GTA Vのディテール、反射、ポストエフェクト

翻訳者から：



この出版物は、 「GTA Vでのフレームのレンダリングはどうですか」 という資料の続きです 。 ここで、著者はフレームのディテール、照明、および後処理の問題を検討します。 良い読書をしてください。

詳細レベル

競合他社に対するロックスターの絶対的な利点について話している場合、同社の製品の詳細レベルは間違いなく賞賛に値しません。 ロスサントスは、さまざまな詳細度/ポリゴンのさまざまなシーンの銀河全体であり、すべてのデータがリアルタイムでブロードキャストされます。これにより、ロード画面が1分間ブロックされることはありません。 息をのむようなだけです！

シティライツ

遠くに見えるすべてのライトは本物です。 近くを運転すると、遠くから光を放つライトを見ることができます。

この声明で、ロックスターノースの創設者およびアートディレクターの1人であるアーロンガーバットは、PS3でのゲームのリリースの直前に作られました。



そうですか？ この夜景を見てみましょう。





「前に」点灯

ご注意 交通！





ライトの後



それは次のとおりです。小さな光点はすべて、以下に示すような小さな32x32テクスチャの形で視覚化されたクワッドです。





それらはすべてシーンジオメトリのフレームワーク内で緊密にグループ化されていますが、これらはまだGPUが処理しなければならない数万のポリゴンです。





明かり





ライトの青写真





深度テスト（合格/失敗）



また、静的なジオメトリだけでなく、車のヘッドライトも道路に沿って移動します。画像はリアルタイムで更新されます。 もちろん、遠く離れた場所では、車のモデルを完全に視覚化することは意味がありません。2つのヘッドライトだけで動きの錯覚を作り出すことができます。 しかし、光源の1つに近づくと、詳細度が上がり、自動車の本格的な画像が得られます

低ポリグラフィックグリッド

前に分析したフレームに戻ります。 一部のかなり大きな領域は、1回の描画呼び出しで処理されます。 したがって、特に、この画像で丘をレンダリングする場合は次のとおりです。





レンダーチームへの1回の電話でヒル



遠くにあるこの小さな丘は何ですか？



実際、Vinewood Hillsは決して小さくありません。 これは、数十平方キロメートルの広大な地域で、何十もの家屋やその他の建物があります。



丘の頂上には、ガリレオ天文台、シシウス劇場、およびバインウッド湖があります。 これらのサイトをすべて作成するには、それらを詳しく見るか、単に追い越すことができますが、何千もの描画呼び出しと無数のポリゴンが必要でした。



しかし、私たちの場合、このゾーンは遠く離れているため、低ポリゴンバージョンで表されます。1回の描画呼び出しで、約2,500個の三角形が含まれます。





ヴィンウッドヒルズローポリモデル



レンダリングは、拡散テクスチャデータを処理する1つのグラフィックグリッドを使用して行われます。 グラフィックグリッドを低ポリゴンバージョンに変換するための何らかのメカニズムがあったとしても、プロセスを完全に自動化することは不可能です。したがって、Rockstar 3Dアーティストが1日以上すべてを手動で調整しなければならないとしても驚かないでしょう。



単一の描画呼び出しでの同様のレンダリングの別の例は、都市のいくつかのブロックを結合したリトルソウルエリアです。





リトルソウルの低ポリモデル



仮想世界の低ポリゴンモデルを手元に持っていると、反射のテクスチャを視覚化するのがはるかに簡単になります。これには、粒度や高解像度は必要ありません。 1つの詳細レベルのゲームの場合、キュービック環境テクスチャのリアルタイム処理は、多くの場合、非常に高価であるか、使用されるさまざまな幾何学的形状により不可能ですらあります。

ゲームリソースの提供

GTAで行われているように、詳細レベルの異なる仮想世界のいくつかのバージョンを作成することは、困難で非常に骨の折れる作業です。 しかし、目標を達成したとしても、まだ途中にとどまっているように見えます：ギガバイトのモデルとテクスチャをハードドライブに置くことができますが、RAMにロードする適切な方法が見つかるまで、それらはすべて無料ですGPUのメモリに。



GTA Vは、マップ内を移動するときにモデルとテクスチャをロード/ダウンロードすることにより、リアルタイムでゲームリソースを提供します。 さらに、このコンテンツをリアルタイムで使用し、同時に中断することなくゲームを楽しむことができるというのは本当に印象的です。

技術的な観点から見ると、最も困難なことは、必要な情報をコンソールのメモリに収めることで、それが表示どおりにスムーズに機能するようにすることでした[...]。 より多くの翻訳とコンパイルができるため、GTA 4よりも高いレベルの詳細を提供できます。

