Теневые технологии в играх: от базовых карт до трассировки лучей

Для кого эта статья:

• Специалисты и студенты в сфере графического дизайна и игровой индустрии
• Разработчики игр и технические художники

• Любители игр, интересующиеся графикой и технологиями рендеринга

  Тени в играх — это не просто темные пятна на земле. Это целый комплекс технологий, требующих серьезных вычислительных ресурсов и определяющих реализм виртуального мира. Когда в Cyberpunk 2077 лучи заходящего солнца пробиваются сквозь неоновые вывески, создавая мягкие переходы от света к тени, или когда в Red Dead Redemption 2 тени от деревьев плавно двигаются по земле в течение игрового дня — именно эти детали заставляют нас поверить в реальность виртуального пространства. Погрузимся в мир технологий, определяющих качество теней в современных играх. 🎮

Понимание основ работы с тенями и освещением — фундаментальный навык для каждого специалиста в сфере графического дизайна. В курсе Профессия графический дизайнер от Skypro вы не только освоите работу со светотенью в статичных изображениях, но и получите понимание принципов, применяемых в динамической графике игр. Эти знания помогут вам создавать убедительные и реалистичные визуальные решения, востребованные во всех сферах дизайна.

Теневые карты и каскадные тени: основа реалистичности

Теневые карты (Shadow Mapping) — это базовая технология рендеринга теней, используемая практически в каждой современной игре. Суть метода заключается в построении карты глубины сцены с точки зрения источника света. Это позволяет определить, какие объекты освещены, а какие находятся в тени.

Однако простое shadow mapping имеет существенный недостаток: чем дальше объект от камеры, тем менее детализированными становятся его тени из-за ограниченного разрешения теневой карты. Именно здесь на помощь приходят каскадные теневые карты (Cascaded Shadow Maps, CSM).

Александр Петров, технический художник

Работая над открытым миром в одном из наших проектов, мы столкнулись с классической проблемой — тени деревьев на горизонте выглядели как размытые пятна, в то время как тени вблизи игрока были чёткими. Внедрение четырехуровневой системы каскадных теней преобразило картинку. Помню, как во время дебага мы раскрасили каждый каскад в свой цвет, и было отчётливо видно, как система автоматически перераспределяла ресурсы — ближайшее окружение получало максимальное разрешение теневой карты в 4096×4096, а дальние объекты довольствовались картой 1024×1024. Игрок даже не замечал переходов между каскадами, но визуальное качество сцены возросло в разы.

CSM разделяет видимое пространство на несколько зон (каскадов), каждая из которых имеет собственную теневую карту. Ближайшие к камере области получают карты высокого разрешения, а более удаленные — низкого. Это позволяет сосредоточить вычислительные ресурсы там, где они наиболее заметны игроку.

Преимущества каскадных теневых карт:

• Эффективное использование графических ресурсов
• Высокое качество теней как вблизи, так и вдали
• Плавные переходы между зонами разного разрешения
• Хорошая масштабируемость под разное железо

Современные движки вроде Unreal Engine 5 и Unity используют продвинутые версии CSM с динамической адаптацией каскадов в зависимости от сцены, что позволяет добиться еще большей детализации при тех же затратах ресурсов.

Ray tracing в тенях: революция в игровой графике

Трассировка лучей (Ray Tracing) произвела настоящую революцию в рендеринге теней в играх. В отличие от традиционного shadow mapping, где тени "запекаются" в текстуры, ray tracing симулирует реальное поведение световых лучей, создавая физически корректные тени с естественными переходами и полутонами. 🔍

Принцип работы ray-traced shadows относительно прост: система запускает виртуальные лучи от камеры к объектам сцены, а затем от точек попадания к источникам света. Если путь луча блокируется каким-либо объектом, точка находится в тени. Это позволяет создавать:

• Мягкие тени от площадных источников света
• Полупрозрачные тени от транслюцентных материалов (стекло, ткань)
• Корректное отображение самозатенения сложных объектов
• Контактные тени высокой детализации

Дмитрий Волков, тестировщик графических технологий

После трёх лет работы на RTX 2080 я наконец перешёл на RTX 4080. Разница в качестве теней при включённой трассировке лучей меня поразила. Тестировал на примере Metro Exodus Enhanced Edition — игры, полностью построенной на ray tracing. В подземельях, где единственным источником света был фонарик, тени от решёток и труб выглядели не просто реалистично — они создавали то ощущение объёма и присутствия, которого никогда не было с растеризацией. Особенно впечатлили контактные тени от предметов на столе и мягкие переходы у основания стен. При этом на новой карте с DLSS 3.0 игра выдавала стабильные 80+ FPS в 1440p. Конечно, raytracing все еще требует жертв в производительности, но соотношение качества и FPS становится всё привлекательнее с каждым поколением GPU.

