Bagaimana pencahayaan memengaruhi desain game dan pengalaman bermain game

Untuk mengantisipasi PS5 dan Project Scarlett, yang akan mendukung penelusuran sinar, saya berpikir tentang pencahayaan dalam permainan. Saya menemukan materi di mana penulis menjelaskan apa itu cahaya, bagaimana pengaruhnya terhadap desain, perubahan gameplay, estetika dan pengalaman. Semua dengan contoh dan tangkapan layar. Selama pertandingan, Anda tidak segera memperhatikan hal ini.

Pendahuluan

Pencahayaan diperlukan tidak hanya agar pemain dapat melihat pemandangan (meskipun ini sangat penting). Cahaya memengaruhi emosi. Banyak teknik pencahayaan di teater, bioskop dan arsitektur digunakan untuk meningkatkan komponen emosional. Mengapa tidak meminjam prinsip-prinsip ini dari desainer game? Hubungan antara gambar dan respons emosional menyediakan alat kuat lain yang membantu Anda bekerja dengan karakter, narasi, suara, mekanika game, dan sebagainya. Dalam hal ini, interaksi cahaya dengan permukaan memungkinkan Anda untuk mempengaruhi kecerahan, warna, kontras, bayangan, dan efek lainnya. Semua ini diterjemahkan ke dalam basis yang harus dikuasai setiap desainer.

Tujuan dari materi ini adalah untuk menentukan bagaimana desain pencahayaan memengaruhi estetika game dan pengalaman pengguna. Kami akan menganalisis sifat cahaya dan bagaimana cahaya itu digunakan dalam bidang seni lain untuk menganalisis perannya dalam video game.


Danau Swan, Alexander Ekman

I - Sifat cahaya

“Ruang, cahaya, dan ketertiban. Ini adalah hal-hal yang orang butuhkan sebanyak mereka membutuhkan sepotong roti atau menginap, ”- Le Corbusier.

Cahaya alami menuntun dan menemani kita sejak saat kelahiran. Itu perlu, itu mengatur ritme alami kita. Cahaya mengontrol proses tubuh kita dan memengaruhi jam biologis. Kita akan mengerti apa itu fluks bercahaya, intensitas cahaya, warna dan titik fokus. Dan kemudian kita akan mengerti apa yang terdiri dari cahaya dan bagaimana perilakunya.

1 - Apa yang dilihat mata manusia

Cahaya adalah bagian dari spektrum elektromagnetik yang dirasakan oleh mata. Di area ini, panjang gelombang berkisar 380 hingga 780 nm. Pada siang hari, kami membedakan warna berkat kerucut, dan pada malam hari mata menggunakan tongkat, dan kami hanya melihat gradasi abu-abu.

Sifat utama cahaya tampak adalah arah, intensitas, frekuensi dan polarisasi. Kecepatannya dalam ruang hampa adalah 300.000.000 m / s, dan ini adalah salah satu konstanta fisik dasar.


Spektrum elektromagnetik yang terlihat

2 - Arah distribusi

Tidak ada substansi dalam ruang hampa, dan cahaya bergerak langsung. Namun, ia berperilaku berbeda ketika terkena air, udara, dan zat lainnya. Setelah kontak dengan substansi, bagian dari cahaya diserap dan diubah menjadi energi panas. Dalam tabrakan dengan bahan transparan, bagian dari cahaya juga diserap, tetapi sisanya melewati. Dari benda-benda halus seperti cermin, cahaya dipantulkan. Jika permukaan objek tidak rata, cahayanya tersebar.


Arah cahaya

3 - Fitur Dasar

Fluks bercahaya. Jumlah cahaya yang dipancarkan oleh sumber cahaya.
Unit pengukuran: lm (lumen).



Kekuatan cahaya. Jumlah cahaya yang dibawa ke arah tertentu.
Unit pengukuran: cd (candela).



Penerangan Jumlah insiden fluks bercahaya di permukaan.
Penerangan = fluks bercahaya (lm) / area (m2).

Unit pengukuran: lx (lux).