アーロン・ガーバット



もちろん、このデータ転送メカニズムには制限もあります。たとえば、キャラクターを選択すると、カメラがマップのあるセクションから別のセクションにジャンプします。この場合、システムが過負荷になり、非常に論理的に、新しい条件でナビゲートするのに5秒かかりますおよびスイッチ。 しかし、GTA Vでは、アニメーション/翻訳ウィンドウが近づいたり、後退したりすることで、このような移行が非常に効果的に行われたため、画面のロードはまったく感じられません。



原則として、運転するときの速度は十分に低いため、データ転送システムのスループットにより、利用可能な更新を徐々に読み込むことができます。 もう1つは飛行機です。ストリーミングシステムの標準により、移動速度が速すぎるため、実際に使用されているインジケーターに比べて速度を大幅に下げる必要がありました。 さらに、飛行シーンに対応するグラフィックグリッドの詳細レベルは、歩行/運転の場合よりもはるかに低く、データ転送も容易になります。 ただし、ゲームリソースが新しい更新を要求する場合、前述のトリックに頼らなければならない場合があります。 特別なオプション「飛行中の高解像度データ送信」がPCバージョン設定に追加されました。

リフレクション

前に分析したシーンにはあまり水がなかったので、例として次のシーンを使用して、流域または海の視覚化について説明します。





プール



すでに見たように、シーンは標準スキームに従ってレンダリングされます。環境のキュービックテクスチャが生成されます。基本的に、環境を反映するオブジェクトを視覚化するために必要です。



これは、水をレンダリングする前のシーンの様子です。





水レンダリング前



水面の視覚化は、立方体のテクスチャの作成とは関係のない別のストーリーです。

反射マップ

最初に、「平面反射」マップが生成されます。 また、240x120の非常に低い解像度で、プロセス自体はキュービックテクスチャを生成するプロセスに似ていますが、今回はラダーとキャラクターがあるバッファーが1つだけ作成されます。







シーンは上下逆さまに視覚化され、対称性を適用した後にのみ、正しい反射を得ることが可能になります。

屈折マップ

画像の一部（水面のある領域）が抽出され、屈折マップを作成できます。 このおかげで、屈折効果はその後模倣されます：水中からの輝き。



この段階で、「水の不透明度」（より深いほどより深い陰影）とコースティクスに青が追加されます。 マップの最終バージョンは、同様のバッファーの半分のサイズです。





ベース





屈折マップ

組み合わせ

さまざまなバッファを結合するために、プール内の水の表面として機能する長方形のポリゴンが描画されます。 レリーフのテクスチャが与えられると、ポリゴンの法線はピクセルごとにシフトされ、わずかな波紋をシミュレートします。



海洋の場合、法線はシフトされず、単一フレームのグラフィックグリッド全体が上に描画され、波の動きをシミュレートします。



個々のピクセルの法線が与えられると、ピクセルシェーダーは異なるポイントでの反射マップと屈折マップのパフォーマンスを分析し、座標はフレネル方程式を使用して計算されます。





反射マップ、屈折マップ、バンプマップ





水をやる



その結果、次の画像が得られます。





水の後



結果は快適です。 波紋効果と組み合わせて、水は非常にリアルに見えます。

鏡

鏡は水と同じように視覚化されます。 この状況では、ミラーは光を反射するだけで、ここではその屈折を考慮する必要がないため、すべてがさらに単純になります。





鏡面反射



水とは異なり、ミラーの表面は完全に平らで動かないため、オブジェクトの非常に低い解像度を隠すのはそれほど簡単ではありません-テクセルは非常に見えます。 設定の反射パラメータを増やすことで、より高い解像度が得られます。



反射マップを作成するには、シーンをレンダリングする追加のステージが必要ですが、これは簡単なタスクではありません。 ミラーが出入り口に見えない場合、またはプレーヤーがドアから遠すぎる場合（この場合、ミラーは黒い正方形に似ています）、エンジンはこのプロセスを開始できません。

ヘッドライト

各フレームの最初に生成される環境マップには、キャラクターも車もありませんが、主要な建物と風景だけがあります。



この場合、次のスクリーンショットの車のヘッドライトは濡れたアスファルトにどのように反映されますか？





ヘッドライトの反射



パート1で分析したフレームでは、日があったため、これは明らかではありませんでした。 しかし、実際には、すべてのバッファーを組み合わせた後、ヘッドライトが1つずつ描画されます。 各電球について、濡れたアスファルトなどの光沢のある表面からの強い反射を含め、他のグラフィックグリッドに放出される光の量が計算されます。





ヘッドライト0％





ヘッドライト50％





ヘッドライト80％





ヘッドライト100％



各光源について、独自のグラフィックグリッドが描画されます。最初はセルラーの八面体のように見えますが、その後、頂点シェーダーはライトハローの形状に一致するようにグリッドを変更します。



