В последнее время в играх стало все больше непонятных настроек. К примеру, в The Witcher 3: Wild Hunt есть загадочные NVIDIA HairWorks и HBAO+. В GTA 5 — некие тени PCSS. В Assassin’s Creed: Unity заявлен странный Turbulence. А в грядущем Batman: Arkham Knight планируется какой-то PhysX Destruction. Что все это такое и надо ли тыкать в эти настройки, мы сейчас и расскажем.

Кому оно надо?

Все это появилось благодаря NVIDIA и ее программе GameWorks. Те, кто давно следит за индустрией, наверняка помнят сотни обещаний разработчиков в духе «вот еще пару лет, и в играх трава начнет расти в реальном времени, по ветру будут развеваться физически правильные одежды, прически персонажей превратятся из десятка полигонов в тысячи отдельных волос, а все отражения и блики будут рендериться на лету».

Однако годы идут, а мы с вами как получали весьма условную текстурированную траву, как ходила половина героев лысая, как запекались все отражения — так оно все и осталось.

Думаете, виновато железо? Отнюдь нет Что NVIDIA, что AMD уже давно засыпают нас технодемками, в которых реализовано все обещанное, но разработчики никак не хотят вносить это в свои проекты. Почему? Есть несколько объяснений. Одно — ориентирование на самые слабые GPU (это был кивок в сторону консолей). Второе — лень-матушка, нашептывающая что-нибудь в духе: «Зачем тебе этот длинный кусок кода со сложным эффектом, давай лучше приляпаем десяток полигонов и назовем их травой».

► Обещание. ► Реальность.

На борьбу с последним и нацелена программа NVIDIA GameWorks. Работает она по привычным для NVIDIA правилам. Компания самостоятельно создала несколько библиотек, отвечающих за массу разнообразных эффектов, и фактически бесплатно предложила свои наработки разработчикам. Хотите сделать красиво? Приходите к нам, покажем как, снабдим всем необходимым и не возьмем ни монетки.

► Технодемки NVIDIA. Июль 2004 года — реалистичные волосы, март 2010 года — просчет отражений в реальном времени.

GameWorks — это набор инструментов, позволяющий без лишних усилий добавить в виртуальный мир определенные визуальные и физические эффекты, притом не полноценный движок, а лишь набор опциональных надстроек, которые можно прикрутить хоть к Source , хоть к Unreal Engine , хоть к Unity.

Оптика

► Работа OptiX поражает воображение, но требует слишком много ресурсов.

В GameWorks есть и еще один пункт — OptiX. Как он попал в игровую обойму, правда, решительно непонятно. OptiX — идеальное решение для кинематографа и пререндеренного 3D. Суть инструментария заключается в умении рассчитывать на видеокарте честное освещение методом трассировки лучей. Он дает потрясающие результаты, но для игр пока не подходит. На то, чтобы всего в одном кадре просчитать каждый луч и оценить его влияние на поверхности объектов, уходит от нескольких минут до нескольких дней.

Эффекты

Компоненты, входящие в инструментарий, условно делятся на четыре группы. VisualFX , PhysX , OptiX и новый VR , представленный вместе с GTX 980 Ti. Одна из самых любимых тем для NVIDIA — это набор VisualFX, объединивший в себе все впечатляющие эффекты.

Открывает их ставшая уже довольно популярной группа ShadowWorks , разбитая на два основных компонента. Первый — HBAO+ ( Horizon-Based Ambient Occlusion Plus ), продвинутая система локального затенения, имитирующая рассеянное освещение.

► Обычные тени (слева) и HBAO+ (справа). Обратите внимание, насколько объемнее выглядит дерево, а также на появившуюся вокруг травы тень.

Работу ее можно увидеть во многих современных проектах, включая Watch_Dogs и The Witcher 3: Wild Hunt. В основе технологии лежит довольно простой принцип: при расчете теней движок опирается не столько на сами источники света, сколько на геометрию.

Стопроцентного результата это не дает, но по сравнению с действием старых технологий, вроде SSAO, качество картинки получается куда выше: тени начинают отбрасывать не только основные, но и второстепенные объекты в сцене, а также мелкие детали, например, неровности древесной коры. А за счет этого усиливается ощущение глубины и геометрической сложности изображения.

