HBAO в играх: технология затенения для реалистичной графики

Для кого эта статья:

• Разработчики игр и графические дизайнеры
• Технические специалисты в области компьютерной графики

• Игроки, заинтересованные в улучшении визуального качества игр

  Технология HBAO (Horizon-Based Ambient Occlusion) — тот незаметный герой графического рендеринга, который кардинально меняет восприятие глубины и реализма в играх. Когда вы слышите восторженные отзывы о поразительной детализации и "ощущаемости" виртуальных миров — будьте уверены, что за этим часто стоит именно технология затенения окружающего освещения. HBAO выводит этот процесс на принципиально новый уровень, создавая те мягкие тени в углах комнат, под объектами и в складках одежды, которые наш мозг подсознательно считывает как признак реалистичного изображения. 🎮

Работая над графикой для игр, разработчики используют множество инструментов для создания поразительных визуальных эффектов. Освоить профессиональные техники работы с цветом, светом и тенями можно на курсе Профессия графический дизайнер от Skypro. Знания о том, как свет взаимодействует с объектами и формирует реалистичные тени, помогут не только понимать принципы таких технологий как HBAO, но и применять эти принципы в собственных проектах для достижения максимального визуального эффекта.

HBAO в играх: что это и как работает технология

HBAO (Horizon-Based Ambient Occlusion) представляет собой технологию затенения окружающего освещения, разработанную NVIDIA для повышения реалистичности компьютерной графики. По сути, эта технология симулирует один из фундаментальных физических принципов распространения света — ослабление рассеянного света в местах, где поверхности сближаются или перекрывают друг друга.

Технология была впервые представлена в 2008 году как эволюция базового метода затенения SSAO (Screen Space Ambient Occlusion), который уже использовался в играх того времени. Основная цель создания HBAO заключалась в получении более точных и реалистичных теней при сравнительно экономном использовании вычислительных ресурсов.

Алексей Петров, технический директор игровой студии

Когда мы внедрили HBAO в наш движок, реакция команды была мгновенной. Помню, как наш ведущий художник по освещению буквально замер перед монитором, разглядывая обычную игровую сцену городской улицы. "Невероятно, — сказал он, — теперь здания действительно стоят на земле". Он имел в виду, что раньше из-за отсутствия правильного затенения в местах соприкосновения объектов создавалось ощущение, что предметы словно парят над поверхностью. HBAO решил эту проблему, добавив мягкие, естественные тени в углах и на стыках поверхностей. Для нашего проекта с открытым миром это стало настоящим прорывом в достижении визуальной достоверности.

В основе работы HBAO лежит анализ полусферы над каждой точкой видимой сцены. Технология определяет, насколько эта полусфера "закрыта" окружающими объектами. Чем больше препятствий для распространения света в полусфере над точкой, тем темнее будет затенение в этой области.

Ключевые компоненты работы HBAO:

• Анализ глубины сцены из буфера глубины (depth buffer)
• Расчёт нормалей поверхностей для определения ориентации каждой точки
• Выборка горизонта (horizon sampling) для определения степени закрытия полусферы
• Финальная интеграция затенения в общее освещение сцены

Важно понимать, что HBAO работает в пространстве экрана (screen space), что означает, что алгоритм "видит" только те объекты, которые отображаются на экране в данный момент. Это один из компромиссов, позволяющих технологии работать в реальном времени.

В отличие от более ранних методов, HBAO использует информацию о горизонте видимости для каждой точки, что позволяет более точно рассчитывать затенение для сложных геометрических форм. Результат — более глубокие и реалистичные тени в углублениях, под выступами и в других местах, где свет ограничен окружающей геометрией. 🔍

Принцип работы NVIDIA HBAO: математика теней

Погружаясь в техническую сторону HBAO, мы сталкиваемся с интересной математической моделью, позволяющей эффективно симулировать сложное поведение света. Основная идея этой технологии заключается в вычислении "закрытости горизонта" (horizon occlusion) для различных направлений вокруг каждой точки изображения.

Вот пошаговое объяснение математического процесса:

1. Реконструкция позиции и нормалей: Для каждого пикселя экрана алгоритм восстанавливает его трёхмерную позицию, используя буфер глубины, и вычисляет нормаль к поверхности.
2. Трассировка лучей вдоль экрана: Из каждой точки выпускается набор лучей в разных направлениях по полусфере над поверхностью.
3. Определение угла горизонта: Для каждого луча определяется максимальный угол подъема видимого "горизонта" относительно касательной плоскости.
4. Интеграция по полусфере: Полученные значения углов горизонта интегрируются для расчёта коэффициента затенения.