このグラフィックグリッドはテクスチャではなく、ピクセルシェーダーを適用できるように、ライトハロー内のピクセルをグループ化するのに役立ちます。 シェーダーを使用すると、ピクセルの深さ、光源までの距離、法線、ミラー/光沢プロパティの有無に応じて、照明を動的に計算できます。



以下に、ランタンで道路の照明を計算するために使用されるグラフィックグリッドの設計図を示します。





メッシュ化前





メッシュ化後



このことを考慮すると、遅延シェーディングの1つの大きな利点は、直接シェーディングと比較して明らかになります。実際には、特定のオブジェクトに照らされたピクセルのみを処理するピクセルシェーダーの助けを借りずに、シーン内で多数の光源を視覚化できます。 直接シェーディングを使用すると、フレームのフラグメントに対する複数の光源の効果を、それが点灯していない場合や、別のフラグメントによって重なっている場合でも、一度に計算する必要があります。



そして、あなたはまだ私のレビューを読んでいるので、ポストエフェクトの最後の部分に進むことを提案します。

後処理効果

シーンが完成した後、ポストエフェクトを適用して、細部の品質を改善し、調整を行い、新しい雰囲気を作成します...



パート1では、個々のポストエフェクト、特にグロー、スムージング、およびトーン圧縮がどのように重ねられるかを確認しました。 今日は、GTA Vで見つかった他の効果について話しましょう。



グレアとライトストライプ



時々、光が実際のレンズを通過するとき、光線の散乱と内部屈折が歪みにつながります。



この記事では、明るい光源と画面の中心によって形成される1つの軸に沿ったいくつかの明るいスポットを「グレア」と呼びました。 「ライトストリップ」もあります-光源からの光線。 この種の歪みは映画では非常に一般的であり、それらがゲームに登場すると、特定の「映画のような」効果が作成されます。





グレアとライトストライプ



原則として、このような効果を視覚化する2つの方法が使用されます。

• 画像に基づいて：最も明るい領域が強調表示され、その後複製されて歪められます。 このオプションは、任意の数の明るい光源に適しています。
• スプライトベース：位置が手動で変更されるテクスチャスプライトを追加します。 各光源は個別に処理する必要がありますが、アーティストにはハイライトや光の筋の形、色、強度を変更する機会が与えられます...

GTA Vでは、両方の方法が関係します。画像を使用する方法では、フレームの左下隅に薄い青いハローを追加できます。 本質的に、これは輝度バッファの内容の対称的な反射です。 しかし、このシーンで最も顕著な歪みは、太陽で生成されたスプライトを操作したために現れます。 最初に、太陽の周りの12の反転した四角形を視覚化することにより、ライトストリップが追加されます。 次に、70のスプライトが軸に沿って「太陽-スクリーンの中心」に描かれ、グレアが生じます。 太陽の下でカメラを回転させると、効果がより強くなります。





ベース





ベース+光の縞





ベース+光の縞+ハイライト





ベース+光の縞+グレア（超高感度設計図）



エンジンはいくつかのスプライトを使用して、さまざまなレンズの歪み効果をシミュレートします。





歪み効果



そして、結果として、次の結果が得られます。





ベース画像





ベース画像+グレア





基本画像+レンズフレア（設計図）



GTA Vでは、細部に多くの注意が払われており、まぶしさも例外ではありません。サイズはカメラの口径に比例します。 そのため、突然太陽を見ると、グレアが最初に増加し、次にダイヤフラムが狭くなるとすぐに減少します。 以下のアニメーションは、この機能を完全に示しています。



また、一人称モードに切り替えると、グレアがほとんどなくなるのも楽しいことです。これは、カメラのレンズを通してではなく、人の目ですべてを見ることができるからです。





広口径





狭い開口

アナモルフィックレンズ

夜またはマップの暗い領域でプレイする場合、アナモルフィックレンズの効果がモデル化されます。長い縦または横、通常は青のストライプです。 最近、アナモルフィックレンズからのマイナーストリップは、新しいSF映画によく登場するため、ハリウッドの練習で広く使用されるようになりました。



ここでは、先ほど調べた太陽光線の場合と同様に、スプライトを使用して効果を実現しています。 確かに、車のヘッドライト、カメラに直接向けられた光源など、非常に明るい場所でのみ使用されます。





アナモルフィック効果「To」





アナモルフィック効果「後」

被写界深度

映画では、以下に示すシーンは少し「人工」に見えます。すべてが鮮明すぎますが、映画では背景の風景が焦点が合っておらず、わずかにぼやけています。





ベース画像



被写界深度（DoF）を追加するだけで、焦点が合っていない画像の領域をぼかします。



どうやってやるの？ 最初に、深度マップに基づいてぼかしマップ（ CoC ）が生成されます。 焦点が合っていないピクセルの数を計算し、それに応じて、今後のぼかしの度合いを設定できます。 個々のピクセルのCoC値は、カメラまでの距離（深度）とレンズパラメーターのみに依存します。



