SSAO, HBAO, HDAO: какую технологию затенения выбрать для игры

Для кого эта статья:

• Для разработчиков игр и графических дизайнеров
• Для студентов и специалистов, желающих улучшить свои навыки в области графики

• Для технических директоров и арт-директоров в игровой индустрии

  Когда графика в игре выглядит плоской и безжизненной, это сразу бросается в глаза даже неискушенному игроку. Один из ключевых факторов, придающих сцене объем и глубину — правильно реализованное окклюзионное затенение (Ambient Occlusion). Выбор между SSAO, HBAO или HDAO может стать решающим для визуального качества вашего проекта и его производительности. Любой разработчик, стремящийся к реалистичной графике, должен понимать: неправильно подобранная технология AO способна либо "съесть" драгоценные FPS, либо оставить вашу игру визуально устаревшей. 🎮

Если вы хотите освоить графические технологии и научиться создавать визуально потрясающие проекты, обратите внимание на программу Профессия графический дизайнер от Skypro. Здесь вы не только изучите принципы работы с освещением и тенями, но и получите практические навыки использования современных технологий затенения, таких как SSAO, HBAO и HDAO. Превратите свои идеи в реалистичные визуальные шедевры и станьте востребованным специалистом в игровой индустрии!

SSAO, HBAO и HDAO: сравнение технологий затенения

Ambient Occlusion (AO) — это техника затенения, которая рассчитывает, насколько каждая точка в сцене подвержена окружающему освещению. В местах, где геометрия создает естественные углубления или стыки, свет блокируется, создавая мягкие тени. Именно эти тени придают объектам визуальную глубину и реализм. Рассмотрим три наиболее распространенные реализации этой технологии: SSAO, HBAO и HDAO.

Screen Space Ambient Occlusion (SSAO) была первой широко используемой технологией AO в играх, представленной Crytek в игре Crysis (2007). Она работает в пространстве экрана, анализируя буфер глубины для определения, какие части сцены должны получать меньше рассеянного освещения.

Horizon-Based Ambient Occlusion (HBAO) — улучшенная версия SSAO, разработанная NVIDIA. HBAO учитывает не только глубину, но и нормали поверхностей, что позволяет более точно определить затенение.

High-Definition Ambient Occlusion (HDAO) — технология от AMD, предлагающая альтернативный подход к расчету затенения с акцентом на производительность на GPU AMD.

Ключевые различия этих технологий заключаются в качестве визуализации и требованиях к вычислительным ресурсам:

• SSAO — наименее ресурсоемкая технология, но дающая менее точные тени, иногда с заметными артефактами.
• HBAO — обеспечивает более плавные и реалистичные тени, но требует больше вычислительной мощности.
• HDAO — обеспечивает качество, сравнимое с HBAO, но оптимизирована для работы на GPU AMD.

Михаил Соколов, технический директор игровой студии

Когда мы работали над нашим последним проектом — атмосферным хоррором, где освещение играло ключевую роль в создании напряжения, я столкнулся с дилеммой. Мы использовали SSAO, но тени выглядели недостаточно глубокими, особенно в узких коридорах и углах комнат — тех местах, где должна чувствоваться клаустрофобия. Переход на HBAO дал потрясающий эффект: углы помещений стали казаться еще более зловещими, а коридоры — угнетающе тесными. Но платой стала потеря около 7-10 FPS на среднестатистическом ПК нашей целевой аудитории. В итоге мы реализовали гибридное решение: HBAO для высоких настроек и оптимизированное SSAO для средних и низких. Этот компромисс позволил нам не жертвовать атмосферой для игроков с мощными системами, сохраняя при этом доступность для более широкой аудитории.

Принцип работы AO-технологий в современных играх

Чтобы понять, какая технология затенения подойдет вашему проекту, необходимо разобраться в принципах их работы. Все технологии AO основаны на одной идее: области, которые труднее достижимы для окружающего света, должны быть темнее. Однако реализация этой идеи существенно различается.

Screen Space Ambient Occlusion (SSAO) работает в пространстве экрана, выборочно анализируя окружающие пиксели для каждой точки изображения. Алгоритм случайным образом выбирает точки вокруг текущего пикселя и проверяет, насколько они закрыты от внешнего освещения, используя буфер глубины. Чем больше таких точек закрыто, тем сильнее затенение.

Horizon-Based Ambient Occlusion (HBAO) использует более сложный подход. Вместо случайной выборки точек, HBAO определяет линию горизонта для каждой точки в нескольких направлениях. Это позволяет более точно оценить, насколько закрыта точка от окружающего освещения. HBAO также учитывает нормали поверхностей, что повышает точность расчетов.

High-Definition Ambient Occlusion (HDAO) использует свой алгоритм оценки доступности света, оптимизированный для архитектуры AMD. HDAO также работает в пространстве экрана, но с другими оптимизациями и приоритетами по сравнению с HBAO.

