Comment l'éclairage affecte la conception du jeu et l'expérience de jeu

En prévision de la PS5 et du projet Scarlett, qui soutiendront le lancer de rayons, j'ai pensé à l'éclairage dans les jeux. J'ai trouvé du matériel où l'auteur explique ce qu'est la lumière, comment elle affecte le design, change le gameplay, l'esthétique et l'expérience. Le tout avec des exemples et des captures d'écran. Pendant le jeu, vous ne faites pas immédiatement attention à cela.

Présentation

L'éclairage est nécessaire non seulement pour que le joueur puisse distinguer la scène (bien que cela soit très important). La lumière affecte les émotions. De nombreuses techniques d'éclairage dans le théâtre, le cinéma et l'architecture sont utilisées pour améliorer la composante émotionnelle. Pourquoi ne pas emprunter ces principes aux concepteurs de jeux? La connexion entre l'image et la réponse émotionnelle fournit un autre outil puissant qui vous aide à travailler avec le personnage, la narration, le son, la mécanique du jeu, etc. Dans ce cas, l'interaction de la lumière avec la surface vous permet d'affecter la luminosité, la couleur, le contraste, l'ombre et d'autres effets. Tout cela se traduit par une base que chaque designer doit maîtriser.

Le but de ce matériau est de déterminer comment la conception de l'éclairage affecte l'esthétique du jeu et l'expérience utilisateur. Nous analyserons la nature de la lumière et comment elle est utilisée dans d'autres domaines de l'art pour analyser son rôle dans les jeux vidéo.


Lac des cygnes, Alexander Ekman

I - La nature de la lumière

«Espace, lumière et ordre. Ce sont les choses dont les gens ont autant besoin qu’un morceau de pain ou une nuit », - Le Corbusier.

La lumière naturelle nous guide et nous accompagne dès la naissance. C'est nécessaire, cela donne notre rythme naturel. La lumière contrôle les processus de notre corps et affecte l'horloge biologique. Nous comprendrons ce que sont le flux lumineux, l'intensité lumineuse, la couleur et les points focaux. Et puis nous comprendrons en quoi consiste la lumière et comment elle se comporte.

1 - Ce que l'œil humain voit

La lumière fait partie du spectre électromagnétique perçu par l'œil. Dans ce domaine, les longueurs d'onde varient de 380 à 780 nm. Pendant la journée, nous distinguons les couleurs grâce aux cônes, et la nuit, l'œil utilise des bâtons, et nous ne voyons que des dégradés de gris.

Les principales propriétés de la lumière visible sont la direction, l'intensité, la fréquence et la polarisation. Sa vitesse dans le vide est de 300 000 000 m / s, et c'est l'une des constantes physiques fondamentales.


Spectre électromagnétique visible

2 - Direction de distribution

Il n'y a pas de substance dans le vide et la lumière voyage directement. Cependant, il se comporte différemment lorsqu'il est exposé à l'eau, à l'air et à d'autres substances. Au contact de la substance, une partie de la lumière est absorbée et convertie en énergie thermique. Lors d'une collision avec un matériau transparent, une partie de la lumière est également absorbée, mais le reste passe à travers. À partir d'objets lisses tels qu'un miroir, la lumière est réfléchie. Si la surface de l'objet est inégale, la lumière est diffusée.


Direction de la lumière

3 - Caractéristiques de base

Flux lumineux. La quantité de lumière émise par la source lumineuse.
Unité de mesure: lm (lumen).



Le pouvoir de la lumière. La quantité de lumière transportée dans une direction particulière.
Unité de mesure: cd (candela).



L'illumination La quantité de flux lumineux incident sur la surface.
Éclairage = flux lumineux (lm) / surface (m2).

Unité de mesure: lx (lux).



Luminosité. C'est la seule caractéristique fondamentale de la lumière que l'œil humain perçoit. D'une part, elle prend en compte la luminosité de la source lumineuse, d'autre part, la surface, ce qui signifie qu'elle dépend fortement du degré de réflexion (couleur et surface).
Unité de mesure: cd / m2.

