Шейдеры в играх что это такое
Преимущества использования уникальных шейдеров в компьютерных играх: личный опыт и наблюдения
Эта статья подготовлена в содружестве с разработчиками и гейм-дизайнерами студии zGames.
Несмотря на обилие техник, позволяющих создавать привлекательные визуальные эффекты в компьютерных играх, шейдеры обладают некоторым рядом преимуществ по сравнению с такими распространенными средствами как партиклы или покадровая анимация.
Роль уникальных шейдеров в создании спецэффектов для компьютерных игр
Unity располагает инструментами, с помощью которых можно создавать простые оптические трансформации в пару кликов. Используя набор стандартных скриптов из Unity Asset Store, можно получить огромное количество разнообразных спецэффектов, способных добавить атмосферы игре и ощутимо ускорить процесс разработки.
Что же делать, если перед вами стоит задача создать оригинальный визуальный эффект? Если вам надо сделать игру или какой-то из ее этапов особенно запоминающимся? Здесь не обойтись без создания уникального шейдера. Рассмотрим конкретную ситуацию на примере игры Circle of Life, разработанную студией zGames. В этой игре особый акцент необходимо было придать анимированному объекту – сферической области. Геймплей уже изобиловал достаточным количеством простых эффектов, поэтому этот элемент нужно было выделить с помощью специальных визуальных трансформаций. Так как стандартных инструментов для создания задуманных визуальных эффектов оказалось недостаточно, было решено разработать уникальный шейдер. В итоге, финальный объект реагирует на удерживание пальца на сенсорном экране, увеличиваясь в объеме и меняя структуру. Благодаря уникальным визуальным трансформациям эта сферическая область стала одним из ключевых элементов игры, к которому приковано внимание игрока (ниже показана шейдерная анимация главного объекта игры Circle of Life).
«За» и «против» использования шейдеров в играх
Нецелесообразно создавать уникальные шейдеры для второстепенных элементов. Во-первых, шейдерное программирование тоже процесс весьма трудозатратный. Во-вторых, усилия на разработку здесь будут приложены немалые, а отдача может быть весьма условной: игрок увидит эффект максимум один раз, а может и вообще не заметить. И в-третьих, уникальный шейдер на второстепенном объекте может отвлечь внимание от объектов, которые действительно важны. На скриншоте игры Metal Planet шейдеры засвечивают бирюзовым окна слева (второстепенный элемент). Такой же эффект применен к объектам справа, которые на самом деле являются основными интерактивными элементами. В результате фокус внимания смещается с важной (в текущий момент) части мира.
Рассмотрим еще один пример. Допустим, вы создаете игру, сюжет которой построен вокруг параллельных миров с порталами, точками соприкосновения и прочими космогенными элементами. Вы разработали уникальный шейдер для светящегося кристалла в пещере, который искажает пространство. Из-за визуального акцента на кристалле у игрока может сложиться впечатление, что этот объект важен в основной сюжетной линии или является “пасхалкой” (секрет, который нужно обнаружить), хотя это всего лишь элемент декора в интерьере. В итоге это может просто сбить игрока с толку или даже разочаровать, если ему пришлось потратить время на исследование впустую. В результате нарушается “флоу” (состояние погруженности в игровой процесс). Ниже приведен пример из игры Perimeter. Здесь шейдеры создают слишком много красивостей. Становится непонятно, где сосредоточена важная информация (зоны действия вышек), а где эффект применен просто для визуального разнообразия. Игроку труднее ориентироваться в игровой сцене. Приходиться затрачивать больше времени на понимание ситуации и принятие решений.
Поэтому, взвешивая “за” и “против” разработки шейдера, стоит более тщательно продумать целесообразность и уместность использования этой техники.
Составляем оценку трудозатрат на разработку шейдеров: возможные трудности
Если вы только начинаете осваивать шейдерную разработку, то составление адекватной оценки затрат на реализацию требуемого эффекта может стать нетривиальной задачей. Во-первых, вам потребуется хорошее знание математики и понимание физики процесса, графического конвейера, работы оборудования, алгоритмов обработки изображения и т.п. Например, чтобы успешно использовать технику эмуляции выемок и вмятин (normal/bump mapping), программисту необходимо знать и понимать закон отражения и преломления света. Специалист также должен уметь реализовать эти законы в коде, который в сущности работает с плоской поверхностью и источником света (ниже приведен пример использования техники normal mapping).
