Wie sich die Beleuchtung auf das Spieldesign und das Spielerlebnis auswirkt

In Erwartung der PS5 und des Projekts Scarlett, die Raytracing unterstützen, dachte ich über Beleuchtung in Spielen nach. Ich fand Material, in dem der Autor erklärt, was Licht ist, wie es das Design beeinflusst, das Gameplay, die Ästhetik und die Erfahrung verändert. Alle mit Beispielen und Screenshots. Während des Spiels achten Sie nicht sofort darauf.

Einführung

Die Beleuchtung ist nicht nur notwendig, damit der Spieler die Szene erkennen kann (obwohl dies sehr wichtig ist). Licht beeinflusst Emotionen. Viele Lichttechniken in Theater, Kino und Architektur werden verwendet, um die emotionale Komponente zu verstärken. Warum nicht diese Prinzipien von Spieledesignern ausleihen? Die Verbindung zwischen dem Bild und der emotionalen Reaktion bietet ein weiteres leistungsstarkes Werkzeug, mit dem Sie mit Charakter, Erzählung, Ton, Spielmechanik usw. arbeiten können. In diesem Fall können Sie durch die Wechselwirkung von Licht mit der Oberfläche Helligkeit, Farbe, Kontrast, Schatten und andere Effekte beeinflussen. All dies führt zu einer Basis, die jeder Designer beherrschen sollte.

Mit diesem Material soll ermittelt werden, wie sich das Lichtdesign auf die Spielästhetik und das Benutzererlebnis auswirkt. Wir werden die Natur des Lichts analysieren und wie es in anderen Bereichen der Kunst verwendet wird, um seine Rolle in Videospielen zu analysieren.


Schwanensee, Alexander Ekman

Ich - Die Natur des Lichts

„Raum, Licht und Ordnung. Dies sind die Dinge, die die Menschen genauso brauchen wie ein Stück Brot oder eine Übernachtung “- Le Corbusier.

Natürliches Licht führt und begleitet uns vom Moment der Geburt an. Es ist notwendig, es bestimmt unseren natürlichen Rhythmus. Licht steuert die Prozesse unseres Körpers und beeinflusst die biologische Uhr. Wir werden verstehen, was Lichtstrom, Lichtintensität, Farbe und Brennpunkte sind. Und dann werden wir verstehen, woraus Licht besteht und wie es sich verhält.

1 - Was das menschliche Auge sieht

Licht ist Teil des vom Auge wahrgenommenen elektromagnetischen Spektrums. In diesem Bereich reichen die Wellenlängen von 380 bis 780 nm. Tagsüber unterscheiden wir Farben dank Zapfen, und nachts verwendet das Auge Stäbchen, und wir sehen nur Graustufen.

Die Haupteigenschaften von sichtbarem Licht sind Richtung, Intensität, Frequenz und Polarisation. Seine Geschwindigkeit im Vakuum beträgt 300.000.000 m / s, und dies ist eine der grundlegenden physikalischen Konstanten.


Sichtbares elektromagnetisches Spektrum

2 - Verteilungsrichtung

In einem Vakuum befindet sich keine Substanz und das Licht wandert direkt. Es verhält sich jedoch anders, wenn es Wasser, Luft und anderen Substanzen ausgesetzt wird. Beim Kontakt mit der Substanz wird ein Teil des Lichts absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Bei einer Kollision mit einem transparenten Material wird auch ein Teil des Lichts absorbiert, der Rest geht durch. Von glatten Objekten wie einem Spiegel wird Licht reflektiert. Wenn die Oberfläche des Objekts uneben ist, wird das Licht gestreut.


Lichtrichtung

3 - Grundfunktionen

Lichtstrom. Die von der Lichtquelle emittierte Lichtmenge.
Maßeinheit: lm (Lumen).



Die Kraft des Lichts. Die Lichtmenge, die in eine bestimmte Richtung getragen wird.
Maßeinheit: CD (Candela).



Beleuchtung Die Menge des auf die Oberfläche einfallenden Lichtstroms.
Beleuchtung = Lichtstrom (lm) / Fläche (m2).

Maßeinheit: lx (Lux).



Helligkeit. Dies ist die einzige grundlegende Eigenschaft des Lichts, die das menschliche Auge wahrnimmt. Einerseits berücksichtigt es die Helligkeit der Lichtquelle, andererseits die Oberfläche, was bedeutet, dass sie stark vom Reflexionsgrad (Farbe und Oberfläche) abhängt.
Maßeinheit: cd / m2.