Дополняет HBAO+ второй компонент ShadowWorks — PCSS ( Percentage-Closer Soft Shadows ). Он, коротко говоря, отвечает за натурализацию теней, точнее, за их размытие. Идея проста: чем дальше тень от объекта, тем сильнее размыты ее края.

► PCSS добавляет теням натуральности.

Следующий набор VisualFX — это пара инструментов PostWorks, под названием Depth of Field ( DoF ) и TXAA. DoF — улучшенный силами NVIDIA «эффект боке», известный многим по фотографиям. При его включении четко выделяются лишь объекты, попавшие в фокус, а все, что за его пределами, существенно размывается. Выглядит красиво, но ничего необычного в игры не добавляет.

Гораздо интереснее TXAA — очередной метод сглаживания. В играх он сочетает сразу несколько способов борьбы с «лесенкой» по краям объектов: рассчитывает дополнительные пиксели, применяет постобработку, а также использует временной сдвиг, совмещая данные из разных кадров. По качеству итоговой картинки TXAA 4x зачастую превосходит обычный MSAA 8x, хотя ресурсов потребляет примерно столько же.

► Включенный Depth of Field добавляет игре кинематографичности.

► GTA 5 — TXAA 4x в действии, все внимание на забор.

Еще один часто применяемый в играх инструмент — Turbulence. Эта разработка отвечает за реалистичные дым, туман, снег и иные эффекты, завязанные на движении мелких частиц. Особенно хорошо удаются песчаные бури и метели.

Компонент базируется на фреймворке APEX , который создавался для PhysX и частично дублирует его функционал, но это все же самостоятельный эффект. Например, в Assassin’s Creed 4: Black Flag он прекрасно уживается с физическим движком Havok и моделирует потрясающий своей естественностью дым.

► Turbulence в Assassin’s Creed 4: Black Flag позволил нарисовать очень красивый и физически правильный дым.

Но главной фишкой VisualFX по праву считается HairWorks , отвечающий за моделирование волос. Густую шевелюру можно воссоздать и без него, но технология NVIDIA подкупает соотношением качества и производительности. С HairWorks волосы реалистично развеваются и отбрасывают правильные тени.

Пример использования — та же The Witcher 3: Wild Hunt. После включения соответствующей настройки волки, медведи и монстры обрастают густой и очень натуральной шерстью, вызывающей в памяти технодемки пятилетней давности.

► HairWorks в действии — все внимание на прическу Геральта.

…и даже на Android!

Главная целевая платформа для GameWorks — это Windows, однако NVIDIA не забывает и про другие операционные системы. Некоторые элементы работают и в среде Linux , а компания активно занимается переносом GameWorks на консоли Xbox One и PlayStation 4. В обеих, напомним, стоит железо от AMD.

Внимание уделяется и мобильным платформам: в iOS доступны базовые возможности PhysX, а в Android фирменный физический движок работает на полную мощность. Владельцам андроидофонов обещана поддержка WaveWorks, HairWorks, PostWorks, ShadowWorks и даже FaceWorks. Правда, пока загадка, будут ли технологии работать на всех устройствахна Android или лишь на тех, что используют чипы Tegra.

Дела будущего

Есть в арсенале VisualFX и технологии ближайшего будущего — еще нигде не засветились, но в скором времени должны появиться в некоторых играх. Одной из самых интересных среди них считается метод глобального освещения VXGI ( Voxel Global Illumination ). Он позволяет отказаться от привычных «костылей» в лице заранее сгенерированных карт освещения и рассчитывать рассеянные и зеркальные отражения в реальном времени.

При использовании VXGI видеокарта генерирует дубликат сцены, в котором вместо текстур и полигонов используются воксели (кубы заданного размера). Каждый из них выступает не только приемником, но и источником света (вспомните об отражениях). Лучи в этом случае представляются в виде конусов. С их помощью технология рассчитывает освещенность отраженным светом каждой поверхности, которую видно в кадре, после чего любым известным способом добавляется прямое освещение.

Результаты работы VXGI пока можно увидеть лишь в технодемках. Но, насколько нам известно, технологию уже прикрутили к грядущему Unreal Engine 4, на базе которого наверняка выйдет немало громких проектов.