Во-вторых, оценка должна включать время, требуемое на отладку программы. Ведь сразу создать идеально функционирующий шейдер вряд ли получится. Необходимо помнить, что процесс разработки шейдеров и традиционного ПО отличаются. Системные приложения располагают рядом средств, позволяющих их отладить качественно. Чего не скажешь об инструментах для отладки шейдеров. Для каждого пикселя 3D объекта программа может выполняться по 50 раз за секунду. Остановить такой процесс в определенном месте для проверки корректности работы программы крайне сложно. В настоящее время для отладки шейдеров используется расширение Microsoft Visual Studio со встроенным графическим отладчиком. Еще одна сложность, подстерегающая на пути шейдерной разработки — отсутствие четкого представления как будет выглядеть конечный результат самостоятельно и в игровом процессе. Может возникнуть необходимость в его доработке или даже повторной разработке. Так что и этот момент необходимо учитывать при составлении оценки.
Добавьте к этому необходимость знания платформ, на которые рассчитана игра, и их возможностей отображать графические элементы – мобильные устройства, WebGL, Smart TV, консоли, устройства дополненной или виртуальной реальности. Таким образом, вы получите список наиболее значимых факторов, которые могут существенно повлиять на ход проекта.
Немного о процессе разработки
Разработка шейдеров требует не только освоения специализированных языков программирования, владения рядом разделов физики и математики, но и понимание этапов разработки игрового продукта. Гейм-дизайнер является ключевым звеном в проекте – следит за тем, чтобы создаваемые элементы и функциональность укладывались в рамки задуманной концепции. За графическую и стилистическую проработку игры отвечает художник. Программист в свою очередь предлагает варианты реализации эффектов в соответствии с видением гейм-дизайнера и художника. За устранением возможных противоречий между замыслом гейм-дизайнера и временем, затрачиваемом на его реализацию, следит проект-менеджер.
Шейдеры и устройства виртуальной и дополненной реальности
Обладая огромным потенциалом передачи сложных визуальных эффектов, устройства виртуальной и дополненной реальности уже занимают ведущее место в рядах популярных гаджетов для компьютерных игр. Несомненно, шейдеры добавляют реализма объектам игр, разрабатываемых для этих носимых устройств. Но на сегодняшний день не все VR- или AR-шлемы смогут воспроизвести эффекты на основе сложных шейдеров вследствие аппаратных ограничений – недостаточно мощной видеокарты и процессора. Более того, не все VR- и AR-платформы предоставляют полный набор функций, необходимых для программирования нативных шейдеров. Тем не менее, индустрия устройств виртуальной и дополненной реальности продолжает активно развиваться. Появление качественного 3D контента с использованием сложных визуальных эффектов на основе шейдеров дело самого ближайшего будущего.
Подводя итоги
Если вам необходимо дополнительно разнообразить визуальный ряд, сделать графику более затейливой, либо если вы хотите добиться графической реалистичности, например, правдоподобного отражения света от поверхностей, искажения предметов, преломления света в воде, передачи внутреннего устройства предмета и т.п., то разработка оригинальных шейдеров здесь будет оптимальным выбором.
Необходимо помнить, что лишний эффект в ненужном месте может отвлечь внимание игрока и даже навредить процессу. Если участник игры недополучает информацию о происходящих действиях с помощью визуальной обратной связи, либо если используемые в игре эффекты создают акцент на второстепенных объектах, то такой процесс становится малопонятным и противоречивым. Как следствие – замешательство игрока, потеря интереса к игре.
В целом, использование шейдеров в разработке игр увеличивает длительность и бюджет проекта, а также накладывает определенные ограничения на использование игровых платформ, для которых создается игра. Однако здесь есть одно неоспоримое преимущество, которое с лихвой компенсирует перечисленные минусы, а именно: несомненное качество графики и уникальность производимого эффекта.
Шейдеры. Или почему мир игр стал визуально так похож на наш!
Всем привет! Так как я поставила себе цель когда-нибудь выпустить блог о том, какие технологии улучшения трехмерной графики применяются в топовых играх в последнее время, то я решила сначала разобраться в том, как за последнее время плотного использования трехмерной графики в видеоиграх она вообще достигла таких высот. Или проще говоря засчет чего это происходит, что отвечает за детализацию изображений, которое мы видим на своих экранах, запуская очередную любимую игру.