4 - Farbtemperatur

Die Farbtemperatur wird in Kelvin gemessen und zeigt die Farbe einer bestimmten Lichtquelle an. Der britische Physiker William Kelvin erhitzte einen Klumpen Kohle. Er leuchtete und schimmerte in verschiedenen Farben, die verschiedenen Temperaturen entsprachen. Zuerst leuchtete die Holzkohle dunkelrot, aber als sie sich erwärmte, wechselte die Farbe zu hellgelb. Bei maximaler Temperatur wurde das emittierte Licht blau-weiß.


Natürliches Licht, 24 Stunden, Simon Lakey

II - Lichtdesign-Techniken

In diesem Abschnitt analysieren wir, welche Beleuchtungsmuster verwendet werden können, um die Ausdruckskraft des Inhalts / visuellen Bereichs zu beeinflussen. Zu diesem Zweck werden wir die Ähnlichkeiten und Unterschiede in den Beleuchtungstechniken identifizieren, die von Lichtkünstlern und Designern verwendet werden.

1 - Helldunkel und Schattenbismus

Helldunkel ist eines der Konzepte der Kunsttheorie, die sich auf die Verteilung der Beleuchtung bezieht. Verwenden Sie diese Option, um Tonübergänge anzuzeigen, um Lautstärke und Stimmung zu vermitteln. Georges de Latour ist bekannt für seine Arbeit mit Nacht-Helldunkel und Szenen bei Kerzenlicht. Keiner seiner Vorgängerkünstler hat solche Übergänge so fachmännisch durchgearbeitet. Licht und Schatten spielen in seinen Arbeiten eine entscheidende Rolle und sind Teil der Komposition in den unterschiedlichsten und oft alternativen Variationen. Das Studium von Gemälden von de Latour hilft, die Verwendung von Licht und seine Eigenschaften zu verstehen.


Georges de Latour "Die Büßerin Maria Magdalena", 1638-1643

a - Hoher Kontrast

Auf diesem Bild heben sich ein helles Gesicht und Kleidung von einem dunklen Hintergrund ab. Aufgrund des hohen Kontrasts der Töne wird die Aufmerksamkeit des Betrachters auf diesen Teil des Bildes gerichtet. In Wirklichkeit würde es keinen solchen Kontrast geben. Der Abstand zwischen Gesicht und Kerze ist größer als zwischen Kerze und Händen. Im Vergleich zum Gesicht sehen wir jedoch, dass der Ton und der Kontrast auf den Händen gedämpft sind. Georges de Latour verwendet verschiedene Kontraste, um die Aufmerksamkeit eines Beobachters auf sich zu ziehen.

b - Kontur und Rhythmus des Lichts

Aufgrund des großen Unterschieds in den Tönen erscheinen Konturen in einigen Bereichen um die Kanten der Figur. Selbst in den dunklen Bereichen des Bildes verwendete der Künstler gerne verschiedene Töne, um die Grenzen des Objekts hervorzuheben. Licht ist nicht in einem Bereich konzentriert, es gleitet nach unten: vom Gesicht zu den Beinen.

c - Lichtquelle

In den meisten Werken verwendet Georges de Latour Kerzen oder Lampen als Lichtquelle. Das Bild zeigt eine brennende Kerze, aber wir wissen bereits, dass Helldunkel nicht davon abhängt. Georges de Latour stellte sein Gesicht vor einen dunklen Hintergrund und stellte eine Kerze auf, um einen scharfen Übergang zwischen den Tönen zu schaffen. Für einen hohen Kontrast grenzen helle Töne an dunkle, um den optimalen Effekt zu erzielen.

d - Helldunkel als Komposition geometrischer Formen

Wenn wir das Licht und den Schatten in dieser Arbeit vereinfachen, werden wir die geometrischen Grundformen sehen. Die Einheit von hellen und dunklen Tönen bildet eine einfache Komposition. Es setzt indirekt das Raumgefühl, in dem die Position von Objekten und Figuren den Vordergrund und den Hintergrund zeigt, und erzeugt Spannung und Energie.

2 - Grundlegende filmische Beleuchtungstechniken

2.1 - Beleuchtung aus drei Punkten

Eine der beliebtesten und erfolgreichsten Möglichkeiten, ein Objekt hervorzuheben, ist die Beleuchtung aus drei Punkten, ein klassisches Hollywood-Schema. Mit dieser Technik können Sie das Volumen eines Artikels übermitteln.

