西川善司为了3D游戏粉丝的[生化危机5]图形讲座(后篇)

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西川善司为3D游戏粉丝的[生化危机5]图形讲座（后篇）
MT Framework 1.x的成熟图形魅力的新表现是什么？

http://game.watch.impress.co.jp/docs/series/3dcg/20090601_170531.html

翻译 Trace
校对 千里马肝

2009年4月收录


会场：卡普空总公司

在[生化危机5]图形讲座的后篇中，要接触到的是最近在本连载中刊登次数增加的全局照明技术（Global Illumination ）技术。还有，让大家看看现在的3D图形里的经典表现，在「BH5」中的[阴影生成]、[水面表现]等独特的实现方法，还有大家在意的PS3和XBox360版的区别等。

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[生化危机5]中的Global Illumination技术

    在本世代的3D游戏图形中，开始倾向于重视环境光的处理。不仅有从设置在场景里的光源而得到的直接照明，还要考虑光源在复杂的反射后，布满空间的间接光照来实现照明的动感效果，使整体变得活跃。

    这种复杂的照明效果被称作全局照明(Global Illumination)，通常被简称为GI。[GI方面的考虑]，说起来比较简单，但现在的实时3D图形的标准渲染管线中，只有直接光的照明(Lighting)手段。为了转换由GI来执行，必须要有特殊的方法来实现。

    GI最符合定义的实现是[光线追踪(Ray Trace)]等方法，但想要把这个在实时3D图形上实现，现在的GPU性能还不够，所以现在的主流是采用预先计算的模拟GI的方法。日本的游戏里，致力于采用这种模拟GI方法的有[索尼克世界大冒险]，这个在之前的连载里也有，在基础方面希望参考这篇。

    在「BH5」中，玩家虽然可以体验到动感丰富的舞台（Stage），这些都是在关卡设计师(Level Design)(舞台设计)的巧手中完成的，实际上很意外的是做成了一个整体的“箱庭”(译者注：这里可以理解为把游戏里一章的所有舞台都做在一个大场景里)。也就是说，即使玩家是认为自己在自由行动，实际也只是在游戏系统的手掌上打转。虽然听上去不太好听，但这样构造的原因是为了让设计师和美工可以更容易控制。

    场景是如此得接近玩家，为了让玩家的视觉印象感受深刻的地方，需要手动的进行环境光的设定。在表演舞台和影像的设置上，要在关键地方加入环境光。具体的，要先设定舞台中的重点位置的影响范围，再设定支配这个影响范围的环境光。

    这个环境光本身，开始是在MT Framework的工具上，使用CubeMap(6面构造的的全方位纹理)来进行设定，对进入影响范围的3D物体对象给予全方位6方向的环境光的形态。CubeMap的构成，是把这个场景给予的动态和静态光的影响，还有精确的全局照明一起进行预先计算（也可以让设计师手工制作CubeMap）。

[CubeMap]




上图是CubeMap的影响范围的可视化截图，在范围内的部分表现有被特别设定的全方位环境光。
中图是最终效果截图。
下图是场景内设定的CubeMap。

    由于「BH5」舞台的箱庭结构，需要大量给予环境光的CubeMap，而实际上这种CubeMap在运行时需要在内存管理上做大量辛苦的工作。所以在「BH5」中，把CubeMap用有9个系数的球谐波函数来做近似表现的实现。

    关于球谐波函数的基本概念，可以参考本连载的[杀戮地带2（KILLZONE2）]。简单得说，就是把全方位的放射能量分布近似化的进行不可逆压缩的方法。「BH5」中，把9个系数分配到RGB来存放，虽然多少会粗糙点，但能够复原出来自全方位的环境光。


译者注：杀戮地带2和生化5都是采用了l=2的球谐波函数。

    运行时上述的照明(lighting)是如何实现的呢？单纯的考虑，就是使用了9个系数的球谐波函数(SH)来复原环境CubeMap，再通过这个，使用IBL(Image Based Lighting)的方法？

