Освещение в Godot: создание реалистичных 3D сцен с тенями

Для кого эта статья:

• Разработчики игр, работающие с Godot Engine
• Дизайнеры 3D-сцен и графические дизайнеры

• Студенты и начинающие специалисты в области компьютерной графики и игрового дизайна

  Освещение — душа 3D сцены. Оно превращает плоские текстуры и холодные модели в живые, дышащие миры. В Godot Engine система освещения представляет собой мощный инструментарий, позволяющий создавать как простые, так и сложные световые схемы. Неправильно настроенный свет способен убить даже самую детализированную сцену, а грамотное освещение — вдохнуть жизнь в простейшие объекты. Давайте погрузимся в мир 3D освещения Godot и узнаем, как создать атмосферные, запоминающиеся локации с реалистичными тенями. 🌟

Освоение 3D освещения в Godot может стать одним из первых шагов в вашей карьере дизайнера игровых миров. Если вы стремитесь развиваться в визуальном направлении и создавать потрясающие игровые пространства, обратите внимание на курс Профессия графический дизайнер от Skypro. Эта программа даст вам фундаментальные знания о композиции, цвете и визуальных эффектах, которые необходимы для создания привлекательных 3D-сцен не только в Godot, но и в любом другом движке.

Основы 3D освещения в Godot: типы источников света

В Godot Engine реализованы все основные типы источников света, используемые в современной 3D-графике. Каждый из них имеет свои уникальные характеристики и область применения. Понимание различий между ними — первый шаг к созданию качественного освещения.

Рассмотрим основные типы источников света в Godot:

• DirectionalLight — имитирует отдалённый мощный источник света, например солнце. Лучи света параллельны и имеют одинаковое направление по всей сцене.
• OmniLight — точечный источник, излучающий свет во всех направлениях равномерно, как лампа накаливания.
• SpotLight — направленный конусообразный источник света, подобный фонарику или прожектору.
• ReflectionProbe — не является источником света в чистом виде, но захватывает и проецирует отражения окружающей среды.

Для начала работы с освещением добавьте соответствующий узел в вашу сцену через меню Add Node или сочетание клавиш Ctrl+A. Поиск по "Light" покажет все доступные типы источников света.

Важно понимать, что каждый источник света влияет на производительность. Realtime-освещение — ресурсоёмкая операция, поэтому количество активных источников света следует контролировать.

Александр Петров, технический директор игровой студии

Когда мы разрабатывали наш первый 3D-проект на Godot, я совершил классическую ошибку новичка — добавил слишком много динамических источников света. Наша атмосферная игра про исследование заброшенной станции превратилась в слайд-шоу на большинстве устройств. Производительность упала настолько, что мы были вынуждены полностью пересмотреть подход к освещению.

Решением стало использование комбинации из одного DirectionalLight для имитации основного освещения и стратегически расположенных запеченных (baked) OmniLight для деталей. Мы создали систему, которая активировала динамические SpotLight только в поле зрения игрока и только при необходимости. Это позволило нам сохранить атмосферу и улучшить FPS с 15-20 до стабильных 60 на целевых устройствах.

При настройке источников света обратите внимание на параметры цвета и интенсивности. Избегайте чисто белого света (RGB 1,1,1) — в реальности даже солнечный свет имеет цветовой оттенок в зависимости от времени суток. Слегка желтоватое или голубоватое освещение выглядит естественнее.

Для правильного расположения источников света используйте принципы трёхточечного освещения из фотографии и кинематографа:

• Ключевой свет (Key Light) — основной и наиболее яркий источник, создающий преобладающие тени
• Заполняющий свет (Fill Light) — смягчает тени от ключевого света, обычно располагается напротив
• Контровой свет (Rim/Back Light) — подсвечивает объекты сзади, отделяя их от фона

Настройка теней в Godot: параметры и оптимизация

Тени — неотъемлемая часть реалистичного освещения. В Godot 3D-тени реализованы с помощью технологии shadow mapping. Это метод рендеринга теней, при котором создаётся специальная карта глубины с точки зрения источника света.

Чтобы включить тени для источника света, достаточно активировать параметр "Shadow > Enabled" в его свойствах. Однако для достижения качественных теней потребуется более тонкая настройка.