• Этапы обработки SSAO:
• Сбор данных из буфера глубины
• Выборка случайных точек вокруг каждого пикселя
• Проверка, насколько эти точки закрыты от внешнего освещения
• Применение затенения на основе полученных данных

• Размытие результата для уменьшения шума и артефактов

• Этапы обработки HBAO/HDAO:
• Сбор данных из буфера глубины и нормалей
• Определение линии горизонта в нескольких направлениях
• Расчет степени затенения на основе угла горизонта
• Применение затенения к финальному изображению
• Постобработка результата для улучшения визуального качества

Важно понимать, что все эти технологии являются аппроксимациями, а не физически точными симуляциями. Они стремятся найти баланс между визуальным качеством и производительностью. 🖥️

SSAO vs HBAO vs HDAO: визуальное качество и реализм

При выборе технологии затенения для игрового проекта визуальное качество часто становится решающим фактором. Каждая из рассматриваемых технологий имеет свои особенности, которые напрямую влияют на реалистичность финального изображения.

SSAO, будучи первой широко применяемой технологией, имеет определенные ограничения в визуальном качестве. Тени, создаваемые SSAO, часто выглядят менее реалистично из-за упрощенного алгоритма расчета. Типичные проблемы включают:

• Заметная зернистость теней, требующая дополнительного размытия
• Ореолы вокруг объектов, особенно на контрастных границах
• Недостаточная детализация в сложных геометрических формах
• Проблемы с затенением на расстоянии от камеры

HBAO значительно улучшает визуальное качество по сравнению с SSAO. Благодаря учету горизонта и использованию информации о нормалях, HBAO создает более точные и реалистичные тени. Преимущества HBAO:

• Более плавные и естественные переходы между освещенными и затененными участками
• Лучшая детализация в сложных геометрических формах
• Минимальные артефакты и меньшая потребность в сильном размытии
• Более правильное затенение в зависимости от ориентации поверхности

HDAO по качеству визуализации приближается к HBAO, но имеет свои особенности, связанные с оптимизацией для архитектуры AMD. В некоторых сценариях HDAO может давать даже лучший результат, чем HBAO, особенно на оборудовании AMD.

Анна Петрова, арт-директор игровых проектов

Работая над открытым миром нашей RPG, я столкнулась с тем, что SSAO просто не справлялся с атмосферой древних руин и густых лесов. Тени были плоскими, и локации теряли объем. Мы решили провести A/B тестирование с фокус-группой: половина смотрела скриншоты с SSAO, другая с HBAO. Результаты были однозначными: сцены с HBAO получили оценки выше на 36% по параметру "атмосферность" и на 42% по "реалистичности". Особенно заметной разница была в локациях с мелкими архитектурными деталями и природными элементами — мхом, лианами, корнями деревьев. HBAO придавал им глубину и вес, которые полностью терялись при использовании SSAO. Конечно, нам пришлось оптимизировать другие аспекты графики, но результат того стоил — игроки регулярно отмечают в отзывах, насколько "живым" кажется наш мир.

При выборе между SSAO, HBAO и HDAO с точки зрения визуального качества, важно учитывать специфику вашего проекта:

• Для стилизованных игр с упрощенной графикой SSAO может быть достаточно
• Для проектов, где важны атмосферность и реализм, HBAO или HDAO дадут заметно лучший результат
• Для сцен с большим количеством мелких деталей разница между SSAO и более продвинутыми технологиями будет особенно заметна

Тем не менее, оценка визуального качества субъективна, и лучший подход — проведение тестов на конкретных сценах из вашего проекта. 👁️

Влияние технологий затенения на производительность игры

Выбор технологии затенения существенно влияет на производительность игры — фактор, который нельзя игнорировать при разработке. Каждая из рассматриваемых технологий имеет свой профиль производительности и по-разному нагружает графический процессор.

SSAO, как наиболее простая технология из трех, требует меньше всего вычислительных ресурсов. Это делает её привлекательным выбором для проектов, где производительность критична или целевое оборудование имеет ограничения.

HBAO значительно более требовательна к ресурсам, чем SSAO. По данным тестирования, HBAO может потреблять на 15-40% больше вычислительных ресурсов в зависимости от сцены и разрешения. Это связано с более сложными вычислениями для определения линии горизонта и учета нормалей поверхностей.

HDAO занимает промежуточное положение по требованиям к ресурсам, но имеет особенности в зависимости от используемого оборудования. На GPU AMD эта технология обычно работает эффективнее, чем HBAO, в то время как на GPU NVIDIA ситуация обратная.