4 - Température de couleur

La température de couleur est mesurée en Kelvin et affiche la couleur d'une source de lumière particulière. Le physicien britannique William Kelvin a chauffé un morceau de charbon. Il brillait, scintillant de différentes couleurs correspondant à différentes températures. Au début, le charbon de bois brillait en rouge foncé, mais en se réchauffant, la couleur a changé en jaune vif. À la température maximale, la lumière émise est devenue bleu-blanc.


Lumière naturelle, 24 heures, Simon Lakey

II - Techniques de conception lumineuse

Dans cette section, nous analyserons les modèles d'éclairage qui peuvent être utilisés pour influencer l'expressivité du contenu / de la plage visuelle. Pour ce faire, nous identifierons les similitudes et les différences dans les techniques d'éclairage utilisées par les artistes et designers d'éclairage.

1 - Clair-obscur et ombre

Le clair-obscur est l'un des concepts de la théorie de l'art, qui concerne la distribution de l'illumination. Utilisez-le pour afficher les transitions de tonalité pour transmettre le volume et l'ambiance. Georges de Latour est connu pour son travail avec le clair-obscur nocturne et les scènes éclairées aux chandelles. Aucun de ses prédécesseurs n'a réussi à traverser de telles transitions avec autant de compétence. La lumière et l'ombre jouent un rôle crucial dans ses œuvres et font partie de la composition dans les variations les plus variées et souvent alternatives. L'étude des peintures de de Latour permet de comprendre l'utilisation de la lumière et ses propriétés.


Georges de Latour "La pénitente Marie-Madeleine", 1638-1643

a - Contraste élevé

Sur cette photo, un visage lumineux et des vêtements se détachent sur un fond sombre. En raison du contraste élevé des tons, l'attention du spectateur est concentrée sur cette partie de l'image. En réalité, il n'y aurait pas un tel contraste. La distance entre le visage et la bougie est plus grande qu'entre la bougie et les mains. Cependant, en comparant avec le visage, nous voyons que le ton et le contraste des mains sont étouffés. Georges de Latour utilise différents contrastes pour attirer l'attention d'un observateur.

b - Contour et rythme de la lumière

En raison de la grande différence de tons, des contours apparaissent dans certaines zones autour des bords de la figure. Même dans les parties sombres de l'image, l'artiste aimait utiliser des tons différents pour souligner les limites de l'objet. La lumière n'est pas concentrée dans une zone, elle glisse: du visage vers les jambes.

c - Source lumineuse

Dans la plupart des œuvres, Georges de Latour utilise des bougies ou des lampes comme source lumineuse. La photo montre une bougie allumée, mais nous savons déjà que le clair-obscur n'en dépend pas. Georges de Latour a mis son visage sur un fond sombre et a mis une bougie pour créer une transition nette entre les tons. Pour un contraste élevé, les tons clairs sont adjacents à l'obscurité, obtenant l'effet optimal.

d - Le clair-obscur comme composition de formes géométriques

Si nous simplifions la lumière et l'ombre dans ce travail, nous verrons les formes géométriques de base. L'unité des tons clairs et foncés forme une composition simple. Il définit indirectement la sensation d'espace dans laquelle la position des objets et des figures montre le premier plan et l'arrière-plan, créant de la tension et de l'énergie.

2 - Techniques d'éclairage cinématographique de base

2.1 - Éclairage à partir de trois points

L'un des moyens les plus populaires et les plus efficaces pour mettre en évidence un objet est l'éclairage à partir de trois points, un schéma hollywoodien classique. Cette technique vous permet de transmettre le volume d'un article.

Dessin de lumière (Key Lighting, c'est-à-dire la source de lumière principale)
Il s'agit généralement de la lumière la plus puissante de chaque scène. Il peut provenir de n'importe où, sa source peut provenir du côté ou derrière l'objet (Jeremy Byrne Digital Lighting and Rendering).



