In diesem Beitrag werde ich über die Geschichte der Texturierung in dreidimensionalen Videospielen sprechen. Seit dem ersten Erscheinen von 3D-Echtzeit auf Heimkonsolen haben wir einen langen Weg zurückgelegt, aber auch heute werden beim Erstellen von Spieltexturen einige Praktiken verwendet, die ihre Wurzeln in diesen frühen Jahren haben.
Lassen Sie uns zunächst ein wenig über die Grundlagen sprechen - die Unterschiede zwischen Echtzeit-Rendering und vorgerenderten Szenen. Echtzeit-Rendering wird in den meisten 3D-Spielen verwendet. In diesem Fall zeichnet die Maschine das Bild in Echtzeit. Das Erstellen eines einzelnen Frames einer vorgerenderten Szene erfordert viel Rechenleistung.
Dadurch erhalten wir unterschiedliche Qualitätsstufen. Für die Interaktivität benötigen Spiele Echtzeit-Rendering. Statische Elemente wie Kinoeinsätze oder feste Hintergründe können durch Vorrendern erstellt werden. Der Unterschied in den Ergebnissen war enorm. Hier ist der vorgerenderte Hintergrund und Echtzeitcharakter aus dem Spiel von 1999:
Durch das Vorrendern konnten Sie eine Reihe von Szenen erstellen, deren Rendern teuer war. Das Rendern eines einzelnen Frames konnte Stunden oder sogar Tage dauern. Für ein Bild oder einen Film ist dies ganz normal. Spiele müssen jedoch ständig 30-60 Bilder pro Sekunde rendern. Daher mussten in den frühen 3D-Spielen große Vereinfachungen vorgenommen werden.
Auf 16-Bit-Konsolen war Star Fox eines der ersten Beispiele für Echtzeit-3D, aber auch Donkey Kong Country, auf dem vorgerenderte dreidimensionale Grafiken in Sprites konvertiert wurden (mit stark vereinfachten Farbpaletten). Lange Zeit konnte nichts in Echtzeit so gut aussehen.
Als wir zu echten 3D-Konsolen (wie N64 und PS1) wechselten, sahen wir endlich, wozu Echtzeit-Rendering nicht in der Lage war. Sie können keine Lichtquellen verwenden, um Schatten oder Licht in der Szene zu backen. Die Materialien reagieren nicht auf Licht. Es gibt keine „Bump-Zuordnung“, nur Geometrie und Texturen mit niedriger Auflösung. Wie sind die Künstler damit umgegangen?
Beispielsweise wurden Informationen zur Beleuchtung entweder auf Texturen (Schatten, Lichter, Tiefen) gezeichnet oder auf jeden Scheitelpunkt eines Dreiecks gemalt, oder es wurden beide Ansätze verwendet. Zeichenschatten waren normalerweise einfache Texturen, die dem Zeichen folgten. Die richtigen Schatten zu werfen war unmöglich.
Es war möglich, die einfachste Schattierung bei Modellen zu erzielen, aber ihm fehlten normalerweise die richtigen Beleuchtungsinformationen. Spiele wie Ocarina of Time und Crash Bandicoot verwendeten viele Beleuchtungsinformationen, die in Texturen und Zeichnungen auf der Oberseite der Geometrie aufgezeichnet wurden. Dies ermöglichte es, verschiedene Bereiche heller und dunkler zu machen oder ihnen einen bestimmten Farbton zu geben.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, war damals viel kreative Arbeit erforderlich. In unterschiedlichem Maße wird das Zeichnen oder Schreiben von Beleuchtungsinformationen in Texturen noch heute verwendet. Da das Echtzeit-Rendering jedoch besser wird, wird der Bedarf an solchen Techniken verringert.
Die nächste Hardware-Generation musste also viele weitere Probleme lösen. Die nächste Konsolengeneration - PS2, Xbox und Gamecube - versuchte, mit einigen davon fertig zu werden. Der erste bemerkenswerte Qualitätssprung war eine Erhöhung der Texturauflösung und eine bessere Beleuchtung.
