Оптимизация в 3D-графике: максимум качества, минимум ресурсов

Простым языком про оптимизацию 3D-графики. Как художники и разработчики видеоигр добиваются лучшего качества изображения при минимальных затратах системных ресурсов. Разберём ключевые принципы оптимизации и технологии, которые лежат в их основе.

Процесс оптимизации включает множество методов: от упрощения геометрии моделей до алгоритмов обработки текстур, освещения и теней. Оптимизация важна не только при разработке видеоигр, но также при работе с виртуальной реальностью, архитектурной визуализацией и созданием визуальных эффектов.

Эффективная работа с 3D-графикой начинается с понимания того, как системы обработки данных, такие как GPU и CPU, справляются с рендерингом сложных сцен. Визуализация каждого объекта, будь то персонаж или окружение, создают нагрузку на систему. Чем сложнее сцена, тем больше ресурсов требуется для её обработки. Возникает вопрос: какую роль играет GPU и CPU в рендеринге?

GPU (графический процессор) — основной инструмент обработки графики. Через него проходят огромные объёмы данных, связанных с геометрией, текстурами и освещением в 3D-сцене.

CPU (центральный процессор) отвечает за выполнение физических симуляций, расчёт поведения объектов и управление общей логикой.

Нерациональное распределение нагрузки между этими двумя компонентами системы снижает производительность. Каждый 3D-объект состоит из множества полигонов — чем их больше, тем сложнее обработка. Для рендеринга сложных моделей нужно мощное оборудование, а также грамотное использование ресурсов. На помощь приходят методы оптимизации, которые позволяют уменьшить количество полигонов, сохранив при этом визуальное качество.

Когда создаётся high poly* модель методом скульптинга или моделированием, например, под Sub-D**, она зачастую состоит из множества полигонов. Такое количество полигонов подходит для детализированного рендера или создания карт нормалей. Но совершенно неприменимо для какой-либо работы с ней, будь то в играх или анимациях. Высокая сложность геометрии требует огромных вычислительных ресурсов, что делает такие модели практически неприменимыми в реальных проектах.

* High Poly — модели с большим количеством полигонов, которые используются для передачи мельчайших деталей. Они нужны для создания текстур и фотореалистичных рендеров. Из-за высокой нагрузки на GPU такие модели нельзя использовать в реальном времени. Поэтому после создания модели high poly всегда следует этап оптимизации.

** Subdivision Surface (Sub-D) — метод сглаживания геометрии, при котором каждый полигон делится на более мелкие, а форма модели становится более плавной. Моделирование под Sub-D предполагает создание упрощённой базовой формы — low poly, которая затем сглаживается, чтобы получить детализированную high poly модель.

Чтобы сделать модель из миллионов полигонов пригодной для использования, специалисты используют ретопологию.

Топология — это то, как именно полигоны формируют 3D-модель. Расположение многоугольников, создающее некоторый путь по поверхности полигональной сетки.

Ретопология — процесс создания новой топологии модели с меньшим количеством полигонов, сохраняя её общий внешний вид и форму.

Ретопология позволяет:

Ретопология может выполняться вручную или автоматически. Ручной подход используется для сложных и ключевых объектов, таких как персонажи. Это позволяет создать максимально качественную сетку и правильное течение полигонов.

Автоматический метод подразумевает использование плагинов. Например, ZRemesher в ZBrush, Decimate в Blender и других. Эти инструменты сокращают количество полигонов программно, но зачастую работают не очень хорошо и всё равно требуют ручной доработки.

Основные правила топологии:

Для оптимизации моделей в видеоиграх используется система LOD (Levels of Detail). Она позволяет изменять детализацию объектов в зависимости от их расстояния до игрока.

LOD 0 — ближние объекты: самая детализированная версия модели. Используется для объектов, находящихся вблизи игрока.

LOD 1, LOD 2 и далее — удалённые объекты: версии модели с меньшим количеством полигонов и упрощёнными текстурами. На больших расстояниях игрок не замечает мелких деталей, поэтому их просто удаляют для повышения производительности.

LOD последнего уровня: это может быть даже простая геометрическая фигура, такая как куб или плоская текстура, чтобы обозначить объект на горизонте.

Каждый LOD или создаётся вручную, чтобы сохранить важные детали, или создаётся автоматически с помощью программ Simplygon, LOD Generator в Unreal Engine и других.

LOD помогает значительно снизить нагрузку на GPU, поскольку в сцене одновременно отображаются лишь те уровни детализации, которые необходимы в данный момент.

Чтобы создать впечатление сложной поверхности у модели, не увеличивая количество полигонов, используются различные текстуры. Например, карты нормалей* или высот.

* Карта нормалей (Normal Map) — текстура, которая имитирует мелкие детали, такие как складки, трещины и выпуклости за счёт направления света. Вместо того чтобы добавлять физические полигоны, световые эффекты создают иллюзию глубины. Такие текстуры экономят ресурсы, заменяя миллионы полигонов на легковесные карты, которые создают практически такой же визуальный эффект.

Преимущества использования карт нормалей и высот:

Оптимизация топологии сетки и использование карт нормалей или высот — базовые, но мощные инструменты, которые позволяют разработчикам создавать визуально сложные сцены, сохраняя баланс между качеством и производительностью.