Kecerahan Ini adalah satu-satunya karakteristik dasar cahaya yang diterima mata manusia. Di satu sisi, itu memperhitungkan kecerahan sumber cahaya, di sisi lain, permukaan, yang berarti sangat tergantung pada tingkat pantulan (warna dan permukaan).
Unit pengukuran: cd / m2.

4 - Temperatur warna

Temperatur warna diukur dalam Kelvin dan menampilkan warna sumber cahaya tertentu. Fisikawan Inggris William Kelvin memanaskan sebongkah batu bara. Dia bersinar, berkilauan dalam berbagai warna yang sesuai dengan suhu yang berbeda. Pada awalnya, arang menyala merah gelap, tetapi saat dihangatkan, warnanya berubah menjadi kuning cerah. Pada suhu maksimum, lampu yang dipancarkan berubah biru-putih.


Cahaya alami, 24 jam, Simon Lakey

II - Teknik Desain Cahaya

Pada bagian ini, kami akan menganalisis pola pencahayaan mana yang dapat digunakan untuk memengaruhi ekspresifitas konten / rentang visual. Untuk melakukan ini, kami akan mengidentifikasi persamaan dan perbedaan dalam teknik pencahayaan yang digunakan oleh seniman dan desainer pencahayaan.

1 - Chiaroscuro dan Shadebism

Chiaroscuro adalah salah satu konsep dari teori seni, yang berhubungan dengan distribusi iluminasi. Gunakan untuk menampilkan transisi nada untuk menyampaikan volume dan suasana hati. Georges de Latour dikenal karena karyanya dengan chiaroscuro malam dan pemandangan yang diterangi cahaya lilin. Tak satu pun dari seniman pendahulunya bekerja melalui transisi sedemikian ahli. Cahaya dan bayangan memainkan peran penting dalam karya-karyanya dan merupakan bagian dari komposisi dalam variasi alternatif yang paling bervariasi dan sering. Studi lukisan oleh de Latour membantu untuk memahami penggunaan cahaya dan sifat-sifatnya.


Georges de Latour "Mary Magdalene yang menyesal", 1638-1643

a - Kontras tinggi

Dalam gambar ini, wajah dan pakaian yang cerah menonjol dengan latar belakang yang gelap. Karena kontras nada yang tinggi, perhatian pemirsa difokuskan pada bagian gambar ini. Pada kenyataannya, tidak akan ada perbedaan seperti itu. Jarak antara wajah dan lilin lebih besar daripada antara lilin dan tangan. Namun, dibandingkan dengan wajah, kita melihat bahwa nada dan kontras pada tangan teredam. Georges de Latour menggunakan kontras yang berbeda untuk menarik perhatian pengamat.

b - Kontur dan irama cahaya

Karena perbedaan nada yang tinggi, kontur muncul di beberapa area di sekitar tepi gambar. Bahkan di bagian gelap gambar, seniman suka menggunakan nada berbeda untuk menekankan batas-batas objek. Cahaya tidak terkonsentrasi di satu area, ia meluncur turun: dari wajah ke kaki.

c - Sumber cahaya

Dalam kebanyakan karya, Georges de Latour menggunakan lilin atau lampu sebagai sumber cahaya. Gambar menunjukkan lilin yang menyala, tetapi kita sudah tahu bahwa chiaroscuro tidak bergantung padanya. Georges de Latour mengarahkan wajahnya ke latar belakang yang gelap dan mengatur lilin untuk menciptakan transisi tajam antar nada. Untuk kontras tinggi, nada cahaya berdekatan dengan gelap, mencapai efek optimal.

d - Chiaroscuro sebagai komposisi bentuk geometris

Jika kita menyederhanakan cahaya dan bayangan dalam karya ini, kita akan melihat bentuk geometris dasar. Kesatuan nada terang dan gelap membentuk komposisi sederhana. Ini secara tidak langsung menetapkan perasaan ruang di mana posisi benda dan gambar menunjukkan latar depan dan latar belakang, menciptakan ketegangan dan energi.