Технически ray tracing для теней можно разделить на два основных типа:

Ключевым недостатком ray tracing остаётся его ресурсоемкость. Для смягчения этой проблемы используются технологии:

• DLSS/FSR/XeSS — апскейлинг с использованием AI для компенсации потери FPS
• Denoising — алгоритмы шумоподавления, позволяющие использовать меньше лучей
• Variable Rate Tracing — изменение плотности трассировки в зависимости от важности области
• Temporal accumulation — накопление данных между кадрами для повышения качества

С выходом видеокарт серии RTX 40xx от NVIDIA и RX 7000 от AMD трассировка лучей стала доступнее, и всё больше игр предлагает этот вариант визуализации теней, хотя пока он остаётся опцией премиум-класса.

Shadow filtering и сглаживание краёв теневых эффектов

Shadow filtering — это набор методов, применяемых к теневым картам для устранения лесенок (алиасинга) и смягчения резких краёв. Качественная фильтрация превращает "зубчатые" компьютерные тени в естественные, подобные тем, что мы видим в реальном мире. 🖌️

Главной проблемой теневых карт является их дискретная природа. Из-за ограниченного разрешения тени могут выглядеть ступенчатыми или пиксельными. Различные методы фильтрации решают эту проблему, обрабатывая исходные теневые карты:

• PCF (Percentage Closer Filtering) — базовый метод, берущий среднее значение из нескольких точек теневой карты
• PCSS (Percentage Closer Soft Shadows) — продвинутый алгоритм, имитирующий зависимость размытия тени от расстояния до затеняющего объекта
• VSM (Variance Shadow Maps) — метод, хранящий статистическую информацию о глубине для более эффективной фильтрации
• ESM (Exponential Shadow Maps) — быстрый алгоритм с экспоненциальным преобразованием теневой функции

Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, влияя как на визуальное качество, так и на производительность:

Интересно, что разные движки имеют свои предпочтения в выборе алгоритмов фильтрации:

• Unreal Engine чаще использует комбинацию PCF и PCSS
• Unity предлагает разработчикам выбор между PCF и VSM
• Frostbite (EA) применяет собственный гибридный метод с элементами VSM и ESM
• id Tech (DOOM) опирается на кастомные решения на основе PCF с временной аккумуляцией

Современные игры часто комбинируют несколько методов — например, используя высококачественную фильтрацию для динамических теней от персонажей и более простую для теней от статичных объектов. Это позволяет добиться оптимального баланса между качеством и производительностью.

Отдельного внимания заслуживает временное сглаживание теней (Temporal Shadow Filtering), которое использует информацию с предыдущих кадров для повышения качества текущего. Этот подход значительно снижает шум и улучшает стабильность теней при движении камеры, хотя может создавать артефакты "призрачного следа" при быстрой анимации.

Ambient Occlusion: мягкие тени для глубины изображения

Ambient Occlusion (AO) — это техника затенения, симулирующая мягкое самозатенение объектов в зависимости от их геометрии. Проще говоря, она добавляет мягкие тени в местах, где объекты соприкасаются друг с другом или образуют углубления — там, где свет рассеивается меньше. 🏺

В отличие от прямых теней от источников света, ambient occlusion создает тонкие градации затенения, добавляющие глубину и объем изображению. Эта техника особенно заметна в углах комнат, под мебелью, в складках одежды и других подобных местах.

За годы эволюции графических технологий появилось несколько методов реализации ambient occlusion:

• SSAO (Screen Space Ambient Occlusion) — первый широко применяемый метод, работающий в пространстве экрана
• HBAO/HBAO+ (Horizon Based Ambient Occlusion) — улучшенный алгоритм с более точным расчетом затенения
• GTAO (Ground Truth Ambient Occlusion) — современный метод с физически корректными расчетами
• RTAO (Ray Traced Ambient Occlusion) — расчет AO с помощью трассировки лучей

Марина Соколова, 3D-художник окружения

В моей практике был показательный случай, когда мы создавали средневековый интерьер для исторической RPG. Модели выглядели плоскими и неубедительными даже с хорошими текстурами и нормал-мапами. Когда мы включили HBAO+, сцена буквально "ожила" — появилась та глубина и весомость, которой не хватало. Особенно впечатляюще это выглядело на каменной кладке стен и в деревянных балках потолка, где мягкие переходы от света к тени создавали ощущение многовековой истории. Самое интересное, что когда мы провели пользовательское тестирование, игроки не могли точно объяснить, что изменилось, но отмечали, что интерьер стал "более настоящим" и "атмосферным". Именно тогда я поняла, что ambient occlusion — это не просто технический параметр, а важнейший компонент визуального повествования.

Каждый метод имеет свои особенности реализации и влияния на производительность:

Важно отметить, что большинство методов AO (кроме RTAO) работают в пространстве экрана, что означает их зависимость от данных, видимых камерой. Это приводит к характерным артефактам, когда затенение "исчезает" на краях экрана или при появлении новых объектов в поле зрения.