Eines der wichtigsten Spiele in dieser Hinsicht war Silent Hill 2. Der schwerwiegendste Durchbruch dieses Spiels im Jahr 2001 war die Verwendung von Schattenwurf in Echtzeit. Dies bedeutete, dass ein Teil der in der Textur aufgezeichneten Beleuchtungsinformationen ausgeschlossen werden konnte, aber größtenteils in dieser Generation aktiv verwendet wurde.
Der entscheidende Faktor für dieses und andere Spiele dieser Zeit war die Auflösung. Aufgrund der größeren Anzahl von Pixeln könnten sie viel mehr Mikrodetails speichern. Bisher handelte es sich jedoch nur um Informationen zu Farbe und diffusem Licht. Bump Maps und Reflection Maps wurden damals selten verwendet. Es war unmöglich, die richtige Reaktion auf Licht aus Materialien zu erhalten.
Es gab einen weiteren Grund für die Beliebtheit von Backinformationen in Texturen. In vorgerenderten Szenen war dies kein Problem, in ihnen sahen die Kleider wirklich wie Stoff aus, und Glas, Haare und Haut schienen zu überzeugen. Für das Echtzeit-Rendering war eine geprägte Texturierung erforderlich, und es erschien, jedoch nur näher am Ende dieser Generation (nur auf Xbox).
Reflexions- und normale Karten wurden in Spielen wie Halo 2 und Doom 3 angezeigt. Mit spiegelnden Karten konnten Oberflächen viel natürlicher auf Beleuchtung reagieren, z. B. konnte Metall wirklich leuchten und so weiter. Mit der normalen Karte können Sie viel mehr Details aufzeichnen, die mit Objekten mit einer so geringen Anzahl von Polygonen nicht erreicht werden konnten.
Wenn Sie mit 3D arbeiten, wissen Sie, was eine normale Karte ist. Dies ist eine Art geprägter Texturierung, mit der Oberflächen viel detaillierter auf die Beleuchtung reagieren können als die Komplexität des Modells. Dies ist die wichtigste Textur, die in fast jedem Spiel verwendet wird, das nach dieser Generation veröffentlicht wurde.
Nach dem Aufkommen normaler Karten hat sich der Ansatz der Künstler beim Erstellen von Texturen geändert. Um normale Karten zu erstellen, müssen Sie viel mehr Zeit für die Erstellung des Modells aufwenden. Es ist zur Norm geworden, Bildhauerwerkzeuge wie Zbrush zu verwenden, mit denen Sie High-Poly-Modelle zu Texturen backen können, die in Low-Poly-Objekten verwendet werden können.
Vor dieser Technologie wurden die meisten Texturen entweder von Hand gezeichnet oder aus Fotos in Photoshop erstellt. In der Ära der Xbox 360 und PS3 gehört diese Methode für viele Spiele der Vergangenheit an, da sich mit der Erhöhung der Auflösung auch die Qualität der Modelle verbessert hat.
Darüber hinaus hat sich das Verhalten der Materialien dank vorberechneter Schattierung erheblich verbessert. Für viele Künstler war dies ein Wendepunkt. Die Materialien wurden viel komplizierter als zuvor. Diese Demo von 2005 übertraf alles, was vor ihm lag. Zu dieser Zeit gab es noch nicht einmal eine Xbox 360.
Ein neuer Ansatz für die Bühnenbeleuchtung ist ebenfalls erschienen - das Umgebungsokklusionsmodell. Das Echtzeit-Rendering musste wieder mit dem Prerender Schritt halten. AO ist zu teuer für Echtzeit-Rendering, daher haben Künstler gerade damit begonnen, es in Texturen zu schreiben! AO erstellt indirekte Schatten von Lichtquellen neu, die zu klein sind, um im Detail angezeigt zu werden.