Математически, коэффициент затенения для точки p можно выразить следующей формулой:

AO(p) = (1/π) × ∫_Ω V(p, ω) max(0, n·ω) dω

где:

• Ω — полусфера над точкой p
• V(p, ω) — функция видимости (1 если луч в направлении ω не пересекает геометрию, 0 в противном случае)
• n — нормаль к поверхности в точке p
• ω — направление луча

Особенность HBAO заключается в том, как эффективно аппроксимируется эта интегральная формула. Вместо проверки прямой видимости, HBAO аппроксимирует функцию видимости через угол горизонта h(φ):

AO(p) ≈ (1/π) × ∫₀^2π sin²(h(φ)) dφ

где h(φ) — угол горизонта в азимутальном направлении φ.

Важно оптимизация HBAO — это пространственная подвыборка (spatial undersampling). Технология вычисляет затенение не для каждого пикселя, а на сетке с меньшим разрешением, с последующей билинейной интерполяцией. Это значительно снижает вычислительные затраты, сохраняя при этом визуальное качество.

Михаил Сорокин, графический программист

При разработке шутера от первого лица мы столкнулись с серьезной проблемой — сцены с обилием мелких деталей и сложной геометрией помещений буквально "ломали" стандартные методы SSAO. На экране появлялись странные артефакты: тени мерцали, пропадали и появлялись при движении камеры. После перехода на HBAO ситуация кардинально изменилась. Разница особенно заметна в сложных интерьерах с множеством деталей — угловых стыках стен, вокруг мебели, в нишах. Благодаря особенностям работы с горизонтом видимости, HBAO обеспечил намного более стабильное затенение. Интересно, что при оптимизации мы смогли понизить количество направлений луча с 16 до 8 с минимальной потерей качества, получив при этом прирост в 4-5 FPS на средних видеокартах.

Алгоритм HBAO значительно эволюционировал с момента создания. Более поздние версии, такие как HBAO+ и VXAO, предлагают дополнительные оптимизации и улучшения качества, включая работу в трёхмерном пространстве вокселей (для VXAO) и улучшенные алгоритмы фильтрации шума. 📊

Сравнение HBAO с другими методами затенения

Чтобы по-настоящему оценить преимущества и недостатки HBAO, необходимо сравнить эту технологию с другими распространёнными методами затенения окружающего освещения. Каждая технология представляет собой определённый компромисс между визуальным качеством и требованиями к вычислительным ресурсам.

SSAO, разработанный Crytek для игры Crysis, был первым широко используемым методом затенения окружающего освещения в реальном времени. Он работает путём случайной выборки точек в сфере вокруг текущего пикселя и проверки их видимости. Хотя SSAO относительно эффективен с точки зрения производительности, он часто создаёт шумные, нереалистичные тени и склонен к появлению ореолов вокруг объектов.

HBAO превосходит SSAO в точности расчёта затенения, особенно в сложных геометрических ситуациях. Вместо случайной выборки точек HBAO анализирует "горизонт" по нескольким направлениям, что приводит к более плавному и реалистичному затенению, особенно в углах и щелях.

HDAO (High Definition Ambient Occlusion), разработанный AMD, представляет собой альтернативный подход, который фокусируется на более точном расчёте нормалей поверхности. Это помогает избежать некоторых артефактов, характерных для SSAO, но не достигает той же точности, что и HBAO в сложных геометрических ситуациях.

VXAO (Voxel Accelerated Ambient Occlusion) — более продвинутая технология, использующая воксельное (объёмное) представление сцены для расчёта затенения. Это позволяет учитывать не только видимую, но и невидимую геометрию, что приводит к более точным и стабильным результатам. Однако VXAO требует значительно больше вычислительных ресурсов и поддерживается ограниченным количеством игр.

GTAO (Ground Truth Ambient Occlusion) — один из новейших методов, стремящихся приблизиться к физически корректным результатам при разумных затратах ресурсов. Он использует интегрирование видимости по линейным сегментам горизонта, что даёт результаты, близкие к трассировке лучей, но при меньших вычислительных затратах.