Zeichenlicht (Key Lighting, d. H. Die Hauptlichtquelle)
Dies ist normalerweise das stärkste Licht in jeder Szene. Es kann von überall her kommen, seine Quelle kann von der Seite oder hinter dem Objekt sein (Jeremy Byrne Digital Lighting and Rendering).



Füllbeleuchtung (Füllbeleuchtung, dh Licht zur Steuerung von Kontrasten)
Aus dem Namen geht hervor, dass es verwendet wird, um die dunklen Bereiche, die das Mallicht erzeugt, zu „füllen“ und zu entfernen. Das Fülllicht ist merklich weniger intensiv und befindet sich in einem Winkel zur Hauptlichtquelle.



Hintergrundlicht (Hintergrundbeleuchtung, d. H. Hintergrundtrennzeichen)
Es wird verwendet, um die Lautstärke der Szene zu vermitteln. Es trennt das Objekt vom Hintergrund. Wie bei Fülllicht ist der Hintergrund weniger intensiv und bedeckt einen großen Bereich des Objekts.

2.2 - Unten

Aufgrund der Bewegung der Sonne sind wir es gewohnt, Menschen aus jedem Winkel beleuchtet zu sehen, aber nicht von unten. Diese Methode sieht sehr ungewöhnlich aus.


Frankenstein, James Whale, 1931

2.3 - Zurück

Das Objekt befindet sich zwischen der Lichtquelle und dem Betrachter. Aus diesem Grund erscheint ein Glühen um das Objekt und der Rest seiner Teile bleibt im Schatten.


"Alien", Steven Spielberg, 1982

2.4 - Seite

Eine solche Beleuchtung wird verwendet, um die Szene von der Seite zu beleuchten. Es erzeugt einen klaren Kontrast, zeigt Texturen an und betont die Konturen des Objekts. Diese Methode kommt der Hell-Dunkel-Technik nahe.


Klingenläufer, Ridley Scott, 1982

2.5 - Praktische Beleuchtung

Dies ist echte Beleuchtung in der Szene, dh Lampen, Kerzen, Fernsehbildschirm und andere. Solches zusätzliches Licht kann verwendet werden, um die Lichtintensität zu erhöhen.


Barry Lyndon, Stanley Kubrick, 1975

2.6 - Reflektiertes Licht

Licht von einer starken Quelle wird von einem Reflektor oder einer Oberfläche wie einer Wand oder Decke gestreut. Somit bedeckt Licht eine große Fläche und liegt gleichmäßiger.


Der dunkle Ritter: Die Wiedergeburt der Legende, Christopher Nolan, 2012

2.7 - Hartes und weiches Licht

Der Hauptunterschied zwischen hartem und weichem Licht ist die Größe der Lichtquelle relativ zum Objekt. Die Sonne ist die größte Lichtquelle im Sonnensystem. Es ist jedoch 90 Millionen Kilometer von uns entfernt, was bedeutet, dass es eine kleine Lichtquelle ist. Es erzeugt harte Schatten und dementsprechend hartes Licht. Wenn Wolken erscheinen, wird der gesamte Himmel zu einer riesigen Lichtquelle, und Schatten sind schwieriger zu unterscheiden. So entsteht weiches Licht.


3D-Beispiele von LEGO, Juan Prada, 2017

2.8 - High und Low Key

High Key Lighting wird verwendet, um sehr lebendige Szenen zu erstellen. Es ist oft nahe an einer Überbelichtung. Alle Lichtquellen haben ungefähr die gleiche Leistung.
Im Gegensatz zur High-Key-Beleuchtung ist die Szene bei Low-Key-Beleuchtung sehr dunkel und es kann eine leistungsstarke Lichtquelle vorhanden sein. Die Hauptrolle spielen Schatten, nicht Licht, um ein Gefühl von Spannung oder Drama zu vermitteln.


THX 1138, George Lucas, 1971

2.9 - Motivierte Beleuchtung

Eine solche Beleuchtung imitiert natürliches Licht - Sonnenlicht, Mondlicht, Straßenlaternen und so weiter. Es wird verwendet, um die praktische Beleuchtung zu verbessern. Spezielle Techniken tragen dazu bei, motiviertes Licht natürlich zu machen, z. B. Filter (Gobos), um den Effekt von Vorhangfenstern zu erzielen.


"Drive", Nicholas Winding Refn, 2011

2.10 - Außenlicht

Es können Sonnenlicht, Mondlicht oder Straßenlaternen sein, die in der Szene sichtbar sind.