石田先生[不是这样，没有使用恢复为CubeMap的方法。使用的SH Lighting是比这个更简便的方法。原理上使用了斯坦福大学的Ravi Ramamoorthi的[An Efficient Representation for Irradiance Environment Maps]方法(地址是http://graphics.stanford.edu/papers/envmap/)。使用这个方法，从3次（9个系数的）球谐波函数在Piexl Shader上复原全方位的环境光，就可以取得对应阴影处理对象法线的环境光。如果9个系数可以展开为10个左右的指令的话，那么恢复为CubeMap的方法在Pixel Shader上的成本更少。]

    根据石田先生所说，可以分析出，就算使用SPU等芯片制作CubeMap，也无法实现低GPU负荷的将CubeMap恢复的方法。顺便说一句，PS3专用的[杀戮地带2]，采用了使用SPU来恢复CubeMap的方法。

[SH Lighting]





此图是实现不使用纹理(Texture)内存，直接从球谐波函数得到所需方向的环境光的方法的实现。


卡普空第一程序制作室 程序员 上田干夫先生

    对了，根据场景的不同，特定的环境光CubeMap要可以设置在哪些区域(Area)产生影响和那些区域不产生影响。特别是屋外不能应用特定CubeMap的区域很多。这些区域，要选择使用全局设定的环境光CubeMap。具体的，屋外情况使用全局环境光CubeMap，要设定从天井方向而来的天球光和地面方向的地面反射而来的地面光。

    还有，放在邻接的CubeMap之间的3D物体对象的情况，采用插值表现两者的球谐波函数系数，在通过球谐波函数，来计算出全方位环境光的方法。

    上田干夫先生[环境光以外的静态光源，也要一起细致的设定影响范围。例如，从小屋向屋外看时，Bloom的出现方式要由设计师来调整。在「BH5」中的情况，比起基于物理正确的照明，更重视为了在印象上使照明看上去更容易印象深刻的“基于设计师视觉正确的照明”。]

     关于环境光，和连载里刊登的[合金装备4（MGS4）]的手法非常相似。当然，虽然与[把预先生成CubeMap通过球谐波来获得]的实现等级不同，但舞台中环境光的配置，通过设计师来设定这些的影响范围等制作的风格上有相似的地方。虽然「MGS4」和「BH5」游戏类型上不同，但制作方对于画面要实现电影般的照明效果的重视，这方面是非常近似的，因此才有了一样的照明概念吧。

[由球谐波函数得到的环境光照明]



上图是没有球谐波函数的环境光，下图是根据球谐波函数得到的环境光（最终效果截图）

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特意的让实时渲染看起来有预渲染风格？给予胶片质感的技术


    [电视噪音Television Noise]纹理的一种，与这个做alpha乘算合成后就会出现胶片颗粒（Film Grain）的效果。

    在「BH5」里并没有把渲染的影像直接的显示，而是通过后处理（post process）添加了胶片的风味。这个是在电影等方面经常使用的手法，把色彩和渐变（gradient）用(艺术的风格)来调整的技术，「BH5」里，为了能做出电影的质感，把色彩过滤，渐变补正，对比补正，亮度补正等使用实时滤镜的形式实现并使用。

石田先生[在制作[失落的星球]时，实现了4个左右的独立滤镜，虽然不能太奢侈的使用，但在「BH5」中因为整合成一个来实现，所以把负荷减少到了失落的星球时的一成左右，这样就可以积极的利用了。]

平林先生[也加入了因为胶片的老化，在影像外围附近的红墨感，还有周边减光(影像的四个角附近会变暗，用镜头捕捉影像的特有现象)等效果。这些是将预先绘制好的上述效果的纹理，应用在Sample上。]

    上篇有稍微介绍过，在「BH5」中，Movie场景中会插入薄薄的胶片颗粒一样的噪声（银盐胶片引起的颗粒状的粒子噪声，虽然终归是“噪声”（译者注：正常考虑，噪声是不好的。），但为了胶片风味，有些情况要适当的加入）。这样，突出了胶片的质感，根据场合也可以看到好像动画压缩一样的噪声，故意的引起[这是预渲染影像吗？]这样的误导。

    虽然笔者个人认为是胶片颗粒效果，不过在开发者里是把它称作[电视噪声]的效果来使用的。这里，把准备好的随机噪声纹理（Random Noise Texture），一边进行适当的纹理动画，一边做乘算的alpha合成的结果。虽然简单而普通，不过确实作出了前面所说的光学的老化效果和胶片老化效果等复合技术，作为视觉效果，风格上让人有相当类似的感觉。