2 - Teknik pencahayaan sinematik dasar

2.1 - Pencahayaan dari tiga titik

Salah satu cara paling populer dan sukses untuk menyorot objek apa pun adalah pencahayaan dari tiga titik, skema Hollywood klasik. Teknik ini memungkinkan Anda untuk menyampaikan volume suatu barang.

Gambar cahaya (Pencahayaan Utama, mis. Sumber cahaya utama)
Ini biasanya merupakan cahaya paling kuat di setiap adegan. Itu bisa datang dari mana saja, sumbernya bisa dari sisi atau di belakang objek (Jeremy Byrne Digital Lighting and Rendering).



Isi Pencahayaan (Isi Pencahayaan, yaitu, cahaya untuk mengontrol kontras)
Dari namanya jelas bahwa itu digunakan untuk "mengisi" dan menghilangkan area gelap yang diciptakan oleh cahaya lukisan. Lampu isian terasa kurang intens dan terletak pada sudut ke sumber cahaya utama.



Lampu latar (Cahaya latar, mis. Pemisah latar belakang)
Ini digunakan untuk menyampaikan volume adegan. Ini memisahkan objek dari latar belakang. Seperti mengisi cahaya, latar belakang kurang intens dan mencakup area objek yang luas.

2.2 - Bawah

Karena pergerakan matahari, kita terbiasa melihat orang-orang diterangi dari sudut manapun, tetapi tidak dari bawah. Metode ini terlihat sangat tidak biasa.


Frankenstein, James Whale, 1931

2.3 - Kembali

Objek terletak di antara sumber cahaya dan penampil. Karena itu, cahaya muncul di sekitar objek, dan bagian-bagian lainnya tetap berada di tempat teduh.


"Alien," Steven Spielberg, 1982

2.4 - Sisi

Pencahayaan semacam itu digunakan untuk menerangi pemandangan dari samping. Ini menciptakan kontras yang jelas, menampilkan tekstur dan menekankan kontur objek. Metode ini dekat dengan teknik chiaroscuro.


Blade Runner, Ridley Scott, 1982

2.5 - Pencahayaan praktis

Ini adalah pencahayaan nyata dalam adegan, yaitu - lampu, lilin, layar TV, dan lainnya. Cahaya tambahan semacam itu dapat digunakan untuk meningkatkan intensitas cahaya.


Barry Lyndon, Stanley Kubrick, 1975

2.6 - Cahaya yang Dipantulkan

Cahaya dari sumber yang kuat tersebar oleh reflektor atau permukaan, seperti dinding atau langit-langit. Dengan demikian, cahaya mencakup area yang luas dan letaknya lebih rata.


The Dark Knight: Kelahiran Kembali Legenda, Christopher Nolan, 2012

2.7 - Cahaya keras dan lunak

Perbedaan utama antara cahaya keras dan lunak adalah ukuran sumber cahaya relatif terhadap objek. Matahari adalah sumber cahaya terbesar di tata surya. Namun, jaraknya 90 juta kilometer dari kita, yang berarti sumber cahaya yang kecil. Ini menciptakan bayangan keras dan, karenanya, cahaya keras. Jika awan muncul, seluruh langit menjadi sumber cahaya yang besar, dan bayangan lebih sulit dibedakan. Jadi, cahaya lembut muncul.


Contoh 3D dari LEGO, Juan Prada, 2017

2.8 - Tombol tinggi dan rendah

Pencahayaan tombol tinggi digunakan untuk membuat adegan yang sangat jelas. Ini sering dekat dengan paparan berlebihan. Semua sumber cahaya memiliki kekuatan yang hampir sama.
Tidak seperti pencahayaan tombol tinggi, dengan kunci rendah adegan sangat gelap dan mungkin ada sumber cahaya yang kuat. Peran utama diberikan pada bayangan, bukan cahaya, untuk menyampaikan rasa ketegangan atau drama.


THX 1138, George Lucas, 1971

2.9 - Penerangan Termotivasi

Pencahayaan semacam itu meniru cahaya alami - matahari, cahaya bulan, lampu jalan, dan sebagainya. Ini digunakan untuk meningkatkan pencahayaan praktis. Teknik khusus membantu membuat pencahayaan yang termotivasi menjadi alami, seperti filter (gobo) untuk menciptakan efek jendela bertirai.