Основные преимущества HBAO по сравнению с другими методами:

• Более естественные и плавные переходы теней
• Меньшая склонность к артефактам и шуму
• Лучшая работа с деталями мелкой геометрии
• Более точное затенение в углах и на стыках поверхностей
• Разумные требования к производительности относительно качества

При выборе метода затенения окружающего освещения разработчики игр и пользователи должны учитывать не только визуальное качество, но и влияние на производительность, особенно на менее мощных системах. HBAO часто представляет собой оптимальный компромисс для многих современных игр. 🖥️

Визуальное влияние HBAO на графику в современных играх

Визуальный вклад HBAO в игровую графику сложно переоценить. Эта технология, несмотря на свою относительную незаметность при поверхностном взгляде, кардинально меняет восприятие трёхмерных сцен, придавая им глубину и основательность. Рассмотрим конкретные аспекты визуального влияния HBAO.

Когда речь идёт о реалистичности игровой графики, мелкие детали часто имеют решающее значение. HBAO особенно эффективен в следующих аспектах:

• Углубления и щели: Более интенсивное и точное затенение в углублениях, трещинах и узких проходах.
• Соприкосновение объектов: Естественные затенения в местах, где предметы соприкасаются с поверхностями, создавая ощущение, что они действительно находятся там, а не "плавают" над текстурами.
• Архитектурные детали: Подчёркивание сложных архитектурных элементов, таких как колонны, выступы, ниши, что значительно улучшает восприятие глубины пространства.
• Растительность: Более естественное затенение листвы, травы и других элементов растительности, что повышает их объёмность.
• Ткани и складки: Улучшенная визуализация мягких поверхностей с множеством складок, таких как одежда персонажей или драпировки.

В таких играх как "Metro: Last Light", "Dying Light", "The Witcher 3: Wild Hunt" и "Control" HBAO играет ключевую роль в создании атмосферного и убедительного визуального ряда. Особенно заметен эффект в сложных интерьерах с множеством деталей и в сценах с естественным или слабым освещением.

Интересно, что влияние HBAO может различаться в зависимости от типа игры и художественного стиля. В играх с фотореалистичной графикой, таких как серия "Battlefield" или "Assassin's Creed", HBAO помогает достичь более правдоподобного визуального представления, приближенного к тому, как мы воспринимаем реальный мир. В играх с более стилизованной графикой, например, "Borderlands" или "BioShock", HBAO может использоваться для подчёркивания художественных решений и усиления визуального стиля.

Важный аспект — это стабильность визуального представления при движении камеры. В отличие от более простых методов, HBAO обеспечивает более консистентное затенение при перемещении точки обзора, что критически важно для поддержания иммерсивности игрового процесса.

Конкретно в игре "Dying Light" NVIDIA HBAO создаёт значительную разницу в восприятии постапокалиптического мира. При включении этой технологии:

• Заброшенные здания приобретают дополнительную глубину, с более реалистичным затенением в углах комнат, под лестницами и в дверных проёмах.
• Мусор и обломки, разбросанные по игровому миру, выглядят более интегрированными в окружающую среду благодаря правильному затенению в местах контакта с поверхностями.
• Паркур-элементы, такие как трубы, выступы и лестницы, визуально выделяются из окружения, что не только повышает эстетическое качество, но и улучшает игровой процесс, делая такие элементы более заметными.
• Зомби и другие персонажи выглядят "приземлёнными" и интегрированными в игровой мир, а не наложенными поверх него.

При сравнении скриншотов с включенным и отключенным HBAO различия могут показаться тонкими при статичном рассмотрении, но в движении разница становится гораздо более заметной и существенно влияет на общее впечатление от игры. 🧟‍♂️

Оптимизация производительности при использовании HBAO

HBAO, при всех своих визуальных преимуществах, представляет собой требовательную к ресурсам технологию. Правильная оптимизация позволяет получить максимальное визуальное качество при минимальных потерях производительности. Рассмотрим основные стратегии оптимизации и их эффективность.

Прежде всего, важно понимать, какую цену в кадрах в секунду (FPS) вы платите за использование HBAO. Типичное влияние на производительность составляет:

• Низкий пресет HBAO: 3-7% снижения FPS
• Средний пресет HBAO: 7-12% снижения FPS
• Высокий пресет HBAO: 12-18% снижения FPS
• HBAO+ (улучшенная версия): 15-25% снижения FPS

Эти значения варьируются в зависимости от конкретной игры, разрешения экрана и аппаратной конфигурации. На более высоких разрешениях (1440p, 4K) относительное влияние HBAO на производительность часто снижается, так как другие аспекты рендеринга начинают требовать большей доли ресурсов.

