В War Thunder мы всегда уделяли особое внимание визуальной составляющей. Уже сейчас можно видеть, что все модели техники и предметы окружения состоят из различных материалов и совершенно по-разному выглядят. Совсем скоро мы введём в игру новую графическую технологию, которая позволит сделать картинку в игре War Thunder красивее и реалистичнее. Встречайте: Physically Based Rendering - физически корректный рендеринг изображения.

Совсем скоро мы введём в игру новую графическую технологию, которая позволит сделать картинку в игре War Thunder красивее и реалистичнее. Встречайте: Physically Based Rendering - физически корректный рендеринг изображения. Чем отличается визуализация спец-эффектов фильма от рендера сцены в игре? Сколько времени нужно на получение реалистичной картинки в условиях постоянно меняющихся асинхронных событий? Эти вопросы задаст каждый игрок, который попытается представить себе мгновение сражения War Thunder: множество объектов, источников освещения, отражений, эффектов. В этой статье мы расскажем вам о новом рендеринге, который основан на законах физики, а также об освещении и материалах.

Внимание! Это относительно серьезная статья, рекомендуется к прочтению только интересующимся технологиями в области современной компьютерной визуализации. Технология Physically Based Rendering (PBR) основана на наблюдаемых принципах и физических законах, согласно которым свет распространяется в нашем мире. Когда мы говорим о материалах, мы имеем в виду, что каждый из них обладает собственными свойствами, которые влияют на рассеяние и отражение света на нем. Как пример - гладкий лист бумаги. Визуально кажется, что эта поверхность идеально ровная, однако если мы посмотрим на неё в микроскоп, мы увидим множество древесных волокон, пересекающихся друг с другом. Сталкивающиеся с такой неровной поверхностью фотоны света отражаются от этих разнородных волокон под разными углами, большая часть света рассеивается, не группируясь в одной точке. Однако, можно представить какое количество материалов и отражаемого ими света ежесекундно присутствует на ваших мониторах в боях War Thunder.

Рассчитывать освещение с таким уровнем детализации не под силу даже офлайн-рендерам для кино, и оно слишком сложное в настройке (Как выглядят привычные предметы под электронным микроскопом). Именно поэтому используются необходимые статистические параметры материалов, такие как “шершавость” (roughness), коэффициент преломления, “металличность” (статическое содержание диэлектрика/проводника в пикселе). Это позволяет уже на этапе создания моделей и соответствующих им материалам оперировать физическими значениями этих материалов, учитывая сочетания необходимых параметров, без последующей корректировки в условиях готовой сцены. Bi-directional Reflection Distribution Function Двулучевая функция отражательной способности (ДФОС, англ. Bidirectional reflectance distribution function — BRDF) — четырёхмерная функция, определяющая, как свет отражается от непрозрачной поверхности, позволяет рассчитать количество энергии, отражаемой или рассеиваемой в сторону наблюдателя при заданном входящем излучении. Логично, что металлические, тканевые или деревянные поверхности в игре в разной степени влияют на освещение - рассеивание, преломление и отражение света.

Для подобного расчёта используется математическая модель Microfacet Theory, которая представляет поверхность в виде множества микрограней, ориентированных в разные стороны. При этом каждая из микрограней отражает свет под равным углом. Для того чтобы рассчитать освещение в конкретной точке, нам нужно рассчитать сумму вклада отражённого микрогранями света.

Примечание: Функция отраженного света Кука-Торренса. l — направление света v — направление взгляда наблюдателя n — нормаль к поверхности h — вектор между векторами l и v (half vector) D(h) — функция распределения микро граней F(v,h) — функция Френеля, G(l, v, h) — функция затенения микро граней. Все параметры данной функции достаточно простые и имеют физический смысл. Но какой физический смысл имеет half-vector? Half-vector нужен, чтобы отфильтровать те микрограни, которые вносят свой вклад в отражение света для наблюдателя. Если нормаль микрограни равна half-vector, значит данная микрогрань вносит вклад в освещение при направлении взгляда V.