"Drive", Nicholas Winding Refn, 2011

2.10 - Lampu luar ruang

Bisa berupa sinar matahari, sinar bulan, atau lampu jalan yang terlihat di pemandangan.


“Hal-hal yang sangat aneh. Musim 3, Duffer Brothers, 2019

III - Dasar-Dasar Rendering

Desainer tingkat mengakui pentingnya pencahayaan dan menggunakannya untuk mencapai persepsi tertentu tentang pemandangan. Untuk menyoroti level dan mencapai tujuan visual yang diinginkan, mereka perlu menentukan sumber cahaya statis, sudut rambat, dan warna. Mereka mengatur suasana tertentu dan ikhtisar yang diperlukan. Tetapi semuanya tidak begitu sederhana, karena pencahayaan tergantung pada karakteristik teknis seperti itu - misalnya, pada kekuatan prosesor. Oleh karena itu, ada dua jenis pencahayaan: pencahayaan yang dihitung sebelumnya dan render waktu-nyata.

1 - Pencahayaan yang dikomputasi

Desainer menggunakan pencahayaan statis untuk mengatur karakteristik pencahayaan untuk setiap sumber - termasuk posisi, sudut, dan warnanya. Sebagai aturan, pencahayaan global waktu nyata tidak dimungkinkan karena kinerja.

Pencahayaan global statis pra-hitung dapat digunakan di sebagian besar engine, termasuk Unreal Engine dan Unity. Mesin "bakes" pencahayaan tersebut menjadi tekstur khusus, yang disebut "peta pencahayaan" (lightmap, lightmap). Peta cahaya ini disimpan bersama dengan file peta lainnya, dan mesin mengaksesnya saat merender adegan.


Adegan yang sama: tanpa penerangan (kiri), hanya dengan penerangan langsung (di tengah) dan dengan penerangan global tidak langsung (kanan). Karya Seni dengan Unity Learn

Selain lightmaps, ada kartu bayangan, yang, masing-masing, digunakan untuk membuat bayangan. Pertama, semuanya ditarik dengan mempertimbangkan sumber cahaya - itu menghasilkan bayangan yang mencerminkan kedalaman piksel adegan. Peta kedalaman piksel yang dihasilkan disebut peta bayangan. Ini berisi informasi tentang jarak antara sumber cahaya dan objek terdekat untuk setiap piksel. Kemudian rendering dilakukan, di mana setiap piksel permukaan diperiksa dengan peta bayangan. Jika jarak antara piksel dan sumber cahaya lebih besar dari yang terekam di peta bayangan, maka pikselnya ada di dalam bayangan.


Algoritma untuk menerapkan peta bayangan. Ilustrasi dengan tutorial OpenGl

2 - Render waktu-nyata

Salah satu model pencahayaan klasik untuk waktu nyata disebut model Lambert (untuk menghormati matematikawan Swiss Johann Heinrich Lambert). Dalam rendering waktu-nyata, GPU biasanya mengirimkan objek satu per satu. Metode ini menggunakan tampilan objek (posisi, sudut rotasi, dan skalanya) untuk menentukan permukaan mana yang perlu digambar.

Dalam hal pencahayaan Lambert, cahaya memancar dari setiap titik di permukaan ke segala arah. Ini tidak memperhitungkan beberapa seluk-beluk, misalnya, refleksi (artikel oleh Chandler Prall). Untuk membuat adegan terlihat lebih realistis, efek tambahan ditumpangkan pada model Lambert - silau, misalnya.


Lambert menaungi contoh bola. Ilustrasi dari bahan-bahan Peter Dyachikhin

Sebagian besar mesin modern (Unity, Unreal Engine, Frostbite, dan lainnya) menggunakan perenderan yang benar secara fisik (Rendering Berbasis Fisik, PBR) dan peneduh (artikel oleh Lucas Orsvarn). Naungan PBR menawarkan metode dan parameter yang lebih intuitif dan nyaman untuk menggambarkan permukaan. Di Unreal Engine, bahan PBR memiliki parameter berikut:

• Base Color - Tekstur permukaan yang sebenarnya.
• Kekasaran - seberapa kasar permukaannya.
• Logam - apakah permukaannya logam.
• Specular (specularity) - jumlah silau pada permukaan.