Éclairage d'appoint (éclairage d'appoint, c'est-à-dire la lumière pour contrôler les contrastes)
D'après le nom, il est évident qu'il est utilisé pour «remplir» et supprimer les zones sombres que la lumière de peinture crée. La lumière d'appoint est nettement moins intense et est située à un angle par rapport à la source de lumière principale.



Lumière de fond (rétro-éclairage, c'est-à-dire séparateur d'arrière-plan)
Il est utilisé pour transmettre le volume de la scène. Il sépare l'objet de l'arrière-plan. Comme la lumière d'appoint, l'arrière-plan est moins intense et couvre une grande partie de l'objet.

2.2 - Bas

En raison du mouvement du soleil, nous avons l'habitude de voir des personnes illuminées sous n'importe quel angle, mais pas d'en bas. Cette méthode semble très inhabituelle.


Frankenstein, James Whale, 1931

2.3 - Retour

L'objet est situé entre la source de lumière et le spectateur. Pour cette raison, une lueur apparaît autour de l'objet et le reste de ses parties restent à l'ombre.


«Alien», Steven Spielberg, 1982

2.4 - Côté

Un tel éclairage est utilisé pour éclairer la scène de côté. Il crée un contraste clair, affichant des textures et accentuant les contours de l'objet. Cette méthode est proche de la technique du clair-obscur.


Blade Runner, Ridley Scott, 1982

2.5 - Éclairage pratique

Il s'agit d'un véritable éclairage dans la scène, c'est-à-dire des lampes, des bougies, un écran de télévision et autres. Cette lumière supplémentaire peut être utilisée pour améliorer l'intensité lumineuse.


Barry Lyndon, Stanley Kubrick, 1975

2.6 - Lumière réfléchie

La lumière d'une source puissante est diffusée par un réflecteur ou une surface, comme un mur ou un plafond. Ainsi, la lumière couvre une grande surface et s'étend de manière plus uniforme.


Le chevalier noir: la renaissance de la légende, Christopher Nolan, 2012

2.7 - Lumière dure et douce

La principale différence entre la lumière dure et douce est la taille de la source lumineuse par rapport à l'objet. Le soleil est la plus grande source de lumière du système solaire. Cependant, il est à 90 millions de kilomètres de nous, ce qui signifie que c'est une petite source de lumière. Il crée des ombres dures et, par conséquent, une lumière dure. Si des nuages ​​apparaissent, le ciel entier devient une énorme source de lumière et les ombres sont plus difficiles à distinguer. Ainsi, une lumière douce apparaît.


Exemples 3D de LEGO, Juan Prada, 2017

2.8 - Touche haute et basse

Un éclairage élevé est utilisé pour créer des scènes très vives. Elle est souvent proche d'une exposition surexposée. Toutes les sources lumineuses ont approximativement la même puissance.
Contrairement à l'éclairage des touches, avec une touche discrète, la scène est très sombre et il peut y avoir une puissante source de lumière. Le rôle principal est donné aux ombres, pas à la lumière, pour transmettre un sentiment de suspense ou de drame.


THX 1138, George Lucas, 1971

2.9 - Éclairage motivé

Un tel éclairage imite la lumière naturelle - solaire, clair de lune, lampadaires, etc. Il est utilisé pour améliorer l'éclairage pratique. Des techniques spéciales aident à rendre naturel un éclairage motivé, comme les filtres (gobos) pour créer l'effet de fenêtres rideaux.


"Drive", Nicholas Winding Refn, 2011

2.10 - Éclairage extérieur

Il peut s'agir de la lumière du soleil, du clair de lune ou des lampadaires visibles dans la scène.