„Sehr seltsame Dinge. Staffel 3, die Duffer Brothers, 2019

III - Grundlagen des Renderns

Leveldesigner erkennen die Bedeutung der Beleuchtung und nutzen sie, um eine bestimmte Wahrnehmung der Szene zu erreichen. Um die Ebene hervorzuheben und die gewünschten visuellen Ziele zu erreichen, müssen sie die statischen Lichtquellen, ihre Ausbreitungswinkel und Farben bestimmen. Sie geben eine bestimmte Atmosphäre und den notwendigen Überblick. Aber nicht alles ist so einfach, denn die Beleuchtung hängt von solchen technischen Eigenschaften ab - zum Beispiel von der Leistung des Prozessors. Daher gibt es zwei Arten von Beleuchtung: vorberechnete Beleuchtung und Echtzeit-Rendering.

1 - Vorberechnete Beleuchtung

Designer verwenden statische Beleuchtung, um die Beleuchtungseigenschaften für jede Quelle festzulegen - einschließlich Position, Winkel und Farbe. Globale Echtzeitbeleuchtung ist aufgrund der Leistung in der Regel nicht möglich.

Vorberechnete statische globale Beleuchtung kann in den meisten Engines verwendet werden, einschließlich Unreal Engine und Unity. Der Motor „backt“ eine solche Beleuchtung in eine spezielle Textur, die sogenannte „Beleuchtungskarte“ (Lightmap, Lightmap). Diese Lightmaps werden zusammen mit anderen Kartendateien gespeichert, und die Engine greift beim Rendern der Szene darauf zu.


Dieselbe Szene: ohne Beleuchtung (links), nur mit direkter Beleuchtung (in der Mitte) und mit indirekter globaler Beleuchtung (rechts). Grafik mit Einheit Lernen

Neben Lichtkarten gibt es Schattenkarten, mit denen jeweils Schatten erzeugt werden. Zunächst wird alles unter Berücksichtigung der Lichtquelle gezeichnet - es wird ein Schatten erzeugt, der die Pixeltiefe der Szene widerspiegelt. Die resultierende Pixeltiefenkarte wird als Schattenkarte bezeichnet. Es enthält Informationen über den Abstand zwischen der Lichtquelle und den ihr am nächsten gelegenen Objekten für jedes Pixel. Anschließend wird gerendert, wobei jedes Pixel der Oberfläche mit einer Schattenkarte überprüft wird. Wenn der Abstand zwischen dem Pixel und der Lichtquelle größer ist als der in der Schattenkarte aufgezeichnete, befindet sich das Pixel im Schatten.


Der Algorithmus zum Anwenden der Schattenkarte. Illustration mit OpenGl-Tutorial

2 - Echtzeit-Rendering

Eines der klassischen Beleuchtungsmodelle für Echtzeit heißt Lambert (zu Ehren des Schweizer Mathematikers Johann Heinrich Lambert). Beim Echtzeit-Rendering sendet die GPU normalerweise Objekte einzeln. Diese Methode verwendet die Anzeige eines Objekts (seine Position, sein Drehwinkel und seine Skalierung), um zu bestimmen, welche seiner Oberflächen gezeichnet werden müssen.

Bei der Lambert-Beleuchtung geht Licht von jedem Punkt der Oberfläche in alle Richtungen aus. Dies berücksichtigt einige Feinheiten, beispielsweise die Reflexion (Artikel von Chandler Prall), nicht. Um die Szene realistischer erscheinen zu lassen, werden dem Lambert-Modell zusätzliche Effekte überlagert - beispielsweise Blendung.


Lambert-Schattierung am Beispiel einer Kugel. Illustration aus den Materialien von Peter Dyachikhin

Die meisten modernen Engines (Unity, Unreal Engine, Frostbite und andere) verwenden physikalisch korrektes Rendering (Physically Based Rendering, PBR) und Shading (Artikel von Lucas Orsvarn). Die PBR-Schattierung bietet intuitivere und bequemere Methoden und Parameter zur Beschreibung der Oberfläche. In Unreal Engine haben PBR-Materialien die folgenden Parameter:

• Grundfarbe - Die tatsächliche Oberflächentextur.
• Rauheit - wie rau die Oberfläche ist.
• Metallisch - ob die Oberfläche Metall ist.
• Spiegel (Spiegelung) - die Menge an Blendung auf der Oberfläche.

Ohne PBR (links), PBR (rechts). Grafik mit Meta 3D Studio

Es gibt jedoch einen anderen Ansatz für das Rendern - Raytracing. Diese Technologie wurde bisher aufgrund von Leistungs- und Optimierungsproblemen nicht berücksichtigt. Es wurde nur in der Film- und Fernsehindustrie eingesetzt. Die Veröffentlichung einer neuen Generation von Grafikkarten ermöglichte es jedoch erstmals, diesen Ansatz in Videospielen anzuwenden.

