Движение к фотореализму, или Как эволюционировала графика в видеоиграх

Видеоигры — относительно молодая разновидность развлечений (или искусства?), старт которым дали в середине прошлого века. Но при этом визуально они успели измениться едва ли не сильнее «одноклассника» в лице кинематографа. Все дело в постоянно улучшающейся графике, прошедшей путь от примитивных двумерных до сверхреалистичных трехмерных моделей. Ниже, пускай и в краткой форме, рассказываем про основополагающие вехи развития графики в играх. Большую часть текста можно озаглавить так: движение к фотореализму.

«Первая видеоигра в истории»

«Видеоигра (англ. video game) — игра с использованием изображений, сгенерированных электронной аппаратурой. Другими словами, видеоигра является электронной игрой, которая базируется на взаимодействии человека и устройства посредством визуального и физического интерфейса, например, телевизора, монитора компьютера или телефона». Такое относительно незамысловатое определение предлагается в сети. Если углубиться, выяснится, что одной из первых видеоигр в истории считается ракетный симулятор, или же «развлекательное устройство на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ)». Заявку на патент выдали в 1947 году.

Схема устройства из патента

Впрочем, к «видеоиграм» — да, речь про аппаратно-программный, а не только софтверный комплекс — устройство относится опосредованно. Ракетный симулятор не имел растрового типа изображения, которое характерно для мониторов или телевизоров. И тем не менее первой (или одной из первых) игрой в истории индустрии считается именно он.

Можно вспомнить, к примеру, «Теннис для двоих» 1958 года, экраном для которой выступал осциллограф — специальное устройство наблюдения за амплитудными и временными параметрами электрического сигнала. Дисплей использовался утилитарно, на него выводились только поля и «мячики». Последние, впрочем, скорее приходилось дорисовывать человеческому воображению. «Девайс» был настолько примитивен, что не отображал ракетки.

Начало расцвета видеоигр в современном понимании приходится на 1970-е с появлением игровых автоматов. Так, например, аркадную теннисную Pong от компании Atari (1972 года) называют первой в истории коммерчески успешной видеоигрой. А всего через год, в 1973-м, вышла Color Gotcha — первая цветная видеоигра. Причем это имело не только нарративное, но и геймплейное значение: цвет между статичными и движущимися стенами в поле, в котором один игрок преследовал другого, различался.

Выше — геймплей Pong.

В общем, отличающиеся цвета помогали игрокам принимать правильные решения, но до полноценного перехода игр «в цвет» было еще далеко.

Растровая графика для культовых 8- и 16-битных игр

Уже в те времена разработчики осознавали важность создания трехмерного игрового мира, но «железо» семидесятых этого не позволяло. Хотя выкручиваться из ситуации кустарными способами пытались. Так, видеоигра Maze War (1973) значится первым шутером от первого лица с воссозданной перспективой, благодаря чему геймеру предлагали относительно свободно перемещаться по абстрактному лабиринту.

Maze War

Позже Maze War разработали в версиях как для векторных, так и растровых экранов. Растровая двумерная графика работает на базе сетки пикселей, каждый из которых отличается определенным цветом, насыщенностью и яркостью. Из таких пикселей, как из мозаики, и собирается финальное изображение. Правда, минус в лице «лесенок» на границах каждого из объектов победить долгое время не удавалось.

Тем не менее на основе растровой графики разработали множество культовых 8- и 16-битных игр. Среди таковых Pac-Man (1980) и Super Mario Bros. (1985). Обе по степени влияния можно сравнить с изобретением парового двигателя. Коротко:

Выше — геймплей Pac-Man.

• Pac-Man стала основателем жанра «Погоня в лабиринте», реинкарнации которой популярны и сегодня. В оригинале было 255 уровней, по ходу прохождения которых игроку предлагалось управлять «колобком», залезшим в кишащую недоброжелательной нечистью фауну.

• Super Mario Bros. попала в Книгу рекордов Гиннесса как одна из самых продаваемых игр в истории — порядка 40 миллионов копий. Геймерам предлагалось управлять усатым водопроводчиком Марио в комбинезоне и кепке, а еще его братом Луиджи. Позднее жанр, в котором персонажи двигаются в двумерной плоскости, уклоняясь от врагов и перемещаясь не только горизонтально, но и вертикально (прыжками), назовут платформером.

Что такое спрайты

Важно: оба проекта были полностью цветными. Для начала 1980-х, если не брать в расчет упоминаемый Color Gotcha, это оставалось вау-фактором, ставшим возможным в том числе за счет увеличения производительности аркадных автоматов. Цвет изменял игровой процесс: в Pac-Man, например, призраки разных цветов отличались поведением.