Основные параметры теней в Godot:

• Shadow Bias — контролирует смещение тени для предотвращения артефакта "shadow acne" (неровности теней)
• Shadow Normal Bias — дополнительный параметр для устранения артефактов на краях теней
• Shadow Split (для DirectionalLight) — деление области теней на сегменты разного разрешения
• Shadow Resolution — влияет на четкость теней, более высокие значения требуют больше ресурсов

Оптимизация теней критически важна для поддержания высокой производительности. Вот некоторые подходы, которые помогут сохранить баланс между качеством и скоростью:

Решение проблем с тенями требует понимания базовых принципов работы shadow mapping. Основные проблемы, с которыми вы можете столкнуться:

• Shadow Acne — поверхность покрыта мелкими артефактами теней. Решение: увеличьте Shadow Bias.
• Peter Panning — тени "отрываются" от объектов. Решение: уменьшите Shadow Bias или увеличьте Shadow Normal Bias.
• Блочные тени — тени выглядят пикселизированными. Решение: увеличьте Shadow Resolution, улучшите Shadow Filter Quality.

Для оптимизации теней в больших открытых мирах используйте каскадные тени (Cascaded Shadow Maps, CSM) путем настройки параметров Shadow Splits для DirectionalLight. Это позволит иметь более детализированные тени вблизи камеры и менее детализированные вдали.

Создание реалистичных сцен с помощью Global Illumination

Global Illumination (GI) — это техника освещения, моделирующая множественные отражения света от поверхностей. В отличие от прямого освещения, GI создаёт мягкие, естественные переходы света и тени, добавляя реализма сцене. 🌈

В Godot Engine Global Illumination реализуется через несколько подходов:

1. GIProbe — вокселизированное глобальное освещение в реальном времени
2. BakedLightmap — предварительно запечённое освещение для статичных сцен
3. Environment's Ambient Light — простая реализация ambient occlusion и фонового освещения

Для небольших сцен и сцен со средней детализацией оптимальным выбором будет GIProbe. Этот узел создаёт трёхмерную вокселизацию пространства, моделируя рассеивание света. Для использования GIProbe:

1. Добавьте узел GIProbe в вашу сцену
2. Настройте Extents (размеры), охватывающие всю область, требующую GI
3. Нажмите кнопку "Bake GIProbe" в инспекторе свойств

Для более крупных или статичных сцен лучшим выбором будет BakedLightmap. Он предварительно рассчитывает освещение и сохраняет его в виде текстур, что экономит вычислительные ресурсы во время игры:

1. Добавьте узел BakedLightmap в сцену
2. Настройте Extents, охватывающие всю сцену
3. Установите флаг "Bake Indirect" для объектов, которые должны участвовать в GI
4. Выполните запекание, нажав "Bake Lightmaps"

Важно понимать ограничения каждого метода. GIProbe требует больше ресурсов во время выполнения, но позволяет динамически изменять освещение. BakedLightmap не требователен к ресурсам, но поддерживает только статичные сцены.

Мария Соколова, арт-директор

При разработке визуальной концепции для игры "Тень Кронуса" мы столкнулись с интересной задачей — создать мистическую атмосферу древнего храма, где свет проникает сквозь витражи и отражается от мраморных поверхностей. Стандартное прямое освещение давало неестественно резкие тени и не передавало мягкое свечение, которое мы хотели получить.

Решением стало комбинированное использование GIProbe для центральной части храма и BakedLightmap для остальных помещений. Для витражей мы создали систему с OmniLight разных цветов, расположенных за полупрозрачными текстурами. Чтобы добиться эффекта переливающихся цветных пятен на полу и стенах, мы настроили энергию источников на пульсацию через анимацию параметра Energy.

Самым сложным оказалось настроить баланс между прямым и непрямым освещением. Слишком сильное GI превращало сцену в плоскую и безжизненную, слишком слабое — не давало нужного эффекта рассеянного света. После множества экспериментов мы нашли золотую середину, установив Energy для GIProbe на 0.7 и Indirect Energy для источников света на 1.2.