Многие современные игры комбинируют несколько техник — например, применяя RTAO для ближних объектов и более легковесный GTAO для дальних, или используя "запеченное" AO для статичных элементов и динамическое для движущихся объектов.

Для достижения наилучшего визуального результата ambient occlusion часто комбинируют с другими техниками затенения:

• Subsurface scattering — для реалистичного отображения полупрозрачных материалов
• Contact shadows — для четких теней в местах соприкосновения объектов
• Global illumination — для правильного распространения отраженного света
• Volumetric lighting — для создания эффекта рассеивания света в воздухе

Ambient occlusion стал стандартным компонентом в современных играх, и отключение этого эффекта обычно приводит к заметному ухудшению визуального качества даже для неопытного глаза. 👁️

Настройка shadow quality: оптимальный баланс FPS и графики

Настройка качества теней — один из ключевых факторов, влияющих одновременно на визуальное качество игры и её производительность. Правильный подбор параметров позволяет найти оптимальный баланс между красивой картинкой и комфортным FPS. 🎚️

Разберем основные параметры, встречающиеся в настройках большинства современных игр:

• Shadow Resolution/Quality — контролирует разрешение теневых карт
• Shadow Distance — определяет дистанцию прорисовки теней от камеры
• Shadow Filtering — отвечает за сглаживание краёв теней
• Shadow Cascades — управляет количеством каскадов в CSM
• Contact Shadows — отдельная настройка для детализированных теней вблизи
• AO Method/Quality — выбор метода и качества ambient occlusion

Влияние этих параметров на производительность существенно различается:

В зависимости от приоритетов и возможностей системы, можно рекомендовать следующие профили настроек:

• Для максимальной производительности:
• Shadow Quality: Low/Medium
• Shadow Resolution: 1024×1024 или ниже
• Shadow Distance: 50-60% от максимума
• Cascaded Shadows: 2 каскада
• AO: SSAO низкого качества или отключено

• Contact Shadows: Off

• Для баланса производительности и качества:
• Shadow Quality: High
• Shadow Resolution: 2048×2048
• Shadow Distance: 70-80% от максимума
• Cascaded Shadows: 3-4 каскада
• AO: HBAO среднего качества

• Contact Shadows: On (если доступно)

• Для максимального визуального качества:
• Shadow Quality: Ultra/Ray Traced
• Shadow Resolution: 4096×4096 или выше
• Shadow Distance: 100%
• Cascaded Shadows: 4+ каскадов
• AO: RTAO или HBAO+ высокого качества
• Contact Shadows: High

Важно помнить, что настройки теней следует адаптировать под конкретную игру и доступное оборудование. Некоторые полезные советы:

• В соревновательных играх (шутеры, MOBA) часто имеет смысл снизить качество теней в пользу более высокого FPS
• В одиночных RPG и приключенческих играх качество теней существенно влияет на атмосферу и погружение
• Многие игры позволяют отдельно настраивать тени от персонажей и от окружения — первые обычно важнее для восприятия
• В играх с DLSS/FSR можно повысить качество теней и компенсировать потерю FPS с помощью апскейлинга
• Тени от ray tracing обычно требуют 30-50% дополнительной производительности по сравнению с традиционными

В играх с открытым миром стоит обратить особое внимание на параметр Shadow Distance — его снижение может дать существенный прирост FPS при минимальных визуальных потерях, особенно если основное действие происходит вблизи персонажа.

Качество теней — это не просто технический параметр, а ключевой элемент создания убедительных виртуальных миров. От базовых теневых карт до сложных систем трассировки лучей, технологии рендеринга теней прошли огромный путь развития. Сегодня мы находимся на пороге новой эры, где физически корректные тени становятся стандартом, а не роскошью. Умение правильно настраивать параметры теней позволяет не только улучшить визуальное восприятие игры, но и оптимизировать её работу под конкретное оборудование. И помните — иногда даже небольшое улучшение в качестве теней может радикально преобразить восприятие виртуального мира, добавив ему ту глубину и реализм, которые заставляют нас забыть, что перед нами всего лишь игра.

Читайте также

• Освещение в играх: революция технологий и дизайна света
• Глобальное освещение в 3D: настройки и оптимизация рендера
• Screen Space Reflections: технология отражений в современных играх
• Динамическое освещение в играх: технологии, эффекты, будущее
• Оптимизация динамического освещения: как повысить FPS без потери качества
• Эволюция теней в играх: от примитивных пятен до фотореализма
• Глобальное освещение в играх: как свет создает реалистичные миры
• Подповерхностное рассеивание света в играх: секреты реализации
• Screen Space Shadows в компьютерной графике: техника, применение
• Идеальные карты освещения: секрет реализма в 3D-моделировании