Для создания движущихся элементов вроде тех же призраков применялись спрайты, или двумерные изображения. 50 лет назад их приходилось рисовать вручную, а после переносить в цифровой формат. Персонажей для Super Mario Bros. изображали на целлулоиде, раскрашивали и лишь потом оцифровывали. Хотя технические ограничения, особенно на первых этапах, присутствовали: сканеры использовались не всегда. Отсканированные изображения занимали слишком много места, к тому же были чересчур дорогими.

Пример спрайтов на бумаге для Pac-Man

Со временем спрайты становились все детализированнее. Файтинг Street Fighter II (1991) одним из первых показал персонажей, проработанных на относительно достойном даже по сегодняшним меркам уровне. На это в том числе влияли собственные тени. В Mortal Kombat (1992) в спрайтах персонажей использовались оцифрованные кадры, что придавало дополнительный реализм.

Выше — геймплей Mortal Kombat (1992).

Как 3D-технологии изменили все

Следующим важнейшим витком развития стал практически повсеместный переход к полноценной 3D-графике, о которой мечтали еще с 1970-х годов (помните Maze War?). Правда, ждать понадобилось долго: первые тайтлы с трехмерной анимацией появились в 90-х годах XX века. Если коротко, то в основе 3D-моделей лежит полигональная сетка, или набор из определяющих форму модели треугольников. Если их закрасить, получится непрерывная поверхность, поверх которой можно «надеть» необходимую текстуру. Чем больше подобных треугольников, тем лучше — в упрощенном виде такое объяснение релевантно и для современных проектов.

Wolfenstein 3D

Среди знаковых игр начала 1990-х выделяются, например, Wolfenstein 3D (1992) и Doom (1993). Несмотря на то, что полноценно перемещаться по открытому окружению игроку давали, объекты вокруг были созданы из двумерных спрайтов. Вскоре разработчики осознали: без полноценных моделей освещения достичь более высокого уровня реализма вряд ли получится.

Но на это требовались значительные вычислительные ресурсы — проще говоря, пришлось ждать еще несколько лет, пока «железо» компьютеров и в особенности игровых приставок достигло определенного уровня по производительности. Хотя это того явно стоило: в Quake (1996) летящие снаряды освещали окружение в реальном времени.

Сглаживание, освещение, HDR, ретрейсинг

С течением времени стали появляться все новые технологии, улучшающие определенные графические аспекты игр. Например, можно выделить антиалиасинг, который сглаживает «лесенки» на границах объектов. Ниже пример из знаменитой Half-Life 2 (2004). Сегодня технология насчитывает с десяток разновидностей.

Еще через несколько лет в ход пошла модель затенения ambient occlusion, значительно улучшающая общее освещение. Эта модель позволяет рассчитывать интенсивность, с которой свет доходит до поверхностей. Не менее известный Crysis (2007 года) подтормаживал на множестве ПК в том числе из-за этого.

Наконец, в видеоигры пришла технология HDR, расширяющая диапазон яркости объектов. Если упростить, то на одном экране сразу способны отображаться как очень темные, так и светлые сцены. Впрочем, и сам телевизор (монитор) должен поддерживать эту функцию.

Среди инноваций последнего десятилетия можно остановиться на методе фотограмметрии. Он позволяет разработчикам сфотографировать реальный объект с нескольких ракурсов, программно их соединить и таким образом получить еще более фотореалистичный объект. Не меньшее внимание уделяют рейтрейсингу, или трассировке лучей: технология дает возможность имитировать поведение лучей света и их отражение от других объектов в реальном времени.

Что будет дальше?

Вероятно, качество графики в крупных ААА-проектах продолжит расти, все больше приближаясь к упоминаемому несколько раз фотореализму. Последнее, кажется, стоит во главе угла у большинства студий и разработчиков, занимающихся игровыми блокбастерами. Разрешение, количество и качество полигонов, визуальных эффектов, освещение — ожидать развития этих элементов точно стоит. Впрочем, уже не настолько быстрого, как это было на рубеже веков или переходе от PS3 к PS4. Скорее всего, мы уже пришли к тому уровню, при котором степень визуального погружения в играх и так достаточно высока.

Minecraft

Хотя без но обойтись вряд ли выйдет: в гонке за максимально реалистичной графикой могут участвовать не все девелоперы — процесс не только (или даже не столько) трудный, но и высокозатратный. Проще говоря, инди-студии иногда намеренно уходят от «фотореализма» к на первый взгляд упрощенной графике. Но это позволяет им создавать миры с собственной уникальной эстетикой.

Источник