Tanpa PBR (kiri), PBR (kanan). Karya seni dengan studio 3D Meta

Namun, ada pendekatan lain untuk rendering - ray tracing. Teknologi ini sebelumnya tidak dipertimbangkan karena masalah kinerja dan optimisasi. Itu hanya digunakan dalam industri film dan televisi. Tetapi rilis kartu video generasi berikutnya memungkinkan untuk pertama kalinya menggunakan pendekatan ini dalam video game.

Ray tracing adalah teknologi rendering yang menciptakan efek pencahayaan yang lebih realistis. Dia mengulangi prinsip-prinsip propagasi cahaya di lingkungan nyata. Sinar yang dipancarkan oleh sumber cahaya berperilaku dengan cara yang sama seperti foton. Mereka tercermin dari permukaan dalam arah yang sewenang-wenang. Pada saat yang sama, memasuki kamera, memantulkan atau mengarahkan transmisi informasi visual tentang permukaan dari mana mereka dipantulkan (misalnya, mengkomunikasikan warnanya). Banyak proyek dengan E3 2019 akan mendukung teknologi ini.

3 - Jenis sumber cahaya

3.1 - Titik cahaya

Ini memancarkan cahaya ke segala arah, seperti bola lampu normal di kehidupan nyata.


Dokumentasi Mesin Nyata

3.2 - Spotlight

Ini memancarkan cahaya dari satu titik, sedangkan cahaya menyebar seperti kerucut. Contoh nyata: senter.


Dokumentasi Mesin Nyata

3.3 - Lampu area

Ini memancarkan cahaya langsung dari jalur tertentu (seperti persegi panjang atau lingkaran). Cahaya seperti itu banyak memuat prosesor, karena komputer menghitung semua titik yang memancarkan cahaya.


Dokumentasi Persatuan

3.4 - Lampu arah

Mensimulasikan matahari atau sumber cahaya jauh lainnya. Semua sinar bergerak dalam satu arah dan dapat dianggap paralel.


Dokumentasi Persatuan

3.5 - Cahaya memancarkan cahaya

Sumber cahaya yang dipancarkan atau bahan yang dipancarkan (Bahan Emissive dalam UE4) dengan mudah dan efektif menciptakan ilusi bahwa materi memancarkan cahaya. Ada efek kabur cahaya - itu terlihat jika Anda melihat objek yang sangat terang.


Dokumentasi Mesin Nyata

3.6 - Cahaya Sekitar

Adegan dari Doom 3 diterangi oleh lampu di dinding, mesin menciptakan bayangan. Jika permukaan dalam bayangan, ia melukisnya dalam warna hitam. Dalam kehidupan nyata, partikel cahaya (foton) dapat dipantulkan ke permukaan. Dalam sistem rendering yang lebih maju, cahaya dimasukkan ke dalam tekstur atau dihitung secara real time (pencahayaan global). Mesin game yang lebih lama - seperti ID Tech 3 (Doom) - menggunakan terlalu banyak sumber daya untuk menghitung pencahayaan tidak langsung. Untuk mengatasi masalah dengan kurangnya pencahayaan tidak langsung, cahaya yang tersebar digunakan. Dan semua permukaan setidaknya sedikit menyala.


Mesin Doom 3 (mesin IdTech 4)

3.7 - Penerangan global

Pencahayaan global adalah upaya untuk menghitung pantulan cahaya dari satu objek ke objek lainnya. Proses ini memuat prosesor lebih dari cahaya yang disebarkan.


Dokumentasi Mesin Nyata

IV - Desain Cahaya dalam Video Game

Komposisi visual (posisi cahaya, sudutnya, warna, bidang pandang, gerakan) memiliki pengaruh besar pada bagaimana pengguna memandang lingkungan game.

