрайтами — плоскими картинками, анимированными при необходимости. К таким играм относятся Wolfenstein 3D (1992) и Doom (1993).

Самой первой полностью 3D-игрой можно считать Descent (1995). Тогда, в конце 90-х годов, разработчики 3D-игр просто применяли текстуру травы к полу уровня. Например, в игре Super Mario 64 (1996) текстуру травы отрисовывали вручную. Для других игр создавали текстуры, основанные на фотографиях травы, но они были крайне низкого разрешения. Естественно, растение выглядело плоским, но тогда не существовало другой альтернативы, ведь у разработчиков было всего около 128 мегабайт оперативной памяти для работы. Это существенно ограничивало их возможности. Преимуществом данной технологии являлась высокая производительность, так как GPU (графический процессор) рендерил (просчитывал) только одно изображение текстуры.

В попытках добиться ощущения глубины и объёма травы артисты начали использовать карты нормалей. Они искажают отражение света от плоской поверхности так, как будто она объёмная. Результат был всё ещё далек от реализма.

В карту Albedo (базового цвета) помещают несколько разных травинок, полученное изображение проецируют на плоскость — карточку. Изначально такие карточки представляли собой плоскость, состоящую из двух трисов (трис — полигон, состоящий из трёх вершин).

Размещение рядов плоских карточек перед игроком выглядело довольно странно, даже если они всегда обращены к камере. Чтобы обойти эту проблему, художники придумали ставить две карточки под углом 90 градусов друг к другу для создания иллюзии трёхмерного растения. Постепенно начали использовать более двух карточек.

В ранних играх для экономии ресурсов сильно снижали качество текстур, детализацию листвы и разнообразие объектов. На пол с качественной текстурой травы расставляли всего несколько карточек растений, что выглядело приемлемо только на расстоянии. Количество деревьев сокращали или же совсем отказывались от них. Например, в игре Harry Potter and the Sorcerer’s Stone (2001), деревья являлись лишь текстурой на стенах.

Позже дерево начали изображать в виде одной карточки. Количество карточек увеличивалось с ростом вычислительных мощностей. Когда появились 3D-деревья, трёхмерными у них были только ствол и большие ветки, а листья и маленькие ветки являлись карточками, расставленными по поверхности дерева. Сейчас артисты создают деревья аналогичным образом, изменилось только количество и качество используемых карточек, текстур и 3D-моделей.

Технология альфа-карточек применялась во многих играх, среди которых: Tomb Raider (1996), Halo: Combat Evolved (2001), Far Cry (2004), Grand Theft Auto: San Andreas (2004), Half-Life 2 (2004), The Witcher: Enhanced Edition (2008), Final Fantasy XIV (2013).

На любом этапе развития компьютерных технологий вычислительные способности остаются ограниченными, поэтому всегда будет существовать потребность в оптимизации.

При этом артисты стараются сделать так, чтобы переход между LOD был визуально плавным. Истоки всех алгоритмов создания уровней детализации для трёхмерной компьютерной графики восходят к статье Джеймса Кларка, опубликованной в октябрьском номере журнала Communications of the ACM за 1976 год. В то время компьютеры были монолитными и редкими, а графикой занимались исследователи.

С середины 2000-х годов интерес к видеоиграм, приближенным к фотореализму, стал повышаться. Поэтому появилась потребность в новых технологиях разработки трёхмерных растений. Для достижения большего реализма было необходимо создать иллюзию объёма плоского объекта, а также обеспечить плавный переход между землёй и основанием растения. Зоны пересечения карточек растений друг с другом были явно видны, этот момент тоже требовал доработки.

Так альфа-карточкам стали модифицировать нормали вертексов (вершин). Это довольно доступный метод с точки зрения вычислительных мощностей. Он позволяет визуально улучшить качество растений и не требует большого количества времени. Нормали показывают направление поверхности объекта в данной вершине, они не зависят от того, как сформированы полигоны. Редактируя нормали вертексов, можно независимо от формы объекта управлять тем, как от него отражается свет. В результате будет очень трудно разглядеть зоны пересечения карточек и определить, где основание растения встречается с землёй.

Деревья можно модифицировать и другим способом, используя внутренний сферический объект в качестве основы и проецируя направление нормалей от него наружу. Вместо контрастных граней в местах пересечения альфа-карточек листьев и веток получается мягкий градиент светотени.

Для получения сферической формы важно, чтобы нормали были направлены больше за пределы растения, чем к его центру. При таком подходе не нужно рендерить много прозрачных поверхностей друг над другом, что является преимуществом. Геометрия в середине заменяет большое количество альфа-карточек, поэтому нужно беспокоиться только о тех альфа-карточках, что находятся спереди и по краям.