► Судя по всему, VXGI в игровом освещении — не меньшее достижение, чем высадка человека на Луну.

Еще пара технологий будущего — FlameWorks и WaveWorks. Первая должна смоделировать в играх правильный огонь, который будет обсчитываться не как набор частиц, а как полноценный трехмерный объект, созданный с помощью вокселей. Судя по демке, очень красиво: пламя научили аккуратно обтекать объекты, испускать дым и рваться ввысь.

► В статике FlameWorks выглядит так себе, вживую — гораздо лучше.

Что касается WaveWorks, то это настоящая находка для морских симуляторов: технология воссоздает водную гладь, активно используя тесселяцию. Алгоритм генерирует правдоподобные волны и пену, учитывает направление ветра и даже показания шкалы Бофорта — воссоздать можно хоть штиль, хоть 12-балльный шторм. WaveWorks способен работать не только на домашнем компьютере, но и на удаленном сервере, что прекрасно подходит для MMO-игр, в которых одинаковые для всех игроков волны могут стать частью геймплея.

► WaveWorks дает, пожалуй, самые натуралистичные игровые волны на нашей памяти.

И закрывает раздел VisualFX впечатляющая разработка, отвечающая за отображение лиц, — FaceWorks. Многослойные текстуры и особые шейдеры позволяют добиться реализма при отображении кожи и глаз. Учитывается даже степень прозрачности эпидермиса и расположение кровеносных сосудов, а в разработке находится еще и функция отражений в глазах. В сочетании с качественной анимацией, созданной посредством захвата движений, FaceWorks обеспечивает кинематографичную графику, генерируемую в реальном времени.

► FaceWorks — это самые потрясающие трехмерные лица в истории игр. Ресурсов они, правда, жрут немерено: на GTX TITAN технодемка идет со скоростью всего 40 fps.

Ньютон и компания

Вторая часть GameWorks — PhysX — отвечает за физические явления в пятистах с лишним играх. NVIDIA продвигает PhysX уже много лет, однако у истоков этой технологии стоит компания Ageia. Программная часть стала результатом слияния движков NovodeX Physics (от одноименной компании, купленной в 2004 году) и Meqon , а для аппаратного ускорения физики было разработано PCI-устройство PPU (Physics Processing Unit). Производство ускорителей возложили на плечи партнеров в лице ASUS , BFG и ELSA.

Первые PPU поступили в продажу весной 2006 года и стоили триста долларов. Увы, тут же сказалась нехватка игр, поддерживающих PhysX. Весь потенциал новинки раскрывался лишь в технодемке CellFactor: Combat Training — сотни летающих объектов, управляемых телекинезом, казались революцией. В остальных играх PhysX прикручивался по остаточному принципу. Проект не добился успеха даже после того, как цена упала до ста долларов, но наработки Ageia приглянулись NVIDIA, и маленькая фирма вошла в состав гиганта в начале 2008 года.

► За физический ускоритель Ageia PhysX в свое время хотели триста долларов.

Под крылом «зеленых» проект, что называется, расцвел. Перво-наперво он получил массу новых эффектов. Затем NVIDIA отвязала расчеты PhysX от отдельной платы и частично перенесла их на ядра своих GPU, что естественным образом сказалось на быстром распространении новинки.

Сейчас у PhysX четыре ветки эффектов. Самая «игровая» из них — Destruction. С ее помощью все объекты в сцене можно без зазрения совести превратить в пыль или разобрать на кусочки при помощи гранатомета. В полной мере Destruction почти не применяется, поскольку требует слишком много ресурсов и слишком сильно влияет на игровой процесс. А вот следующие две составляющие, как правило, используют на полную катушку.

К примеру, во всех проектах серии Batman почти всегда задействован инструментарий Particles. Он отвечает за поведение мелких частиц (туман, пыль, осколки от взрывов) и их взаимодействие с окружением. По сути, это более честный и менее производительный вариант Turbulence, который в качестве приятного бонуса может взять на себя еще и расчет жидкостей.

В том же Batman , кстати, активно используется и второй популярный элемент, Clothing. С его помощью легко воссоздаются несколько слоев одежды, тесно взаимодействующих друг с другом и подчиняющихся законам физики и природным явлениям вроде ветра.