Desainer Will Wright di GDC berbicara tentang fitur komposisi visual dalam lingkungan game. Secara khusus, ini mengarahkan perhatian pemain ke elemen penting - ini terjadi dengan menyesuaikan saturasi, kecerahan dan warna objek di level.
Semua ini mempengaruhi gameplay.

Suasana yang tepat secara emosional melibatkan pemain. Desainer harus mengurus ini sambil menciptakan integritas visual.

Maggie Safe El-Nasr melakukan beberapa percobaan - ia mengundang pengguna yang tidak terbiasa dengan penembak FPS untuk bermain di Unreal Tournament. Karena desain pencahayaan yang buruk, pemain melihat musuh terlambat dan mati dengan cepat. Mereka kesal dan dalam kebanyakan kasus meninggalkan permainan.

, , , . , , . .


-,

1 —

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

— , , , . .

Uncharted — . , , , .



Until Dawn
. : « , . , , , . , ».

, , .

2 — /

Resident Evil 2 Remake

RE2 Remake . -, . — . - .



Dark Souls I

(Tomb of the Giants) — . , , . , — .

, . , , . , : .

3 —

Prey

, , , . , , . , . , .



Alien Isolation

«» , . — - .

4 —

Splinter Cell: Blacklist

, .

, . Splinter Cell « » — , .



Mark of the Ninja

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

5 — /

Alan Wake

Alan Wake — . . — , . , , . .

, .



A Plague Tale: Innocence

Asobo Studio . , , , .

6 — /

Deus Ex: Mankind Divided

Deus Ex , , . , . , , , . , . , .



Hollow Knight

Team Cherry , .

, , , , . , ( ) . .

7 —

Assassin's Creed Odyssey

«». , .

— . , . .

— , .



Don't Starve

Don't Starve — . , . .

, , . , , . . . , .

V —

, , , , . , — . . .

— . .

. — , .

Referensi

1. Seif El-Nasr, M., Miron, K. dan Zupko, J. (2005). Pencahayaan Cerdas untuk Pengalaman Permainan yang Lebih Baik. Prosiding Interaksi Komputer-Manusia 2005, Portland, Oregon.
2. Seif El-Nasr, M. (2005). Pencahayaan Cerdas untuk Lingkungan Game. Jurnal Pengembangan Game, 1 (2),
3. Birn, J. (Ed.) (2000). Penerangan & Rendering Digital. Penunggang Baru, Indianapolis.
4. Calahan, S. (1996). Bercerita melalui pencahayaan: perspektif grafik komputer. Catatan Kursus Siggraph.
5. Seif El-Nasr, M. dan Rao, C. (2004). Mengarahkan Perhatian Pengguna dalam Lingkungan 3D Interaktif. Sesi Poster Siggraph.
6. Reid, F. (1992). Buku Panggung Pencahayaan Panggung. A&C Black, London.
7. Reid, F. (1995). Menyalakan Panggung. Focal Press, Boston.
8. Petr Dyachikhin (2017), Teknologi Videogame Modern: Tren dan Inovasi, tesis Sarjana, Universitas Savonia ilmu terapan
9. Adorama learning center (2018), Teknik Penerangan Sinematografi Dasar, dari (https://www.adorama.com/alc/basic-cinematography-lighting-techniques)
10. Seif El-Nasr, M., Niendenthal, S. Knez, I., Almeida, P. dan Zupko, J. (2007), Pencahayaan Dinamis untuk Ketegangan dalam Game, jurnal internasional penelitian game komputer
11. Yakup Mohd Rafee, Ph.D. (2015), Menjelajahi lukisan Georges de la Tour berdasarkan teori Chiaroscuro dan tenebrism, University Malaysia Sarawak
12. Sophie-Louise Millington (2016), In-Game Lighting: Apakah Pencahayaan Mempengaruhi Interaksi dan Emosi Pemain di Lingkungan?, University of Derby
13. Prof. Stephen A. Nelson (2014), Sifat Cahaya dan Pemeriksaan Zat Isotropik, Universitas Tulane
14. Lisensi Creative Commons Attribution-ShareAlike (2019), The Dark Mod, dari (https://en.wikipedia.org/wiki/The_Dark_Mod)