Всем нам нравится, когда в играх реалистичные пейзажи: красиво переливающиеся блики солнца на водной глади, движения каждого листочка на ветке во время ветра, волосы персонажей выглядят лучше, чем у тебя и много другое. В общем все, что нас так притягивает в современных играх не взялось из неоткуда(ежу понятно). Так кто же «виновник торжества»
Может кто-то уже и догадался по названию поста(глупый вопрос, конечно, там ж написано), речь пойдет о шейдерах. Что это, для чего и почему. Постараюсь разложить все по полочкам. Начнем:)
Что вообще такое эти самые шейдеры. Шейдеры — это программки, которые исполняются на видеокарте и описывают эффекты, методы обработки и прорисовки графики. Изначально GPU преимущественно обрабатывали 2D графику. В это время появляются так называемые акселераторы(ускорители). Они берут на себя часть операций, связанную с обработкой графических данных, сами прорисовывают каждый пиксель и определяю его цвет. Все это использовали видеокарты NVIDIA Riva128 и 3Dfx Voodoo. Эти карты брадли на себя только такие задачи как текстурирование и закраску, все остальное выполнял СPU. Естественно картинка была соответствующей. Подумайте сами, процессор и так загружен другими системными задачами, а тут еще ему и графические данные прорисовывать приходится, которые, по сравнению с арифметическими расчетами, просто звери.
Но в те времена этого было достаточно конечному пользователю. Далее начали применяться графические библиотеки такие как Open Gl, Direct 3d. Они снимали с CPU значительную часть нагрузки и брали на себя. Теперь видеокарта строила сцену с нуля. Производителям видеоигр в те времена такое решение было удобно. Все применяемые в тех играх эффекты были уже аппаратно встроены в видеокарты. Их было достаточно для игр того поколения. Но ничего не стоит на месте, разработчики видеоигр стремились вырваться вперед по сравнению с конкурентами и появилась потребность как-то улучшать имеющиеся эффекты 3D графики. Тогда то и появилась проблема — для того, чтоб апгрейдить какой-то эффект, разработчикам видеоигр приходилось подождать годик, чтоб вышла видеокарта, поддерживающая данный эффект. Что было и дорого и длительно по времени. Тогда — то и появились шейдеры. Так началась новая эра развития трехмерной графики в игровой индустрии.
Теперь пробежимся коротенько по видам шейдера дабы лучше понять их применение.
Вершинные шейдеры. Из назавания понятно, что они оперируют с вершинами(координаты вершин, текстурные координаты) Сопоставляют координаты вершин объекта и координаты вершин текстуры. Следовательно, они отвечают за любое трансформирование картинки. Например, колышащиеся деревья и трава на ветру, лицевая анимация и динамично перемещающийся свет.
Пиксельные шейдеры или геометрические. В отличие от вершинных, геометрические шейдеры оперируют на уровне примитивов. Проще говоря, они делят изображение на примитивы(точки, отрезки, треугольники) и работают с каждым в отдельности. Сглаживают, освещают, анимируют, добавляют эффекты HDR и Motion Blur. Главное назначение пиксельных шейдеров заключается в комплексном смешивании текстур, просчете освещенности и оптических свойств моделей, постобработке кадра. В общем, почти все, что мы видим в современных играх, — плод трудов пиксельных шейдеров!
Естественно, как вы навреное уже поняли, шейдеры пишутся игровыми программистами. С развитием трехмерной графики, написание шейдеров усложняется. Раньше они вообще состояли из небольшого куска кода на ассемблероподобном языке, а сейчас же существует несколько шейдерных языков, которые ориентированые на достижение максимального качества визуализации. Ни одна современня игра не обходится без шейдеров, если вы видите потрясную картинку с ослепительным эффектом, то знайте, это все работа шейдеров. Без них мы бы до сих пор играли в игры типо первых Quake, Doom, Unreal. Так же необходимо отметить, что современные игры сочетают в себе много шейдеров одновременно, которые выполняются параллельно вашей видеокартой.
Однако, но хоть шейдеры — это программы, их количество напрямую связано с качеством вашей видеокарты. Их количество настроено изначально на заводе-производителе и самому изменить это параметр невозможно. Хотя, обладателям консолей не стоит этого бояться т.к игры изначально оптимизируют под консоли и она в любом случае пойдет на приемлемом качестве. И как раз из-за шейдеров обладателям ПК приходится сверять системные характеристики и постоянно увеличивать мощность своего компьютера. Так же нужно помнить, что всего хорошего должно быть в меру. Программист, который разрабатывает шейдеры должен четко понимать что, где и как шейдер должен делать. Иначе получится полная ж… иными словами переизбыток шейдеров ничего хорошего не сулит!
