Co to jest antyaliasing i DLSS? – czyli o ustawieniach graficznych w grach wideo

Cieniowanie i oświetlenie

Kiedyś cienie były głównym powodem, dla którego na ekranie oglądaliśmy tak zwany pokaz slajdów, szczególnie w momencie implementacji cieni dynamicznych. Dziś, ze względu na ciągle rosnącą moc obliczeniową sprzętu, efekt ten nie robi na sprzęcie już takiego wrażenia. W grach pojawiają się dwa rodzaje cieni. Jedne na najwyższych ustawieniach są ostre (cienie twarde), a inne miękkie. Niezależnie od tego, im wyższe ustawienie w grze, tym wyższej rozdzielczości cienie. Dodatkowo ustawienie dzieli się na kilka pomniejszych – na przykład zasięg widoczności, w której pojawia się wyraźna granica między jakością cieni kaskadowych (Cascade Shadow Maps). Algorytm dzieli scenę dużych obszarów na mniejsze. Im bliżej kamery, tym cienie są bardziej zdefiniowane. Opcja na wyższym ustawieniu powoduje, że granica jakości kończy się nieco dalej niż na ustawieniu niższym. Nadal niestety nie jest stała, a gdzieś na horyzoncie możemy taką linię obserwować niezależnie od ustawień graficznych.

Z miękkimi cieniami w przeszłości pojawiało się wiele problemów, bo algorytmy map cieni nie są perfekcyjne jeżeli chodzi o grafikę rastrową i tak naprawdę nawet dziś nie są idealne. Zarówno NVIDIA jak i AMD wprowadzały niewielkie usprawnienia tworząc własne algorytmy gotowe do implementacji – na przykład NVIDIA PCSS (Percentage-Closer Soft Shadows), który bazuje zarówno na wprowadzonym 1978 roku Shadow Maps, jak i PCS (Percentage-Closer Filtering). W przeszłości mogliśmy tę technikę obserwować na przykład w Assassin’s Creed Unity czy GTA V.

Ray tracing cieni

W tym momencie, cały na biało, na scenę wchodzi ray tracing. W tej technice uzyskanie umbry i penumbry przy cieniach w grach, jest znacząco ułatwione względem zwykłych map cieni i ich zaawansowanych algorytmów, ale jesteśmy aktualnie na etapie, który oglądaliśmy w przeszłości – ustawienie jest zbyt obciążające, nawet dla najmocniejszych kart graficznych na rynku. Takie cienie możemy zaobserwować w grach takich jak Shadow of the Tomb Raider czy Cyberpunk 2077 i są one generowane tylko blisko kamery oraz dodatkowo dzielone (połączenie rasteryzacji ze śledzeniem promieni). Minie jeszcze wiele lat zanim ujrzymy w grach pełnoprawne cieniowanie z wykorzystaniem ray tracingu.

SSAO, HBAO, HDAO, czyli okluzja otoczenia - co to jest?

Okluzja otoczenia (Ambient Occlusion) w grach komputerowych to kolejna metoda cieniowania obiektów, nadająca całej wyrenderowanej wcześniej scenie głębi. Szacując stopień zacienienia, algorytm wylicza wystawienie danego obiektu na oświetlenie rozproszone. Okluzja otoczenia jest z nami już od ponad 13 lat i od tamtego okresu doczekała się jedynie niewielkich, kosmetycznych zabiegów. Aktualnie w grach pojawia się SSAO (Screen Space Ambient Occlusion), czyli okluzja otoczenia przestrzeni ekranu oraz HBAO – usprawniona wersja pierwszego algorytmu opracowany przez NVIDIĘ. SSAO, pomimo bolączek bycia rozwiązaniem przestrzeni ekranu, jest wykorzystywane w praktycznie każdej grze na rynku.

I oczywiście znowu przychodzi pora na ray tracing. Okluzja otoczenia w śledzeniu promieni (zdjęcie powyżej) jest znacznie bardziej precyzyjną techniką generowania zacienienia, a jest to szczególnie widoczne na zakończeniach aktualnie generowanej sceny. W przeciwieństwie do SSAO czy HBAO, cienie nie są urywane na skrajach, bo algorytm potrafi wyliczyć zacienienie przez obiekty znajdujące się poza kamerą. Ray tracing w okluzji otoczenia pojawił się natywnie w silnikach Unreal 4, jak i Unity.

Oświetlenie

Oświetlenie średnie (lewo) vs Ultra (prawo)

Oświetlenie w grach przeszło w ostatnich pięciu latach istną metamorfozę. Wraz z wprowadzeniem do gier renderingu bazującego na fizyce (Physically Based Rendering), materiały użyte w silniku w końcu zaczęły zachowywać się jak w prawdziwym życiu. Metalowe obiekty mogą zarówno światło odbijać, jak i rozproszyć, zależnie od ich chropowatości. W ten sposób, już na start, uzyskano znaczący skok podczas generowania realistycznej grafiki, bo nagle nie mieliśmy wrażenia, że wszystkie obiekty są oświetlone w dokładnie ten sam sposób (jak na przykład w Wiedźmin 2). Same techniki cieniowania czy oświetlenia również nie pozostały w tyle. Pierwszą grą, która powstała bazując na nowym modelu oświetlenia. wyszła spod szyldu Ubisoftu - Assassin’s Creed Unity. Mogliśmy tam zaobserwować szczegółowe odbicia od omawianych materiałów, ale także pierwsze odbicia kolorystyki obiektów z globalnego oświetlenia. Przykładem może być rzucanie światła na czerwony obiekt, a ten później je odbija w stronę przeciwległej ściany, rzucając na nią swój czerwony odcień.

Dziś globalne oświetlenie jest z nami praktycznie w każdej szanującej się produkcji wysokobudżetowej. Dodatkiem jest jednak – znowu - ray tracing. W Cyberpunk 2077 i Metro Exodus: Enhanced Edition, możemy zaobserwować prawdziwy przełom w generowaniu globalnego oświetlenia. Ilość odbitego światła obiektów została znacząco zwiększona, co dodaje scenie niespotykanej dotąd głębi i charakterystyki. Tak jak wcześniej wspominałem o rzucaniu kolorów danych obiektów na rzeczy znajdujące się obok przy zwykłej rasteryzacji, tak śledzenie promieni generuje kolejne takie odbicia. Barwy mieszają się ze sobą, tworząc realistyczną grafikę.

Wyższe ustawienia oświetlenia znacząco obciążają kartę graficzną. Na przykład w Red Dead Redemption 2, ustawienie oświetlenia na ultra powoduje, że na scenie zaczynają się pojawiać dodatkowe źródła światła (na przykład światło księżyca na drodze czy domach lub kolejne światła z lamp). Efekt robi oczywiście dobre wrażenie, ale nie odbywa się to darmowym kosztem. Aktualnie oświetlenie jest jedną z najbardziej zasobożernych opcji w grach wideo i jeżeli nie masz w zanadrzu mocnej karty graficznej, powinieneś pomyśleć o obniżeniu jej w pierwszej kolejności – nawet pomimo znaczącej różnicy w grafice.

Dodatkiem jest także oświetlenie wolumetryczne (ang. Volumetric Lighting). Jest to technika symulowania rozproszonego światła na cząsteczkach – na przykład kurzu czy mgły. Przenikające przez korony drzew światło również jest takim efektem, choć w tym wypadku znamy go pod inną nazwą – God Rays.