    在「BH5」中，附加内容（译者注：印象中是要通关后用奖励点数购买），不只是对应Movie场景，还有游戏本篇，准备了可以把这种电视噪声最大化的游戏模式，有兴趣的人可以试一试。

[电视噪声Television Noise]




从上开始依次是
[胶片效果关闭/电视噪声关闭]
[胶片效果打开/电视噪声关闭]
[胶片效果打开/电视噪声打开]



为了容易明白的局部放大图，带有明显的色彩和粗糙的附加点。

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[持续进化中的「BH5」的阴影生成]

    在「BH5」中动态阴影的生成，采用了和[失落的星球]同样的Depth Shadow技法改良型中的1种，LSM：Light-Space Shadow Maps的技术。

    在[失落的星球]中，实现方式是使用1024 x 1024纹理大小的Shadow Map，分为远，中，近三个区域后生成Cascade的扩展。「BH5」中，根据场景不同采用Cascade LSM技法和失落的星球是一样的，但很多的场景基本上是单一的Shadow Map。对比失落的星球那种一眼看去很广阔的场景，「BH5」是以遮蔽物比较多的场景为主体的，因为和后述的静态阴影烘培组合起来，就成了现在这种样子。顺便说一下，「BH5」的Shadow Map分辨率基本上是1024 x 1024纹理，Moive场景中也有些情况使用的是512 x 512纹理。

[阴影生成]
  



在BH5中把Shadow Map按用途分为2张生成，中间和下面的图分别是用途1的Shadow Map和用途2的Shadow Map。

    虽然不是全部，但很多不活动的静态背景物体对象，并不是动态的生成阴影，而是提前烘培到顶点上和作为光照贴图烘培到纹理里，两种方法一起使用来预先生成阴影。

    那些本身不活动的房屋和墙壁的影子，虽然是事前生成烘培的，但这么做的情况下，如果那个影子附近有活动的角色进入，房屋的影子就动态生成，很好的落在角色上。实际要让对应的房屋生成自身动态的Shadow Map，再向动态角色身上投射。影的生成在引擎部分，也控制了谁对谁投落什么样子的影子，反过来，静态的背景对象生成动态影子时，不会在烘培的影子上进行二次投射。

【阴影生成】



上图是只有顶点颜色的画面，没有任何影子。
下图是只有顶点颜色和光照贴图的画面。可以看到基于纹理烘培的影子。




上图是在顶点颜色和光照贴图上，加入了生成的动态影子的画面。
下图是最终画面。




上图是把静态物体对动态角色生成阴影关闭的截图，脚下的影子是事前生成的烘培影子。
下图是静态物体对动态对象生成影子投射的最终效果截图。

    笔者对于「BH5」的阴影生成，感受最深刻的就是影子的颜色，开发组虽然说明了是和[失落的星球]的阴影生成使用了基本相同的处理。不过如果仔细得看，实际上「BH5」的影子在悄悄的进化着。

    在[失落行星]时，因为在LSM上只描画乘算生成的影子和透射位置的影子颜色，所以影子“只是变暗了”，然而在「BH5」上，影子的部分中就像是很好的进行了环境光照明一样。正因为是软影子，虽然说影子的边通常是模糊的影子，但在「BH5」中影子的颜色是真实的浅色。

    动态生成的影子，是由这个场景所的代表的光源所生成的。这个影子是通过遮蔽了从代表光源而来的光得到的，所以也应该受到间接光(即环境光)的影响。到现在为止的很多实时3D游戏图形中，明亮的部分是由直接光和环境光的照明生成的，引擎通过直接光生成动态影子时，在光无法照到的地方，也会成为“影子”。作为案例，最基础的实现就是[漆黑的影子]。稍好一些方法，是对光照结束后的结果把影子部分作暗，因为环境光的照明的结果会一起变暗，所以要可以控制影子的颜色。