«Des choses très étranges. Saison 3, The Duffer Brothers, 2019

III - Bases du rendu

Les concepteurs de niveaux reconnaissent l'importance de l'éclairage et l'utilisent pour obtenir une certaine perception de la scène. Afin de mettre en évidence le niveau et d'atteindre les objectifs visuels souhaités, ils doivent déterminer les sources lumineuses statiques, leurs angles de propagation et leurs couleurs. Ils ont créé une certaine atmosphère et l'aperçu nécessaire. Mais tout n'est pas si simple, car l'éclairage dépend de telles caractéristiques techniques - par exemple, de la puissance du processeur. Par conséquent, il existe deux types d'éclairage: l'éclairage pré-calculé et le rendu en temps réel.

1 - Éclairage précalculé

Les concepteurs utilisent un éclairage statique pour définir les caractéristiques d'éclairage de chaque source, notamment sa position, son angle et sa couleur. En règle générale, l'éclairage global en temps réel n'est pas possible en raison des performances.

L'éclairage global statique pré-calculé peut être utilisé dans la plupart des moteurs, y compris Unreal Engine et Unity. Le moteur «cuit» un tel éclairage dans une texture spéciale, la soi-disant «carte d'éclairage» (lightmap, lightmap). Ces lightmaps sont stockées avec d'autres fichiers de carte et le moteur y accède lors du rendu de la scène.


La même scène: sans éclairage (à gauche), uniquement avec un éclairage direct (au milieu) et avec un éclairage global indirect (à droite). Création avec Unity Learn

En plus des lightmaps, il existe des cartes fantômes, qui, respectivement, sont utilisées pour créer des ombres. Tout d'abord, tout est dessiné en tenant compte de la source de lumière - il produit une ombre qui reflète la profondeur de pixels de la scène. La carte de profondeur de pixels résultante est appelée une carte d'ombre. Il contient des informations sur la distance entre la source lumineuse et les objets les plus proches pour chaque pixel. Ensuite, le rendu est effectué, où chaque pixel de la surface est vérifié avec une carte d'ombre. Si la distance entre le pixel et la source de lumière est supérieure à celle enregistrée dans la carte des ombres, alors le pixel est dans l'ombre.


L'algorithme d'application de la carte fantôme. Illustration avec OpenGl-tutorial

2 - Rendu en temps réel

L'un des modèles d'éclairage classiques pour le temps réel s'appelle le modèle Lambert (en l'honneur du mathématicien suisse Johann Heinrich Lambert). Dans le rendu en temps réel, le GPU envoie généralement les objets un par un. Cette méthode utilise l'affichage d'un objet (sa position, son angle de rotation et son échelle) pour déterminer laquelle de ses surfaces doit être dessinée.

Dans le cas de l'éclairage Lambert, la lumière émane de tous les points de la surface dans toutes les directions. Cela ne prend pas en compte certaines subtilités, par exemple la réflexion (article de Chandler Prall). Pour rendre la scène plus réaliste, des effets supplémentaires sont superposés au modèle Lambert - l'éblouissement, par exemple.


Ombrage Lambert sur l'exemple d'une sphère. Illustration à partir des matériaux de Peter Dyachikhin

La plupart des moteurs modernes (Unity, Unreal Engine, Frostbite et autres) utilisent un rendu physiquement correct (rendu physique, PBR) et un ombrage (article de Lucas Orsvarn). L'ombrage PBR offre des méthodes et des paramètres plus intuitifs et pratiques pour décrire la surface. Dans Unreal Engine, les matériaux PBR ont les paramètres suivants:

• Couleur de base - La texture de surface réelle.
• Rugosité - la rugosité de la surface.
• Métallique - si la surface est métallique.
• Spéculaire (spécularité) - la quantité d'éblouissement sur la surface.

Sans PBR (gauche), PBR (droite). Oeuvre avec le studio Meta 3D

Cependant, il existe une autre approche pour le rendu - le lancer de rayons. Cette technologie n'a pas été envisagée auparavant en raison de problèmes de performances et d'optimisation. Il n'était utilisé que dans les industries du film et de la télévision. Mais la sortie d'une nouvelle génération de cartes graphiques a permis pour la première fois d'utiliser cette approche dans les jeux vidéo.