ただし、GTA V CoCでは-1〜1の値が割り当てられているため、ピクセルがレンズの前にあるか、フォーカスエリアの後ろにあるかを確認できます。 たとえば、フォーカスをはるかに超えるピクセルにはCoC 1が割り当てられ、カメラに非常に近いオフフォーカスピクセルは-1に設定されます。 0に近いインジケータは、ピクセルが実際にぼやけていないことを前提としています。



数値とは何ですか？



これは、適切な被写界深度を達成することはそれほど単純ではなく、シーンにぼかし効果を適用することで多くの要因を考慮する必要があるためです。



たとえば、背景の焦点が合っていないピクセルが、その前の焦点からの隣接ピクセルと重ならないようにします。 しかし、逆の問題がある場合はどうなるでしょう：ぼやけた前景ピクセルがその背後にある明確なフラグメントに重なる必要があります。 ピクセルのぼかしに関しては、問題は「ぼかしの程度」ではなく、近くのフラグメントも分析する必要があります。これは、調査対象のピクセルの前後、外部および焦点の両方にあります。CoC値の数値形式は顕著です。タスクを容易にします。



以下のCoCマップでは、CoC> 0の緑のチャネルとCoC <0の赤のチャネルを使用しました。





深度マップ





CoCカード



そのため、CoCマップを調べた後、黒で強調表示されたレスターに焦点が合っており、前景のフランクリンと背景の風景に焦点が合っていないことが明らかになります。





CoCフォアグラウンドブラーマップ



次に、エンジンは「焦点が合っていない前景領域」のみを選択します。CoCが0未満のすべてのテクセル。 このCoCの前景マップは、最初に水平方向に、次に垂直方向に計算シェーダーを使用してぼかします。



なんで？ フランクリンのピクセルのCoC値は約0.7ですが、焦点が合ったそのすぐ後ろのベンチでは0です。ぼかしが完全になったため、フランクリンの画像はかなりぼやけて見え、ベンチは鮮明なままです。さらに、フランクリンの右手の隣の領域は奇妙に見えます。はっきりとぼやけた手から非常に明確なベンチラインへの急激な移行が得られます。 硬い境界線は非常に目立ちます...障害、輪郭はシームレスに接続し、フランクリンのピクセルは隣接するピクセルとわずかに重なります。



これが、このCoCぼかしカードが必要な理由です。CoCカードの粗さを滑らかにし、前景ピクセルの焦点が正しく合っていないことを確認します。



これで、被写界深度を計算するために必要なものがすべて揃いました。 以前は、ぼかしの程度は、より低い解像度のピクセルシェーダーを使用して、水平方向と垂直方向に別々に計算されていたため、より正確な結果が保証されていました。 GTA Vチームは、メソッドを2つのフェーズに維持することを決定しましたが、元の解像度で必要なすべての操作を実行し、パフォーマンスの低下を避けるために、ピクセル1ではなく計算シェーダーを使用することを決定しました。



また、 計算シェーダーは広い領域をぼかすのに簡単に適応できるため、これは合理的です。 そのため、ピクセルの「ぼかし」の最終値を計算するとき、その色は隣接するピクセルに依存します（ピクセルのCoCに依存します）。誤ったコンパイルの可能性がある場合、後者の一部は除外されます。





ベース、深度、CoCカード、およびぼやけた前景CoCカード



計算シェーダーを使用して二重ぼかしを使用すると、次の画像が得られます。





被写界深度「To」





被写界深度「後」



この効果は、映画のように、監督がキャラクターに注意を引くためにキャラクターにカメラの焦点を合わせたとき、フレームに寸法のまったく異なる認識を与えます。

おわりに

もちろん、考慮できる他の後処理効果もありますが、GTA Vに関するこの一連の記事は、私が計画したよりもはるかに大きいことが判明したようです。



ヘイズの模倣、深さの光の散乱（明るい領域が隣接する領域と重なる場合があり、対応するグラフィックグリッドが手動で追加される場合があります）またはモーションブラー（混合アプローチのように、カメラの動きの方向でのみブラーが実行される場合、テンプレートバッファーによるプレーヤーピクセルは除外されます）マスクとして）。



キャラクターが死んだときの「浪費された」画面は、純粋なポストエフェクトでもあります。メインレンダリングが完了した後、シーンがぼやけてグレーで塗りつぶされ、ビネットが適用され、映画のように粒状感が追加され、最後におなじみのテキストがこのすべての上に描画されます。



ビデオゲームの世界で真の基準点となった製品をRockstarがどのように作成できたかを理解するのに、少しでも助けていただければ幸いです。 無限の宇宙、プレゼンテーションの詳細、細部へのこだわり、そして旧世代のコンソールでゲームを実行する機能により、GTA Vは素晴らしいプロジェクトになりました。