Текстуры определяют внешний вид объектов. Однако их разрешение и количество напрямую влияют на производительность сцены. Чем больше размер текстуры, тем больше памяти она занимает.Разрешение текстур выбирается в зависимости от их назначения. Детали, которые находятся в центре внимания, требуют высоких разрешений — 2K, 4K или 8K. Для скрытых или малозаметных элементов используют текстуры минимального разрешения.

Например, внутренняя поверхность здания или нижняя часть мебели, которые не видны или малозаметны в сцене, могут использовать однотонные текстуры или вообще обходиться без них. Это снижает нагрузку на GPU и уменьшает объём потрбляемой видеопамяти.

Подходы к оптимизации текстур:

Для дополнительной оптимизации используются методы сжатия текстур: S3TC (S3 Texture Compression), PVRTC (PowerVR Texture Compression) и ASTC (Adaptive Scalable Texture Compression) и другие. Они сохраняют высокое качество изображения при меньших ресурсах.

Всё чаще появляются новые методы сжатия. Например, Neural Texture Compression (NTC) от NVIDIA, который использует нейронные сети для сжатия. Такой подход обеспечивает более высокую детализацию при аналогичных требованиях к памяти по сравнению с традиционными методами.

Текстурные атласы — это метод объединения нескольких текстур в один общий файл, который затем используют для наложения на объекты. Атласы оптимизируют работу GPU, повышая общую производительность сцены. Вместо того, чтобы хранить отдельные текстуры для каждого объекта, в текстурном атласе все изображения размещаются в одной большой текстуре.

Например, вместо того чтобы загружать отдельные текстуры для металла, стекла и пластика, все они объединяются в один атлас. Каждый объект в сцене использует только определённую область атласа, соответствующую его текстуре. Это существенно ускоряет рендеринг, особенно в видеоиграх и мобильных приложениях.

Mip-mapping — техника, при которой для каждой текстуры создаётся серия уменьшенных копий с пониженным разрешением. При рендеринге используются версии текстур, соответствующие расстоянию до камеры, что снижает нагрузку на систему и предотвращает появление артефактов.

Современные графические движки Unreal Engine и Unity автоматически генерируют mip-уровни при импорте текстур, чтобы обеспечить оптимальное качество отображения на разных дистанциях.

Оптимизация текстур зависит от задач, которые стоят перед разработчиком. В играх и VR-проектах текстуры должны быть адаптированы к производительности устройств. Для мобильных приложений важно минимизировать использование высоких разрешений и применять агрессивные методы сжатия. А в архитектурной визуализации или графике для фильмов текстуры высокого разрешения являются приоритетом, так как внимание пользователя сосредоточено на максимальной детализации.

Когда сцена не предполагает изменения освещения или положения объектов (например, интерьер без движущихся источников света), разработчики используют предварительное освещение. Этот метод позволяет «запечь» данные о свете и тенях в текстуры, называемые lightmaps. Они создаются заранее и затем просто накладываются на объекты.

Этот метод эффективен, потому что рендеринг света выполняется только один раз, что снижает нагрузку на GPU. Качество визуала при этом остаётся на высоком уровне, так как lightmaps содержат точную информацию о тенях и освещении. Unreal Engine и Unity предоставляют встроенные инструменты для генерации lightmaps.

В сценах, где источники света или объекты постоянно движутся, используют динамическое освещение. Оно рассчитывается в реальном времени. Современные игровые движки применяют технологии для повышения производительности, такие, например, как Screen Space Global Illumination.

Screen Space Global Illumination (SSGI) — метод, который вычисляет освещение на основе данных текущего кадра. Вместо того, чтобы отслеживать путь каждого луча, как в Ray Tracing, SSGI анализирует уже отрисованные объекты и создаёт рассеянный свет, тени и отражения. Например, ярко освещённая стена отражает свет на соседние объекты, создавая мягкое освещение. Это экономит ресурсы GPU, но имеет ограничения — элементы сцены, которые находятся вне кадра, не учитываются, что может привести к артефактам.

Чтобы уменьшить нагрузку на систему, используются следующие техники:

Комбинация предварительного освещения, SSGI и других оптимизаций позволяет создавать сцены, которые выглядят реалистично и работают стабильно даже на устройствах среднего уровня. Эти технологии дают разработчикам мощные инструменты для баланса качества и производительности, делая современную графику доступной для широкой аудитории.

Искусственный интеллект становится важным инструментом в оптимизации 3D-графики. ИИ-алгоритмы применяются для анализа и сжатия текстур, улучшения геометрии моделей и даже автоматической генерации объектов. Алгоритмы машинного обучения, такие как инструменты NVIDIA и Intel Open Image Denoise, активно используют для устранения шумов и ускорения расчётов.

Графические движки Unreal Engine и Unity предлагают встроенные инструменты для автоматической оптимизации. Эти инструменты упрощают создание LOD, оптимизацию текстур через mip-mapping и сжатие, а также предоставляют гибкие настройки для освещения и теней. Например, в Unreal Engine используются технологии Nanite и Lumen. Nanite позволяет работать с геометрией в реальном времени, автоматически упрощая модели. Lumen, в свою очередь, обеспечивает реалистичное глобальное освещение в без необходимости предварительного расчета.

Оптимизация 3D-графики — искусство достижения баланса между качеством визуального контента и расходом ресурсов оборудования. В современных играх и приложениях этот процесс становится всё сложнее из-за роста требований пользователей и стремления аудитории к фотореалистичности.

Больше про графические технологии, видеоигры и игровое железо — на нашем сайте, в Telegram-канале и ВК-паблике.