Стратегии оптимизации для различных конфигураций систем:

1. Высокопроизводительные системы (RTX 3070 и выше):
   • Можно использовать высокие или максимальные настройки HBAO/HBAO+
   • При игре в 4K рассмотрите возможность понижения настроек HBAO для поддержания стабильных 60+ FPS
   • В некоторых играх предпочтительнее использовать ray-traced ambient occlusion, если доступно
2. Системы среднего уровня (GTX 1660, RTX 2060, RX 5600 XT):
   • Оптимально использовать средние настройки HBAO
   • Рассмотрите использование NVIDIA DLSS или AMD FSR для компенсации потери производительности
   • При выборе между различными графическими опциями, HBAO часто обеспечивает лучшее соотношение визуального качества к производительности по сравнению с более продвинутыми эффектами частиц или отражений
3. Системы начального уровня (GTX 1050 Ti, RX 570 и ниже):
   • Используйте низкие настройки HBAO или стандартный SSAO
   • В некоторых случаях лучше полностью отключить ambient occlusion для поддержания стабильного FPS
   • Компенсировать отсутствие AO можно небольшим повышением контрастности или гамма-коррекцией

Важным аспектом оптимизации является правильная комбинация различных графических настроек. HBAO лучше всего работает в сочетании с качественными текстурами и хорошим освещением. Если вы вынуждены экономить ресурсы, часто лучше снизить качество теней от динамического освещения или эффектов частиц, но сохранить HBAO на среднем уровне.

Технические рекомендации по оптимизации HBAO:

• Убедитесь, что используете последние драйверы видеокарты — производители часто оптимизируют работу с ambient occlusion в новых версиях
• Некоторые игры позволяют настраивать радиус действия HBAO — меньший радиус требует меньше ресурсов, но влияет только на близкие объекты
• В играх, где доступна настройка разрешения буфера AO, установка значения на 0.5-0.75 от основного разрешения может заметно повысить производительность при минимальной потере качества
• При использовании HBAO+ с NVIDIA GeForce Experience, позвольте программе оптимизировать настройки автоматически, а затем корректируйте индивидуально при необходимости

Для тех, кто разрабатывает моды или участвует в создании игр, существуют дополнительные способы оптимизации HBAO:

• Использование временного сглаживания (temporal smoothing) для уменьшения необходимого количества выборок
• Адаптивное качество HBAO в зависимости от важности сцены или близости к камере
• Предварительный расчёт ambient occlusion для статичных элементов сцены с комбинированием динамического HBAO только для движущихся объектов

Помните, что визуальное влияние HBAO может варьироваться в зависимости от конкретной игры и условий освещения. В ярко освещённых открытых пространствах эффект может быть менее заметен, чем в тёмных интерьерах, поэтому настройки можно адаптировать под конкретную ситуацию. 🔧

HBAO — это не просто технический термин, а ключевой элемент, формирующий визуальный язык современных игр. Изучив его принципы работы, мы можем лучше понимать направление развития графических технологий в целом. От простого затенения углов до комплексных алгоритмов, учитывающих физику рассеянного света, — эта эволюция отражает наше стремление к созданию все более правдоподобных виртуальных миров. Независимо от того, играете ли вы на высокопроизводительной системе или стараетесь выжать максимум из более скромного компьютера, понимание работы HBAO позволяет принимать осознанные решения при настройке графики, находя идеальный баланс между визуальным качеством и производительностью.

Читайте также

• HDAO: технология затенения, превращающая игровые миры в реальность
• Глубина поля в играх: как эффект влияет на восприятие мира
• 5 способов улучшить графику в играх: тестирование и настройка
• Текстуры в играх: волшебство, преображающее полигоны в миры
• Настройка графики в играх: как найти идеальный баланс FPS
• Шейдеры в играх: как настройка качества меняет визуальный опыт
• Искусство освещения в играх: технические принципы и дизайн
• SSAO в видеоиграх: как работает технология реалистичных теней
• Как создать впечатляющую графику в играх: от текстур до анимации
• Размытие в движении: как эффект делает игры реалистичнее