    在「BH5」中，这个影子的描绘部分正在进化。具体的实现是，引擎生成影子时，对于生成影子的区域，还要输出Mask（Shadow Mask），引擎的光照处理通过这个Shadow Mask来判断哪里被看作影子(译者注：这里的影子是指直接光照不到地方的阴影)，并只使用环境光进行照明。

石田先生[因为「BH5」是影子特别多的游戏，所以一旦和[失落的星球]使用同样的做法就会完全变的漆黑。而且，这个方法不能作出基于物理的正确照明。Shadow Mask是分为对应半透明材质Mask和不透明材质的Mask，再进行适合各自的照明。]

[Shadow Mask]



青色的部分是通常的Shadow Mask，红色部分是半透明用的Shadow Mask。

    根据这个，「BH5」的影子。不会只描绘出一样黑暗的影子，而是在影子中也表现出丰富的阴影。这种过分的真实和自然不知道是否会看不出来，但要非常注意的观察主人公角色的Self Shadow。投射在身体上的手臂的影子不只是变暗，而是可以看出这个场景里环境光照出的柔和的阴影。比起没有阴影的位置，虽然确实是变暗了，但可以注意到伴随着非常丰富的颜色明暗。

上田先生[关于影子边缘的Soft Shadow化，基本上实施了2X2或3X3的PCF∶Percentage Closer Filtering的模糊处理。还有使用Depth Shadow方法的影子会有阶梯装的锯齿的问题，使用了传统的在Shadow Map里加入Bias的改良方法。]

    Depth Shadow技法是把光源到遮挡物的距离记录在Shadow Map来生成，在渲染时，把像素的深度值（要转换到在计算光源距离的空间）和记录在Shadow Map上的值做比较，来判断这个像素是在遮蔽物的里面还是外面。要做[内侧是影子，外侧是被光照]的判断。但是，精度问题会使影子边界附近的判断有误差，描绘的结果也会有失真发生。传统的方法，是在生成Shadow Map时稍微加入一些bias，这样使得在这些危险地方的判断明确化。

石田先生[虽然是普通的方式，但是这样的感觉[shadowmap z < z? 1 : 0]。根据和Shadow Map的深度的比较是在外侧还是在里面来生成只有0、1二值的信息。在「BH5」中，Shadow Map的深度和渲染时像素的深度，要有一定程度的距离偏差。这个感觉就是[shadowmap_z < z0∶ saturate((z - shadowmap_z)/ weight )]，用0～1之间的实数值来表示。这个公式表示的是1个 Sample的，让这些组合成4（2x2）Sample和9（3X3）sample的PCF。]

    虽然原理和实现不同，但把判断是否是影子用实数来返回，生成顺滑的影子边缘的概念，和「Unreal Engine 3」采用的VSM：Variance Shadow Maps非常相似。

石田先生[这个处理因为使用RSX的4点同时比较的采样机能不能高速化，所以在PS3上省去了。]

上田先生[在PS3上为了减少影子的阶梯状Noise，只能使用增加Bias的方法来对应，所以细微凹凸的影的描绘有一部分被省略了。作为Soft Shadow的处理，XBOX360不只是4点，而是9点的PCF。结果生成影子的实际形态，XBox360版变得相当的顺滑。]

    总的来说，通常技法（PS3版），把是否是影子的判断信息作成[是否被遮蔽的二值判定]，但XBox360版中实现的是把遮蔽用把百分比来返回。使用这个方法，影子轮廓附近从影子最暗部分到没变成影子的明亮部分，可以用渐变顺滑的连接起来。

    这里要用PCF组合出模糊，如果用2X2的4点PCF案例来比喻，PS3版是把4个为0或1的2值影子变模糊，XBOX360版是把4个0～1的实数的影子变模糊，模糊结果的光滑度完全不一样。

[影子边缘的Soft Shadow化]



上图没有PCF。锯齿明显。
下图是有PCF，出现了降低锯齿的Soft Shadow效果。

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不是很显眼但很厉害的「BH5」的水面。高级技术和低级技术的最高协作


水波的法线贴图的可视化截图

    「BH5」中，在被寄生生物污染的湿地地区非洲原住民的村落里，有个主人公们进入鳄鱼栖息的沼泽场景。这个是即使在剧本里也和水面有很强交互的场景，水面的表现，比之前任何用MT Framework为基础的游戏都更受到重视。「BH5」的水面表现，基本上采用了近代3D游戏图形的标准实现方法。