Примеры использования модифицированных нормалей вертексов деревьев и травы можно увидеть в играх Airborn (проект находится в разработке), Stalker: Shadow of Chernobyl (2007), Horizon Zero Dawn (2017) и визуально сравнить с растениями в играх Arma 2 (2009), The Elder Scrolls V: Skyrim (2011) и Dark Souls (2011), где нормали вертексов никак не отредактированы.

Данные системы могут помещать определённые виды растений в соответствующие биомы или создавать цветовые вариации каждой травинки для придания разнообразия, а также управлять различными её параметрами. Например, игра The Elder Scrolls IV: Oblivion (2006) и серия игр Arma 2 (2009) имели настолько большие карты, что расставление деревьев вручную стало практически невозможным.

Для существенного ускорения процессов создания и распределения растений по миру игры были разработаны такие программы, как SpeedTree (2002). В обеих играх используются процедурно генерируемые деревья и другие растения, что добавляет ботанической и географической реалистичности и снижает нагрузку на разработчиков при создании масштабных карт.

Для создания шейдеров растений (шейдер состоит из разных текстурных карт и определяет внешний вид объекта в игре) в данных играх применяются HD-текстуры, основанные на фотографиях. Всё это позволило сделать растения более красивыми и ботанически точными. Таким образом, реалистичные растения стали стандартом практически всех фотореалистичных игр.

Смоделировав несколько пластин травинок разных форм и размеров, артисты объединяли их в несколько видов скоплений, которые затем расставляли на ландшафте в произвольном порядке. Так получались действительно объёмные травинки, с которыми мог взаимодействовать игрок. Технологию использовали в играх: Metal Gear Solid 3: Snake Eater (2004), Far Cry 2 (2008), Crysis 3 (2013), Ghost of Tsushima (2020), The Last of Us Part II (2020), The Legend of Zelda: Breath of the Wild (2017), The Legend of Zelda: Tears of the Kingdom (2023).

В современной игре Ghost of Tsushima (2020) для создания полей генерировали отдельные травинки и рендерили их на GPU. Так, за счет процедурности, каждая травинка в игре обладает своим уникальным видом и анимацией.

Такие деревья можно увидеть в играх: Battlefield 1 (2016), Star Wars: Battlefront 2 (2017), Destiny 2 (2017), Tom Clancy’s The Division 2 (2019), Assassin’s Creed Valhalla (2020), Far Cry 6 (2021).

Все описанные методы требуют графических затрат, ведь для создания поля или леса нужно огромное количество мешей (меш или сетка — набор полигонов, определяющих форму трёхмерного объекта) различных растений. Особенно это касается больших открытых миров с миллионами растений. В случае 3D-травинок, количество вертексов отдельных травинок существенно выше по сравнению с альфа-карточками. Поэтому необходимо ещё больше вычислительных мощностей, чтобы частота кадров оставалась высокой (около 60 FPS).

Ввиду своей доступности альфа-карточки до сих пор применяют для создания всех видов растений. Посмотрев на ветви фотореалистичных деревьев в большинстве видеоигр, можно увидеть, что листья — это просто 2D-изображения, расположенные в виде скоплений вдоль ветвей, благодаря чему деревья кажутся более объёмными. На данном этапе развития технологий рендерить каждый смоделированный листочек очень затратно, особенно если говорить о тысячах деревьев. Отличия ранних карточек от современных состоят в том, что сейчас в играх используют большее количество карточек для создания одного растения, качество их текстур и контуров гораздо лучше, а полигонаж выше, что дает возможность изогнуть меш и сделать растение более реалистичным.

Способы разработки фотореалистичных растений всё время совершенствуются, но на данный момент широко используют две технологии: первая заключается в создании альфа-карточек растений, вторая — в моделировании и генерации отдельных сеток каждой травинки.

Альфа-карточки можно постараться рассмотреть в играх: The Witcher 3: Wild Hunt (2015), Uncharted 4: A Thief’s End (2015), Uncharted: The Lost Legacy (2017), Horizon Zero Dawn (2017), Horizon Forbidden West (2022), God of War (2018), God of War: Ragnarök (2022), Assassin’s Creed Odyssey (2018), Assassin’s Creed Valhalla (2020), Battlefield 5 (2018), Red Dead Redemption 2 (2018), Metro Exodus (2019), The Division 2 (2019), Watch Dogs: Legion (2020), Hitman 3 (2021), Halo Infinite (2021), в серии Dark Souls (2011-2016) и Elden Ring (2022), Hogwarts Legacy (2023) и др.