Для максимально реалистичного глобального освещения настройте материалы объектов с учётом их взаимодействия со светом:

• Используйте параметр Emission для создания самосветящихся объектов
• Настройте Roughness и Metallic для правильного отражения света
• Добавьте нормальные карты (Normal Map) для более реалистичного взаимодействия света с поверхностью

Не забывайте, что GI значительно влияет на цветовое восприятие сцены. Свет, отраженный от цветных поверхностей, окрашивает окружающие объекты. Это создаёт эффект "color bleeding", который добавляет естественности и глубины сцене.

Динамическое освещение в играх на Godot Engine

Динамическое освещение — ключевой элемент современных игр, позволяющий создавать интерактивные, реагирующие на действия игрока миры. В Godot Engine реализация динамического освещения требует как технического понимания, так и творческого подхода. 🔦

Основные сценарии использования динамического освещения включают:

• Смену времени суток с плавным переходом от дня к ночи
• Интерактивные источники света (включаемые фонари, взрывы, огонь)
• Свет от оружия, транспортных средств, магических эффектов
• Фонарик или другой переносной источник света в руках персонажа

Для создания базовой системы динамического освещения в Godot можно использовать следующий подход:

extends SpotLight

export var max_energy = 1.5
export var min_energy = 0.3
export var flicker_speed = 5.0

func _process(delta):
# Создаем эффект мерцания огня
var noise = (sin(OS.get_ticks_msec() * 0.001 * flicker_speed) + 1) / 2
light_energy = min_energy + noise * (max_energy – min_energy)

Этот простой скрипт создаёт эффект мерцающего огня путём модуляции интенсивности света. Привяжите его к SpotLight или OmniLight для имитации факела, костра или других источников с нестабильной яркостью.

Для более сложных систем динамического освещения, таких как смена времени суток, потребуется контроллер, управляющий несколькими параметрами:

extends Spatial

export var day_night_cycle_duration = 600.0 # в секундах
var time_of_day = 0.0 # от 0.0 (полдень) до 1.0 (полночь) и обратно

onready var sun = $DirectionalLight
onready var moon = $DirectionalLight2
onready var world_environment = $WorldEnvironment

func _process(delta):
# Обновляем время суток
time_of_day += delta / day_night_cycle_duration
time_of_day = fmod(time_of_day, 1.0)

# Управляем интенсивностью солнца и луны
var sun_angle = time_of_day * TAU
sun.rotation.x = sin(sun_angle)
sun.light_energy = max(0.0, sin(sun_angle))

# Луна появляется ночью
moon.light_energy = max(0.0, -sin(sun_angle))

# Меняем цвет окружения
var t = (sin(sun_angle) + 1) / 2.0
world_environment.environment.ambient_light_color = lerp(
Color(0.05, 0.05, 0.1), # ночь
Color(0.6, 0.6, 0.5), # день
t
)

Для создания реалистичного освещения транспортных средств или фонариков, следуемых за персонажем, используйте родительские узлы и специфическую настройку SpotLight:

• Установите параметр Spot Angle и Spot Range соответствующими реальным аналогам
• Добавьте TextureProjector для создания эффекта проецирования через линзу
• Используйте параметр Attenuation для естественного затухания света с расстоянием

Оптимизация динамического освещения критически важна для поддержания стабильной частоты кадров:

1. Используйте LOD (Level of Detail) для теней — уменьшайте качество теней от удаленных источников
2. Применяйте Distance Fade для отключения источников света вне поля зрения игрока
3. Группируйте небольшие источники света для снижения числа проходов рендеринга
4. Рассмотрите использование фейковых источников света (Light2D с billboarding) для далеких объектов

Продвинутые техники: объемный свет и трассировка лучей

Продвинутые техники освещения позволяют достичь фотореалистичного качества рендеринга, превращая игровые сцены в визуальные шедевры. В этом разделе рассмотрим реализацию объемного света и базовых принципов трассировки лучей в Godot Engine. ✨

Объёмный свет (Volumetric Lighting) создаёт эффект видимых лучей света, проходящих через туман, пыль или дым. В Godot для этого можно использовать несколько подходов:

1. Particle-based Volumetrics — создание объёмного света через систему частиц
2. Post-processing Volumetrics — использование шейдеров постобработки
3. GIProbe-based Volumetrics — использование узла GIProbe с настройкой Bias для создания эффекта рассеивания

Для создания простого объёмного луча света через систему частиц:

1. Добавьте узел Particles в сцену и расположите его внутри конуса SpotLight
2. Настройте эмиссию частиц так, чтобы они заполняли весь конус света
3. Создайте материал SpatialMaterial с включенным параметром Flags > Transparent
4. Установите Albedo > Color на полупрозрачный белый (например, RGBA 1,1,1,0.1)
5. Настройте Parameters > Lifetime и Scale для соответствия размеру луча

Более продвинутый метод — использование шейдера постобработки. Добавьте узел WorldEnvironment и настройте шейдер для экранного пространства:

shader_type spatial;

uniform sampler2D depth_texture : hint_depth_texture;
uniform sampler2D screen_texture : hint_screen_texture;
uniform vec3 light_pos;
uniform float density = 0.2;
uniform float decay = 0.95;
uniform float weight = 0.4;
uniform int samples = 100;

void fragment() {
vec2 screen_uv = SCREEN_UV;
vec2 light_screen_pos = light_pos.xy / light_pos.z;

// Направление от текущего пикселя к источнику света
vec2 dir = normalize(screen_uv – light_screen_pos);

// Расстояние между семплами
float delta = 1.0 / float(samples);

// Начальная координата
vec2 current_uv = screen_uv;

// Цвет рассеянного света
vec4 final_color = vec4(0.0);

// Аккумулируем семплы вдоль луча
for (int i = 0; i < samples; i++) {
current_uv -= dir * delta;
vec4 sample_color = texture(screen_texture, current_uv);
sample_color *= weight * pow(decay, float(i));
final_color += sample_color;
}

// Смешиваем с исходным цветом экрана
ALBEDO = texture(screen_texture, screen_uv).rgb + final_color.rgb * density;
}

Трассировка лучей (Ray Tracing) — наиболее реалистичный, но ресурсоёмкий метод рендеринга. Godot 4.0 вводит поддержку различных техник, связанных с трассировкой лучей, включая:

• Screen Space Reflections (SSR) — отражения в экранном пространстве
• Screen Space Ambient Occlusion (SSAO) — затенение в зависимости от окружения
• Screen Space Global Illumination (SSGI) — глобальное освещение в экранном пространстве

Для экспериментов с Screen Space техниками в Godot:

1. Создайте или откройте WorldEnvironment
2. Перейдите в настройки Background > Ambient Light
3. Включите SSAO, SSR или SSGI в зависимости от требуемого эффекта
4. Экспериментируйте с параметрами, такими как Radius, Intensity и Quality для достижения нужного баланса между производительностью и визуальным качеством

Помните, что продвинутые техники освещения могут серьёзно влиять на производительность. Всегда тестируйте на целевом оборудовании и будьте готовы к компромиссам между визуальным качеством и скоростью работы.

Освоив техники освещения и теней в Godot Engine, вы получаете мощный инструментарий для создания захватывающих виртуальных миров. Правильное освещение способно превратить даже простую сцену в атмосферное пространство, вызывающее эмоциональный отклик у игрока. Экспериментируйте с разными типами источников света, настраивайте параметры теней и не бойтесь применять продвинутые техники — ваши игровые миры заслуживают того, чтобы сиять в лучшем свете.

Читайте также

• Godot Engine: какой язык программирования выбрать для разработки игр
• Godot Engine: переход от 2D к 3D играм – основы, примеры, советы
• Godot Engine 4.0: создание впечатляющей 3D-графики с нуля
• Спрайты и анимации в Godot: полное руководство для 2D игр
• Экспорт игры в Godot Engine: подробное руководство по платформам
• GDScript для начинающих: основы языка программирования Godot
• Визуальное программирование в Godot: создание игр без кода
• Настройка физики и столкновений для идеальной 2D игры в Godot
• Оптимизация и архитектура Godot: избегаем ошибок в разработке
• Первая 2D-сцена в Godot Engine: создание и настройка с нуля