    水波，要进行基于纹理的波动模拟，动态的生成法线贴图来表现。自然发生的波浪，是在波动模拟用纹理里写入波纹等“种子”特效的方法来使其发生的、动态角色和水面的交互也是一样。光照上采用了水面反射模型里经典的菲涅尔（Fresnel）反射，对应视线和水面相交的角度，把周围的情景作为镜像显示，并把水底的样子光滑后合成渲染。

    还有，镜像反射是动态生成的环境贴图，以主人公角色为首，各种动态对象物体都可以很好的映入。这个动态镜像的表现在[失落的星球]中是被省略的部分。在沼泽场景中，为了制作混浊污水的气氛，在水底方向升起了雾气，虽然很难看到水底的样子，但在一边拿着手电筒一边前进的洞窟场景中，应该可以很清楚的看到水底。

[水面表现]  


没有水面的状态，可以看到水底原来的样子。


只有水面多边形的状态


在多边形的水面上应用法线贴图的水波和菲涅尔反射的状态


从上图进一步有效的做出折射的状态


在水面上有效的反映情景（镜像）的状态


表现混浊度很深的水中烧起雾气的状态，完成画面。


汽艇的波浪是由设计工作室预先制作的特效。如果不说能看出来么？

登上敌人乘船的两个主人公被追击的水上追逐场景中(Boat Chase Secne)，生成了由于船体的运动，将水面分开的漂亮几何体等级的高度很高的波浪，不过这是怎样的东西呢？

上田先生[实际上这些是由程序和美术师共同作出的顶点动画之类的效果(笑)。总之，在船的周围让其作为特效来发生。这个最终的形态，就是水上Boss[Irving决战]。这个场景有着暴风雨和大波浪的印象，实际是把100个以上的骨骼放入水面，把这些进行反复的活动就成了Bone Skin的波浪了（笑）。]

    「BH5」中几何体等级的波浪全都不是波动模拟作出的，而是手工制作提前生成的顶点动画。虽然怎么看也只看出[暴风雨的大浪]、实际是美术师预先做好的波浪，不论是电影还是游戏，看上去和真的很像就是正确的，那么就有理由“胜出”了，这个原始的手法很有趣。再次玩游戏的用户如果有意识的去仔细观察水面，也许就会体会这个意图而偷笑起来，真是个有趣的秘密。

[折射贴图]



上图是关闭折射的状态。
下图是开启折射的状体。
因为把视线用很好的弯曲方式处理折射，所以注意下水面下的角色们的脚看起来短了。

[Irving决战]




Irving决战的水面线框显示。在下图里隐藏了冲击的实时，实际上波浪使用骨骼来控制的。

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让人在意的PS3版和XBox360版的区别是什么？


卡普空技术研究室室长伊集院胜先生

    「BH5」的PS3版和XBox360版虽然是以[相同的视觉效果]作为基本理念开发的，不过就像对于阴影生成使用了不同的方式那样，因为硬件上的不同而存在有细节部分的不同。

    首先，XBox360版采用了30FPS的双缓冲（double buffer）。固定上限30FPS，除了在高负荷场景不能达到之外，基本上都维持在30FPS。PS3版本是可变帧率(Frame Rate)，因为使用了三重缓冲(Triple Buffer)，有着即使在帧率降下来时粗看也不显眼的特点。

    双缓冲由显示用的前置帧缓冲和渲染用的后置帧缓冲两个构成的渲染方法。三重缓冲是把后置缓冲再增加一个的方法。双重缓冲是把通过两个缓冲的前后关系，使得显示器的刷新率可以同步的显示模式，在等待同步的时间里无法进行下一帧的渲染。如果无视显示同步的来显示，就会在显示途中被新的一帧替换，显示器显示出来的就是[上面是前一帧][下面是后一帧]这样的状态。这就是所谓的[Tearing]现象。

    三重缓冲，即使让显示器的刷新率同步后显示，但后置缓冲因为空出一个来，系统不需要等待同步，就可以着手下一帧的渲染了。PS3版的平均刷新率不及Xbox 360版，但在刷新率降低时也很难看到缺点。还有，Xbox360因为有10M的EDRAM的硬件配置的制约，不能使用三重缓冲。

