С появлением 3D-игр у их создателей серьезно прибавилось проблем: о сглаживании мы уже говорили, также мы говорили и о фильтрации текстур. Теперь же поговорим о еще одном эффекте, который позволяет серьезно улучшить реалистичность картинки — о Ambient Occlusion (AO), или о затенении.

В оптике можно выделить три простых градации освещенности — тень (источник света не виден), полутень (источник света виден частично) и освещенное место (источник света виден полностью). Казалось бы — все просто, рассчитать границы тени и полутени можно в два счета с помощью обыкновенных лучей. Однако полученная в результате картинка наводит на мысль, что мы где-то что-то забыли:

Таких черных теней не бывает (ну на Земле по крайней мере), так что сразу становится очевидным, что мы забыли — рассеяние света: суть в том, что в реальном времени фотоны могут отражаться от различных поверхностей и в итоге попадать туда, куда напрямую фотоны от источника не долетают: именно поэтому в тени хоть и темнее, чем на свету, но не черным черно. На Земле таким «рассеивателем» фотонов выступает сама атмосфера. 

Но тут возникает вопрос — а как это рассчитать-то? Увы — алгоритма, дающего 100% точное рассеяние света в real-time, нет, однако есть множество хорошо приближенных к реальности алгоритмов, отлаженных настолько, что они спокойно используются в видеоиграх.

Для начала — общая для всех алгоритмов теория: можно ввести так называемую среднюю освещенность всей сцены, своеобразную аппроксимацию непрямого освещения. Но вот проблема в том, что в местах, где есть тень, такая аппроксимация будет давать повышенную яркость. Поэтому можно несколько усложнить ее — снижать яркость в тех местах, куда отраженному свету труднее добраться. То есть для каждого фрагмента сцены мы находим так называемый заграждающий фактор: количество свободных «путей» для фотона деленное на все количество путей фотона до данного участка, и на основе этих данных и средней яркости сцены можно рассчитать яркость конкретного участка.

Однако тут мы получаем очередную проблему — отрисовка геометрии происходит постепенно, поэтому заграждающий фактор также в процессе отрисовки может серьезно меняться. Можно, конечно, рассчитать AO на этапе загрузки сцены, но тогда затенение не коснется динамических объектов (персонажей, машин и т.д.) — а это нехорошо. И тут приходит идея использовать для отрисовки затенения экранное пространство (Screen Space), что в итоге выливается в простейший алгоритм AO — SSAO.

SSAO

Этот алгоритм появился еще в Crysis 10 лет назад. Его суть проста: после построения геометрии у нас остается Z-буфер, или буфер глубины, который включает в себя абсолютно всю информацию о геометрии сцены — а значит никаких проблем сделать AO нет.

Хотя, конечно, кого я обманываю — проблемы есть, и самая серьезная — недостаточная производительность современных видеокарт: для того, чтобы получить более-менее неплохую карту затенения, для каждого фрагмента сцены нужно обсчитывать порядка 200-250 направлений, что позволяет «закопать» любой GPU. Поэтому делается хитрее — используется 8-32 «луча», направленные на выбранный фрагмент сцены, которые каждый раз поворачиваются на случайное значение. В итоге получается терпимое качество картинки с не очень большими затратами на расчеты:



В дальнейшем алгоритм был доработан — стали использоваться карты нормалей, что снизило сложность вдвое и позволило в итоге вдвое увеличить число выборок. Ну и финальный штрих — стали использовать размытие, дабы сгладить шум от случайных выборок.

HBAO и HBAO+

Nvidia не была бы Nvidia, если бы не стала развивать затенение дальше, представив в 2008 году HBAO — Horizon Based Ambient Occlusion. От SSAO это затенение отличалось тем, что оно основано на физической модели, где аппроксимируется интеграл освещенности фрагмента сцены со значениями выборки буфера глубины. Итоговое качество оказывается выше SSAO при большом числе выборок, но мы опять же упираемся в производительность. Поэтому HBAO рендерится обычно в более низком разрешении, что приводит к мерцанию картинки. 

Проблема мерцания была исправлена в HBAO+ простым методом, который сейчас активно использует Sony в 4К играх на PlayStation 4 Pro: для рассчета HBAO+ используется шахматный рендеринг, то есть для обработки затенения используется часть предыдущего кадра и половина нового: это требует меньше затрат GPU, но при этом позволяет рендерить затенение в исходном разрешении, что и убирает мерцание.



HDAO

AMD в стороне не остались, и стали использовать собственное затенение (которое, к слову, также работает и на Nvidia) — HDAO (High Definition AO). Увы — AMD не делится алгоритмом, однако известно, что в его основе лежит Gather4 — технология, которая собирает 4 текселя в один регистр. То есть, как и с HBAO, по сути происходит рендеринг в пониженном разрешении. В итоге, в среднем картинка с HBAO и HDAO сравнима по качеству, но опять же — все достаточно сильно зависит от игры: к примеру, в Far Cry 3 с HDAO трава выглядит красивее:



VXAO

С выходом DX12 Nvidia представила принципиально новое затенение — VXAO (Voxel Accelerated Ambient Occlusion). Его суть в том, что оно работает уже не с пикселями и текселями (то есть 2D-объектами), а с вокселями — аналогом пикселя в 3D. И теперь мы используем не Z-буфер, а воксельное построение сцены, поэтому алгоритм состоит из трех пунктов: вокселизация, постобработка вокселей и трассировка конуса. Вокселизация выполняется путем рендеринга треугольных сеток в трехмерную текстуру, и поэтому ее производительность сильно зависит от общего количества треугольников, размера этих треугольников и количества вызовов рисования, необходимых для их рендеринга. Постобработка объединяет проходы, такие как очистка, фильтрация и понижающие выборки вокселей, а ее производительность зависит от общего количества вокселей, созданных во время вокселизации. Типичное время после обработки составляет 0,5 - 1,5 мс. И, наконец, трассировка конуса выполняется в пространстве экрана, поэтому его производительность зависит от разрешения экрана и скорости затенения. Итоговое качество картинки оказывается в куда лучше, чем с HBAO+:


На этом все. Советы для игроков простые: если компьютер хорошо тянет игру без AO, то можно попробовать включить SSAO или HBAO — обычно это снижает fps не более чем на 10%. Если же и с ними производительность отличная — можно попробовать HBAO+ и HDAO. Ну и для самых топовых видеокарт современности можно порекомендовать набирающее обороты VXAO — оно крайне требовательно к ресурсам (в том числе и к видеопамяти), поэтому даже в FHD оно будет доступно лишь пользователям старших Nvidia GTX 900ой и 1000ой линейки, а также владельцам старших AMD RX, Fury и Vega.