► Плащ Бэтмена, туман и летающие в воздухе бумажки — все это результат работы PhysX Clothing и Particles.

И завершает сборник PhysX еще одна технология ближайшего будущего — FleX. В ней NVIDIA фактически объединила все наработки PhysX. Если к какой-то игре вдруг прикрутят этот инструментарий, все жидкости, газы, одежда, липкие поверхности, а также твердые и мягкие объекты будут в ней взаимодействовать по единым алгоритмам, с наименьшим возможным вмешательством со стороны разработчиков. Сколько на это понадобится ресурсов, даже представить страшно, ведь большая часть объектов в игре будет преобразовываться в систему физически правильных частиц.

► FleX — это технология будущего, которая объединит все эффекты PhysX в единое целое.

По дружбе

Ни одна из описанных технологий (кроме OptiX и TXAA) не привязана к видеокартам GeForce. Что VisualFX, что PhysX работают и на платах конкурента. Притом первый теоретически даже должен показывать ту же производительность, поскольку основан на библиотеках DirectX. Увы, на практике на родных чипах VisualFX идет лучше, чем на решениях конкурентов.

Естественно, AMD такой расклад буквально бесит. Роберт Хэллок, глава отдела технического маркетинга, даже назвал платформу конкурента «прямой и явной угрозой для игроков». Были и менее радикальные выпады, но суть их сводится к одному: GameWorks — зло.

Неприязненную реакцию вызывает политика лицензирования NVIDIA: по умолчанию реализация отдельных компонентов VisualFX сокрыта от взора разработчиков. А значит, AMD гораздо сложнее оптимизировать драйверы под новые эффекты. Стоит ли в этом винить NVIDIA?

Наше мнение — нет. Просто так раздавать дорогостоящие технологии было бы глупо.

Виртуальная реальность

Еще одно направление в GameWorks — это VR, виртуальная реальность. О новой ветке объявили на презентации GTX 980 Ti, и сведений об этом инструментарии пока кот наплакал.

Как мы понимаем, главная задача NVIDIA сейчас — повысить частоту кадров и снизить задержки до такого уровня, чтобы владельцев шлемов виртуальной реальности наконец-то перестало тошнить. Пока известно лишь об одной технологии из стана VR — называется она Multi-Res Shading.

► Основная проблема шлемов виртуальной реальности людей начинает тошнить при падении fps и увеличении задержек. В NVIDIA с этими трудностями активно борются.

Смысл ее вот в чем. Для шлема виртуальной реальности приходится рендерить сразу две картинки, что сжирает массу ресурсов. При помощи MRS нагрузку на видеокарту удается немного снизить.

Инженеры пошли по своеобразному пути. Они заметили, что линзы, стоящие перед экраном, частично съедают полезные данные. Они дают фокус только на центр изображения, по краям заметно сжимая картинку. На этом «эффекте лупы» и сыграли в NVIDIA. Ту часть изображения, что гарантированно будет испорчена линзами, видеокарта рендерит во в два раза более низком разрешении, экономя кучу ресурсов.

* * *

Ставить точку в рассказе о GameWorks пока рано, программа слишком молода, однако выделить основные тенденции можно уже сейчас. Во-первых, NVIDIA идет в правильном направлении. Новые эффекты, зрелищная графика, честная физика — все это при желании разработчиков может здорово изменить игры как с эстетической, так и с геймплейной точки зрения.

Зачем это нужно NVIDIA? Затем, что чем больше будет выходить мощных и, главное, тяжелых проектов, тем скорее и охотнее мы с вами начнем переходить на новые и более сильные видеокарты. А из этого следует второй вывод.

NVIDIA сильно выигрывает по итогам, ведь на платах AMD эти вкусности работают заметно хуже. Хорошо это или плохо, пока рано судить. Возможно, такой расклад подтолкнет AMD к разработке собственных аналогов или к поиску компромисса. А возможно, на рынке в конце концов останется только один игрок — NVIDIA. Но винить за это «зеленых» не стоит. Как ни крути, а во всей этой кутерьме в выигрыше будем мы с вами — ведь игры станут краше и реалистичнее.