    抗锯齿（anti-aliasing）处理，在PS3版采用的是关闭～2×的可变MSAA(Multi Sampled Anti-Aliasing)，Xbox360版采用了2X～4X的可变MSAA。关于PS3的CELL处理器，以SCE提供的对应SPE（Synergistic Processor Element）的程序库的主题为例。根据这个，每个SPE，能以比线程更小的单位（Fiber）自发的进行上下文**（context switch），就像矩阵的计算等级一样，把更小粒度的大量工作，在SPE上分配，也能得到期待的性能。布料的模拟等，都可以从这个新的程序库里得到好的效果。还有，用SPE作几何体加速的[Playstation Edge]，在「BH5」上没有被利用，那是为什么呢？

伊集院先生[虽然加入应该会稍微提高响应速度。不过PS Edge本身会消耗内存，必须把顶点数据用独立的格式放在主内存里，所以这次因为容量问题没有加入。作为替代，在「BH5」中利用了被称为[SPU Patch]的RSX的加速程序库。因为可以利用SPE上用RSX进行Shader的组织，所以变的相当的快了。]

    在世嘉的[索尼克世界大冒险]那篇文章中曾经提到过，想要让一个游戏在多个平台上展开，在本时代中，会有各种各样的问题。游戏盘的媒体等级的容量就不一样，PS3是双层的50GB的蓝光，相对的XBox360采用的是传统的双层8.5GB的DVD-ROM。

    关于把[生化危机5]在PS3和XBox360上展开，开发时还是以装在XBox360的1张DVD-ROM中为最优先的设计吧。顺便说一下，虽然作为DVD-ROM最大是8.5GB，但在作为XBox360的游戏媒体时，因为系统数据等的关系，游戏资料的数据能收录的大约有6.8GB左右。

伊集院先生[虽然很有意识的放在了DVD-ROM中，但在DVD-ROM的容量限制内，并没有放弃什么，虽然也可以采用多张DVD-ROM的方案。不过，在开发接近完成时，用一张盘也可以了吧。那么，PS3版那边就相当宽裕了，因为是世界首次的游戏和Movie的混合BD，在制作水平上也很辛苦。]


总结---MT Framework的进化没有停止！


「BH5」中支持和植物的互交

    卡普空夸耀的MT架构的游戏，有[丧尸围城]、[迷失行星]、[鬼泣4]和[生化危机5]这4个作品，设计师的阵容，也因为经过了这4个作品的开发，变的能够熟练自如的使用MT架构了，在最近的作品中，能够远远的表现出凌驾于当初预想的品质，也出现了很多让技术阵营方面吃惊的局面。

    以这次的「BH5」来说，皮肤的质感和水面的表现等，这些可以说是真正的熟练的使用MT Framework的技术。

    MT Framework在前述的4个游戏里依次的升级版本，技术阵营一方引擎也反复改良，在提升品质上的关系很大。如果用「BH5」来说，脸部表现等的法线再计算部分等也是，如果没有这个改良，「BH5」中就不会实现现在这样真实的脸部表现吧。

    所以对于[以游戏引擎为基础的游戏开发，就要完全停止表现的进化]的畏惧，虽然被多次说到，但关于Framework，设计人员和引擎技术人员的配合很强，而且**引擎有着可以和公司内部灵活进行机能强化的[地利]，这样做完全没有负面影响。

    还有，以通用引擎为基础的游戏，虽然说可以得到[开发成本减少]和[开发周期缩短]的直接好处，但实际并不是这样。优秀的通用游戏引擎，用同样的预算开发费用，想全新的领域进行研究，因为尝试和新技术的融合，会产生预算和时间的富余。「BH5」中和好莱坞合作的实现，也可以说是MT Framework优秀的间接效果吧。
  
    作为日本游戏开发动向的试金石般的存在，CAPCOM传家宝刀[MT Framework]的最新动向，和以它为基础的游戏，在今后也必定受到注目。所以，关于下一次作为[生化危机5]特别篇的次世代MT Framework的秘密也会尽快报道。

[植物互交作用]


和植物的互交作用的演示