Вот типичное влияние различных технологий AO на частоту кадров в современных играх:

• SSAO: снижение FPS на 5-15% по сравнению с отключенным AO
• HBAO: снижение FPS на 10-25% по сравнению с отключенным AO
• HDAO: снижение FPS на 8-20% по сравнению с отключенным AO (с вариациями в зависимости от GPU)

Важно отметить, что влияние на производительность зависит от множества факторов:

• Разрешение игры (влияние AO возрастает с увеличением разрешения)
• Сложность сцены (количество геометрии и деталей)
• Используемое разрешение для расчета AO (часто оно ниже, чем основное разрешение игры)
• Качество постобработки (размытие результатов AO)
• Архитектура и производительность GPU

В мобильных и VR-приложениях, где каждый миллисекунд на кадр критичен, часто используют облегченные версии SSAO или полностью отказываются от динамического расчета AO в пользу запеченных текстур затенения.

При разработке мультиплатформенных игр стоит рассмотреть возможность динамической настройки технологии AO в зависимости от платформы:

• Для консолей текущего поколения (PS5, Xbox Series X/S) — HBAO или HDAO
• Для консолей предыдущего поколения и слабых ПК — оптимизированный SSAO
• Для мобильных платформ — сильно упрощенный SSAO или только запеченное AO

Инженеры-графики часто ищут компромиссные решения, такие как расчет AO с пониженным разрешением с последующим увеличением, или гибридные подходы, комбинирующие динамическое и запеченное затенение. 🔧

Как выбрать оптимальную AO-технологию для вашего проекта

Принятие решения о том, какую технологию затенения использовать в вашем проекте, должно быть основано на тщательном анализе нескольких ключевых факторов. Ниже приведен структурированный подход к выбору оптимальной AO-технологии.

Прежде всего, определите приоритеты вашего проекта:

• Визуальное качество — если реализм и атмосфера критически важны
• Производительность — если целевые платформы имеют ограничения по мощности
• Универсальность — если игра должна хорошо работать на различном оборудовании

Анализ целевых платформ и оборудования:

• Для высокопроизводительных ПК: HBAO — лучший выбор для NVIDIA-систем, HDAO — для AMD-систем
• Для консолей нового поколения: HBAO или HDAO с оптимизацией под конкретную платформу
• Для широкого спектра ПК: SSAO как базовый вариант с опцией включения HBAO/HDAO для мощных систем
• Для мобильных платформ: облегченный SSAO или предварительно запеченное AO

Оценка специфики вашего жанра и художественного стиля:

• Для фотореалистичных игр: HBAO/HDAO необходимы для достижения убедительного результата
• Для стилизованных игр: SSAO может быть достаточно и даже предпочтительнее
• Для хорроров и атмосферных игр: качественное AO критично для создания настроения
• Для динамичных экшенов: баланс между качеством и производительностью особенно важен

Практический подход к тестированию и оценке:

1. Реализуйте прототипы с разными технологиями AO на типичных для вашей игры сценах
2. Проведите бенчмарки на различном оборудовании
3. Организуйте слепое A/B тестирование с фокус-группой для оценки визуального восприятия
4. Рассчитайте соотношение прироста качества к потере производительности

Возможные компромиссные решения:

• Многоуровневые настройки: SSAO для низких настроек, HBAO/HDAO для высоких
• Динамическое переключение технологии в зависимости от сцены и нагрузки
• Комбинирование статического (запеченного) AO для статичных объектов и динамического для движущихся
• Использование пониженного разрешения для расчета AO с последующим интеллектуальным масштабированием

Технические аспекты интеграции:

• SSAO проще в реализации и отладке
• HBAO/HDAO могут требовать дополнительных буферов и проходов рендеринга
• Для всех технологий рекомендуется реализовать настраиваемые параметры интенсивности и радиуса
• Размытие результатов AO критично для устранения шума и артефактов

В итоге, выбор технологии AO должен быть обоснованным и сбалансированным решением, учитывающим как технические, так и художественные аспекты вашего проекта. 🎯

Выбор между SSAO, HBAO и HDAO — это не просто техническое решение, а важный художественный и бизнес-выбор. Каждая технология имеет свои преимущества и ограничения, которые необходимо соотносить с целями вашего проекта. Помните: идеальной технологии не существует — существует только оптимальная для ваших конкретных задач. Тщательное тестирование и готовность к компромиссам между визуальным качеством и производительностью — ключ к успешной реализации затенения, которое подчеркнет сильные стороны вашей игры и создаст убедительную глубину и атмосферу.

Читайте также

• 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
• Графика в играх: от пикселей до фотореализма – эволюция, типы
• Устраняем графические проблемы в играх: причины и решения
• Плохая графика в играх: 5 причин и решения без апгрейда железа
• Как графические настройки разгружают процессор в играх: тонкая оптимизация
• Искусство освещения в играх: технические принципы и дизайн