Selbst heute ist Echtzeit-AO nicht zu 100% erreichbar, aber wir sind schon nah dran! Dank Prozessen wie SSAO und DFAO hat sich die Situation im Vergleich zu vor 10 Jahren erheblich verbessert. Gebackene AO-Karten werden noch verwendet, aber wenn die Renderer besser werden, werden sie wahrscheinlich verworfen.
Zusammenfassend lässt sich sagen: In der Ära von PS3 und X360 war im Vergleich zur vorherigen Generation ein noch größerer Auflösungssprung zu verzeichnen, und für Oberflächen mit Schattierungen wurden neue Texturen angezeigt. Und natürlich hat sich die Lichtqualität verbessert! Sie können Echtzeitschatten für die gesamte Szene erhalten oder die Beleuchtung backen, um die Details zu verbessern.
Alles scheint in Ordnung zu sein? Trotzdem gibt es Mängel. Geringe Auflösung von Modellen und Texturen sowie hohe Kosten durch neue Shader. Vergessen Sie nicht die Auflösung von Spielen. Nur 720p! (Außerdem sind Schrifttöne auf CRT-Fernsehern zu einem Problem geworden).
Ein weiteres Problem blieben Spiegelkarten. Zu dieser Zeit hatte jedes Objekt nur eine Karte seiner „Brillanz“. Dies ist eine große Einschränkung. Die Materialien sahen unwirklich aus. Daher begannen einige Entwickler, Reflexionskarten zu teilen. Eines der ersten Beispiele war das Bioshock Infinite-Spiel.
Reflexionskarten wurden nun nach Materialtypen (Holz, Gold, Beton usw.) und nach „Alter“ (Risse, Verschleiß usw.) unterteilt. Dieses Ereignis fiel zeitlich mit dem Aufkommen eines neuen Typs von Schattierungsmodellen zusammen - Physically Based Rendering, PBR (Physically Correct Rendering).
Dies bringt uns heute zur aktuellen Generation. PBR ist für viele Spiele zum Standard geworden. Diese Technik wurde von Pixar populär gemacht und standardisiert, um plausible Materialien in Computergrafiken zu erstellen. Und es kann in Echtzeit angewendet werden!
Darüber hinaus hat die Industrie den Förderer der vorherigen Generation verbessert - Bildschirmeffekte. Aspekte wie Tonkorrektur und Farbkorrektur haben sich in der aktuellen Generation verbessert. In der vorherigen Generation hätte das Einrichten der Texturen lange gedauert.
Wenn Sie mehr über alte Spiele und deren Rendering-Techniken erfahren möchten, empfehle ich die DF Retro-Serie für Digitalfoundry. Der Autor hat fantastische Arbeit geleistet, um einzelne Spiele wie Silent Hill 2 zu analysieren.
Zum Vergleich zeige ich Ihnen, wie die ersten 3D-Spiele ausgesehen haben und welche Art von Arbeit heute erforderlich ist, um die einzige Textur im Spiel zu erstellen.
Lassen Sie uns auch kurz einige der Techniken erwähnen, die in früheren Epochen entwickelt wurden und heute noch verwendet werden! Es gibt viele „stilisierte“ Texturen, die Beleuchtungsinformationen aufzeichnen. Am aktivsten wird Blizzard verwendet.
Dieses Unternehmen kombiniert technische Einschränkungen mit einer durchdachten Einstellung zur Grafik und erzielt erstaunliche Ergebnisse. Vielleicht verwenden sie nicht die gleichen Texturen wie in anderen AAA-Spielen, aber die Ergebnisse können nicht als schlecht bezeichnet werden.
Und manchmal können Sie dank der PBR-Technik und handgezeichneten / vereinfachten Texturen sehr weit gehen. Dies wird durch das Vorhandensein eines modernen Motors mit vielen Funktionen erleichtert.