И под конец хочу сказать, что без шейдеров не было бы ничего из того, что мы сейчас имеем. Шейдеры — это мощное средство для реализации достижений сложной трехмерной графики. Чем сложнее эффекты, тем прокаченней и больше по количеству нужно шейдеров. И… у меня плохо с заключением… и если вы еще до сих пор не поняли что такое шейдеры, то сходите съешьте шоколадку и прочитайте этот пост еще раз:) Спасибо за прочтение!
Эй-эй, это между прочим пример сглаживания!)
Шейдеры в играх что это такое
Это вторая часть нашего гайда. Первая, где собраны основные настройки вроде разрешения, качества текстур и теней, вы можете прочитать по ссылке.
Качество освещения (Lightning Quality)
То, насколько правдоподобно симулируется освещение в игре. Если это единственный подобный параметр в игре, то именно в эту настройку заложили уйму других, будь-то и объемный свет, и рассеивание лучей, и отражения, а иногда даже глобальное затенение. Освещение — это, пожалуй, вообще едва ли не самое основное из всего, что влияет на красоту картинки: оно делает ее объемной, натуралистичной, правдоподобной. Но и ресурсов все это дело «кушает» тоже немало. Именно поэтому, например, Nvidia так расхваливает свои новые RTX-видеокарты — они изначально разработаны под Ray Tracing — метод рендеринга, предполагающий правдоподобную симуляцию каждого луча.
Влияние на производительность
Зависит от движка, но почти во всех современных играх — очень сильное. Симулировать свет — это очень непросто, так что врубайте «ультра» только если у вас действительно мощная видеокарта.
Качество эффектов (Effects Quality)
Влияние на производительность
Тоже зависит от игры, чаще всего не особенно высокое. Но чем выше этот параметр, тем сильнее будет нагружаться ваша видеокарта в загруженных сценах, например, при масштабных перестрелках. Так что если игра начинает «подлагивать» в особо динамичные моменты, можно попробовать поиграться с этим ползунком, прежде чем снижать, например.
…Качество шейдеров (Shader Quality)
Шейдеры — это специальные программы для вашей видеокарты, исполняемые ее процессором. Грубо говоря, это такие «инструкции» от игры вашей GPU, по которым та понимает, как именно нужно отрисовывать тот или иной эффект. Чаще всего шейдеры используются для улучшения освещения, затенения, создания эффектов преломления лучей в воде (помните, как взрывала мозг та самая «шейдерная водичка из Half-Life 2: Lost Coast?), отражений, рассеиваний и так далее. Так что да, эта опция работает в тандеме с другими параметрами: качеством освещения и качеством теней. Существует три вида шейдеров: вершинные, геометрические и пиксельные, но игры, где можно отрегулировать качество каждого из них отдельно, встречаются невероятно редко.
Соответственно, чем выше качество шейдеров, тем лучше описанные выше эффекты, красивее тени и свет, реалистичнее геометрия — и тем сильнее нагрузка на видеокарту. Именно на видеокарту — потому что шейдеры считаются только GPU.
Влияние на производительность
Чаще всего — высокое. Например, в GTA V это один из самых «тяжелых» параметров в игре — снизив качество шейдеров с «Ультра» на средниее значение, вы получите прирост больше, чем в 15 FPS. Но бывает и так, что снижение этого параметра почти ничего не дает, как, например, в Mass Effect Anromeda.
Шейдеры. Что и как
Расскажу, как в общем случае они работают, что умеют и как их используют
Сразу оговорюсь, что материал рассчитан на тех, кто никогда не работал с шейдерами или вообще не знаком с разработкой игр, то есть это в некотором смысле научпоп.
Слово «шейдер» в контексте разработки игр очень популярно, слышать его могли и те, кто игры не делает. Само слово изначально появилось от англ. shading (затенение) — первые шейдеры использовались, чтобы передавать глубину с помощью работы со светом, блеском, тенями и прочим. Со временем шейдеры стали использоваться для совершенно разного вида постобработки и вообще отрисовки примерно всего.
Говоря общими словами, шейдер — это просто программа для графической карты. То есть то, что пишется школьниками на паскале (хипстерами на пайтоне) — это программы для вашего центрального процессора (CPU), а шейдеры — для графического (GPU). Особенность же этих программ выходит из особенностей GPU — они работают параллельно на сотнях маленьких ядех вместо нескольких больших, преимущественно осуществляя математические операции.
Теперь разберемся, как это все работает.
В общем случае цель шейдера — отрисовать некоторый объект. Поэтому возьмем куб, распишем процесс его отрисовки и посмотрим, где используются шейдеры и зачем. Сначала опишем сам куб. Для графической карты это 8 точек, между некоторыми из которых есть плоскость. Каждая из точек описывается тремя числами (правильно сказать, что это вершины). Помимо этого у кубика есть цвет и положение внутри мира.