Le lancer de rayons est une technologie de rendu qui crée des effets d'éclairage plus réalistes. Elle répète les principes de propagation de la lumière dans un environnement réel. Les rayons émis par une source lumineuse se comportent de la même manière que les photons. Ils sont réfléchis par les surfaces dans une direction arbitraire. Dans le même temps, en pénétrant dans la caméra, les rayons réfléchis ou directs transmettent des informations visuelles sur la surface à partir de laquelle ils sont réfléchis (par exemple, communiquent sa couleur). De nombreux projets avec E3 2019 prendront en charge cette technologie.

3 - Types de sources lumineuses

3.1 - Lumière ponctuelle

Il émet de la lumière dans toutes les directions, comme une ampoule normale dans la vraie vie.


Documentation Unreal Engine

3.2 - Projecteur

Il émet de la lumière à partir d'un point, tandis que la lumière se propage comme un cône. Exemple réel: une lampe de poche.


Documentation Unreal Engine

3.3 - Éclairage de zone

Il émet de la lumière directe à partir d'un chemin spécifique (tel qu'un rectangle ou un cercle). Une telle lumière charge fortement le processeur, car l'ordinateur calcule tous les points qui émettent de la lumière.


Documentation Unity

3.4 - Feu directionnel

Simule le soleil ou une autre source de lumière éloignée. Tous les rayons se déplacent dans une direction et peuvent être considérés comme parallèles.


Documentation Unity

3.5 - Lumière émissive

La source de lumière émettrice ou les matériaux émetteurs (matériaux émissifs dans UE4) créent facilement et efficacement l'illusion que le matériau émet de la lumière. Il y a un effet de flou de la lumière - il est visible si vous regardez un objet très lumineux.


Documentation Unreal Engine

3.6 - Lumière ambiante

La scène de Doom 3 est éclairée par des lampes sur les murs, le moteur crée des ombres. Si la surface est dans l'ombre, il la peint en noir. Dans la vraie vie, les particules de lumière (photons) peuvent être réfléchies sur les surfaces. Dans les systèmes de rendu plus avancés, la lumière est intégrée dans des textures ou calculée en temps réel (éclairage global). Les moteurs de jeux plus anciens - comme ID Tech 3 (Doom) - ont utilisé trop de ressources pour calculer l'éclairage indirect. Pour résoudre le problème du manque d'éclairage indirect, une lumière diffusée a été utilisée. Et toutes les surfaces étaient au moins légèrement éclairées.


Moteur Doom 3 (moteur IdTech 4)

3.7 - Éclairage global

L'éclairage global est une tentative de calculer la réflexion de la lumière d'un objet à un autre. Ce processus charge le processeur beaucoup plus que la lumière diffuse.


Documentation Unreal Engine

IV - Light Design dans les jeux vidéo

La composition visuelle (la position de la lumière, ses angles, couleurs, champ de vision, mouvement) a une grande influence sur la façon dont les utilisateurs perçoivent l'environnement de jeu.

Le concepteur Will Wright de GDC a parlé des caractéristiques de la composition visuelle dans un environnement de jeu. En particulier, il attire l'attention du joueur sur les éléments importants - cela se produit en ajustant la saturation, la luminosité et la couleur des objets au niveau.
Tout cela affecte le gameplay.

La bonne atmosphère implique émotionnellement le joueur. Les concepteurs doivent prendre soin de cela tout en créant l'intégrité visuelle.

Maggie Safe El-Nasr a mené plusieurs expériences - elle a invité des utilisateurs qui ne sont pas familiers avec les tireurs FPS à jouer dans le tournoi Unreal. En raison d'un mauvais éclairage, les joueurs ont repéré les ennemis trop tard et sont morts rapidement. Ils étaient bouleversés et, dans la plupart des cas, ont abandonné le match.

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1 —

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

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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

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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

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7 —

Assassin's Creed Odyssey

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Don't Starve

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V —

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