Радикальное отличие от классического рендеринга в том, что в PBR все поверхности - металлы, диэлектрики, растительность, и т.д. - рассчитываются по комплексной физической модели. В результате картинка становится целостней, практически исчезает вероятность ошибок освещения. В целом создавать параметры материалов сложнее, чем рисовать классические текстуры. Художники должны создавать не то, что воспринимает глаз или видно на фотографии, но физические свойства поверхности. В случае War Thunder, художникам предстоит перевести все текстуры и материалы под новую модель. Но это позволяет сделать максимально реалистичную и целостную картину. В построении финального изображения участвуют несколько ключевых функций. О некоторых из них ниже: Распределения отражений микрограней D(h) позволяет задать процент энергии, для которого происходит отражение света и распределение энергии в зависимости от того, насколько гладкая или шероховатая поверхность. В War Thunder используется так называемая модель GGX (Microfacet Models for Refraction through Rough Surfaces) Распределения самозатенения микрограней G(l,v,h) определяет, насколько (при пологих углах отражения), поверхность затеняет сама себя. В игре используется функция самозатенения Смита адаптированная для модели GGX (Eric Heitz. “Understanding the Masking-Shadowing Function in Microfacet-Based BRDFs". Understanding the Masking-Shadowing Function in Microfacet-Based BRDFs Microfacet Models for Refraction through Rough Surfaces Функция Френеля F(v,h) определяет интенсивность отраженной и преломленной электромагнитной волны при прохождении через границу двух сред. Этот эффект очень заметен на воде, если смотреть на поверхность воды под острым углом, то вода отражает большинство света и мы видим отражение. Если же смотреть на воду сверху-вниз, то отражения мы практически не видим, а видим то, что находится на дне.

Для непрозрачных поверхностей, физический процесс тот же самый, но не отраженный свет будет рассеиваться или поглощаться, по разному в зависимости от длины волны (образуя цветную поверхность). Благодаря этой функции отражение света меняется в зависимости от угла падения для различных материалов с различном коэффициентом преломления (функция Френеля на самом деле комплексная, и для металлов обладает ещё и мнимой частью, и результат различен для различных длин волн. Поэтому металлы имеют цветной блик). Это особенно заметно на просторных танковых локациях, где практически не осталось тёмных участков - свет везде имеет реалистичную и разнообразную структуру - “в тени” на самом деле всегда тоже есть блики, это отражение света от неба, и других поверхностей. Действительно “темным объектом” бывает лишь щель, отверстие или трещина - ведь попавший туда свет не отражается. В игре для апроксимации функции Френеля используется давно зарекомендовавшая себя в кино и играх “апроксимация Шлика”. Рассеивание света Кроме отражения, свет на диэлектриках ещё и рассеивается. Ранее в игре использовалась модель Ламберта, которая хотя и проста вычислительна не позволяет получать корректное освещение рассеивания света от шершавых поверхностей, которых в игре много. Дело в том, что для шершавых поверхностей, рассеивание света зависит от взаимного положения поверхности и наблюдателя - именно поэтому, например, Луна в небе практически не имеет видимого плавного затемнения на терминаторе. Теперь мы перешли на модель Орен-Найара, чтобы лучше передать не гладкие поверхности, которых в игре большая часть среди окружения. ======== Что нового эта технология привнесёт в War Thunder? Технология Physically Based Rendering учитывает особенности каждого материала и с помощью математических формул, в которых указываются свойства рельефа его поверхности, высчитывает и отображает правильное поведение света, который столкнулся с объектом. Таким образом, самолёты и танки стали выглядеть более естественно и вариативно, особенно в разное время суток и при смене погоды. Металлические потёртые фюзеляжи самолётов отражают свет играя бликами в манёврах. На высоких настройках графики, каждая, даже самая мелкая деталь в навесном оборудовании танка теперь не однородно скрыта в тени, а отражает свет от расположенных рядом объектов. #ВРазработке