Процесс отрисовки, если его достаточно упростить (что я и сделаю в рамках этой статьи), можно поделить на несколько шагов:
1. Получение входных данных из памяти.
2. Выполнение шейдера вершин.
3. Растеризация.
4. Выполнение шейдера пикселей (фрагментов).
5. Проведение тестов «глубины».
6. Отрисовка на текстуру для экрана.
В первом шаге видеокарта каким-то образом получает данные (вершины, плоскости, текстуры) в свою видеопамять, для нас это сейчас не так важно. Далее происходит конвертация координат относительно объекта в координаты на экране относительно камеры. После происходит растеризация — высчитывается, в каких пикселях уже на экране находится объект. Такие пиксели называют фрагментами. Отличие от пикселей заключается в том, что фрагмент помимо информации о пикселе, содержит еще и некоторую побочную информацию, полученную после растеризации. Для упрощения будем считать, что это все просто пиксели на экране. Далее для каждого пикселя выполняется шейдер фрагмента. А затем проверяется, что расстояние от камеры до фрагмента соответствует высчитанному заранее в нужном направлении в буфере глубины. Проще говоря, проверяется, нет ли перед объектом чего-либо еще, и нужно ли его отрисовывать на итоговое изображение.
Как видите, в процессе отрисовки можно заметить два вида шейдера. На самом деле, сейчас есть чуть больше видов, но они не столь важны для разбора, так как имеют более специфичный характер использования, а мы рассказываем на пальцах. Но вот те два, что нас волнуют:
1. Шейдер вершин.
2. Шейдер фрагментов.
Как сказано было ранее, этот шейдер (или группа шейдеров по очереди) занимается переводом координат относительно объекта, в координаты на текстуре.
На картинке начало координат немного не соответствует реальным, что все так же не влияет на понимание процесса 🙂
Пройдемся по состояниям. В первом у нас, очевидно, входные координаты без излишков. На втором они были перенесены в координаты относительно начала «мира». Потом они переносятся в координаты относительно точки смотрящего (видно на второй картинке), но заметно, что картинка плоская. Их проекция происходит далее и мы получаем наши итоговые координаты. Все эти операции производятся шейдером. Помимо прочего, он позволяет не только отобразить реальные координаты, но и модифицировать их так, чтобы исказить объект для эффекта. Например, я недавно писал шейдер, который переворачивал спрайт, чтобы отрисовать его тень:
После преобразований вершин и растеризации нужно высчитать цвет каждого фрагмента (помним, что для упрощения это пиксели). Для примера возьмём наш куб: мы помним, что он залит одним цветом. Просто сделаем так, чтобы цвет каждого фрагмента стал цвета куба и все:
Выглядит немного странно, да? Проблема в том, что мы не видим ни теней, ни текстур. Будь на кубе какая-либо текстура, мы бы заметили переход между гранями. Вот возьмем текстуру:
Теперь достаточно в каждом пикселе просто брать цвет из текстуры. Но чтобы это сделать, нужно добавить для каждой точки куба еще информацию: UV канал. Это координат вида (u, v). Отсюда и название, так как x и y были заняты. Она присваивается вершине объекта и обозначает точку на текстуре, которая ей соответствует. Чтобы было понятнее, если мы хотим на каждую грань куба нарисовать знакомое нам лицо, то UV координаты для каждой грани будут выглядеть предельно просто:
Модифицировать их никак не надо. Более того, считать координаты для каждой точки — тоже не нужно. Этим занимается GPU, самостоятельно интерполируя точки из вершин. Тогда достаточно просто сказать для каждой точки что-то вроде
Это очень условный пример, но примерно так в простейшем случае оно и работает:
Помимо натягивания текстур в пиксельном шейдере можно, например, получить информацию об освещенности и добавить к цвету черного пропорционально затемнению в этой точке, тогда объект будет менее плоским. Это, конечно, если просчет освещенности где-то написан, потому что сама по себе видеокарта о понятиях освещения и теней мало чего знает. Вообще делать с цветами можно что угодно, например подменять их в зависимости от игрока:
Помимо UV канала в шейдер в зависимости от его вида приходят разные данные. Они зависят от игрового движка и графической библиотеки. Обычно туда входят данные о местоположении точки, нормаль (вектор исходящий от поверхности в точке), UV канал. Но также шейдер вершин может передавать данные в пиксельный шейдер. Если это координата, то она будет проинтеполирована на основе положения фрагмента относительно вершин, между которыми он находится, как, например, UV данные.