Ray Tracing ist eine Rendering-Technologie, die realistischere Lichteffekte erzeugt. Sie wiederholt die Prinzipien der Lichtausbreitung in einer realen Umgebung. Von einer Lichtquelle emittierte Strahlen verhalten sich wie Photonen. Sie werden von Oberflächen in beliebiger Richtung reflektiert. Gleichzeitig übertragen reflektierte oder direkte Strahlen beim Betreten der Kamera visuelle Informationen über die Oberfläche, von der sie reflektiert werden (z. B. die Farbe mitteilen). Viele Projekte mit E3 2019 werden diese Technologie unterstützen.

3 - Arten von Lichtquellen

3.1 - Punktlicht

Es sendet Licht in alle Richtungen aus, wie eine normale Glühbirne im wirklichen Leben.


Unwirkliche Motordokumentation

3.2 - Scheinwerfer

Es emittiert Licht von einem Punkt, während sich das Licht wie ein Kegel ausbreitet. Beispiel aus dem wirklichen Leben: eine Taschenlampe.


Unwirkliche Motordokumentation

3.3 - Flächenlicht

Es sendet direktes Licht von einem bestimmten Pfad (z. B. einem Rechteck oder Kreis) aus. Solches Licht belastet den Prozessor stark, da der Computer alle Punkte berechnet, die Licht emittieren.


Unity-Dokumentation

3.4 - Richtungslicht

Simuliert die Sonne oder eine andere entfernte Lichtquelle. Alle Strahlen bewegen sich in eine Richtung und können als parallel betrachtet werden.


Unity-Dokumentation

3.5 - Emissionslicht

Die emittierende Lichtquelle oder die emittierenden Materialien (Emissionsmaterialien in UE4) erzeugen leicht und effektiv die Illusion, dass das Material Licht emittiert. Es gibt einen Unschärfeeffekt des Lichts - es ist sichtbar, wenn Sie ein sehr helles Objekt betrachten.


Unwirkliche Motordokumentation

3.6 - Umgebungslicht

Die Szene aus Doom 3 wird von Lampen an den Wänden beleuchtet, der Motor erzeugt Schatten. Wenn die Oberfläche im Schatten liegt, malt er sie schwarz. Im wirklichen Leben können Lichtteilchen (Photonen) von Oberflächen reflektiert werden. In fortschrittlicheren Rendering-Systemen wird Licht in Texturen eingebrannt oder in Echtzeit berechnet (globale Beleuchtung). Ältere Spiel-Engines - wie ID Tech 3 (Doom) - verbrauchten zu viele Ressourcen, um die indirekte Beleuchtung zu berechnen. Um das Problem mit dem Mangel an indirekter Beleuchtung zu lösen, wurde Streulicht verwendet. Und alle Oberflächen waren zumindest leicht beleuchtet.


Doom 3 Motor (IdTech 4 Motor)

3.7 - Globale Beleuchtung

Globale Beleuchtung ist ein Versuch, die Reflexion von Licht von einem Objekt zum anderen zu berechnen. Dieser Prozess lädt den Prozessor viel mehr als diffuses Licht.


Unwirkliche Motordokumentation

IV - Lichtdesign in Videospielen

Die visuelle Zusammensetzung (Position des Lichts, Winkel, Farben, Sichtfeld, Bewegung) hat einen großen Einfluss darauf, wie Benutzer die Spielumgebung wahrnehmen.

Designer Will Wright von GDC sprach über die Merkmale der visuellen Komposition in einer Spielumgebung. , — , .
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1 —

Uncharted 4
«100 » (100 Things Every Designer Needs to Know About People) .

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Uncharted — . , , , .



Until Dawn
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2 — /

Resident Evil 2 Remake

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Dark Souls I

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3 —

Prey

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Alien Isolation

«» , . — - .

4 —

Splinter Cell: Blacklist

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Mark of the Ninja

Mark of the Ninja . - : «, , , . , , , — » ( Mark of the Ninja's five stealth design rules).

5 — /

Alan Wake

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A Plague Tale: Innocence

Asobo Studio . , , , .

6 — /

Deus Ex: Mankind Divided

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Hollow Knight

Team Cherry , .

, , , , . , ( ) . .

7 —

Assassin's Creed Odyssey

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Don't Starve

Don't Starve — . , . .

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V —

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Referenzliste

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