光照如何影响游戏设计和游戏体验

考虑到PS5和Scarlett项目将支持光线追踪，我想到了游戏中的照明。 我发现了作者在哪里解释光是什么，光如何影响设计，改变游戏玩法，美学和体验的材料。 全部带有示例和屏幕截图。 在游戏过程中，您不会立即注意这一点。

引言

照明不仅是必需的，以便玩家可以辨认场景（尽管这很重要）。 光会影响情绪。 剧院，电影院和建筑中的许多照明技术都用于增强情感成分。 为什么不向游戏设计师借鉴这些原则？ 图片与情感反应之间的联系提供了另一个强大的工具，可以帮助您处理角色，叙事，声音，游戏机制等。 在这种情况下，光与表面的相互作用使您可以影响亮度，颜色，对比度，阴影和其他效果。 所有这些转化为每个设计师都应掌握的基础。

该材料的目的是确定照明设计如何影响游戏的美感和用户体验。 我们将分析光的本质以及它如何在其他艺术领域中使用，以分析其在视频游戏中的作用。


天鹅湖，亚历山大·埃克曼

我-光的本质

“空间，光线和秩序。 这些都是人们所需要的，就像他们需要面包或过夜一样。”-Le Corbusier。

自然光从出生的那一刻起就一直伴随着我们。 这是必要的；它设定了我们的自然节奏。 光线控制着我们的身体进程并影响生物钟。 我们将了解什么是光通量，光强度，颜色和焦点。 然后，我们将了解光由什么组成以及它的行为。

1-人眼所见

光是眼睛感知到的电磁光谱的一部分。 在该区域中，波长范围为380至780 nm。 在白天，我们通过视锥细胞来区分颜色，而在晚上，眼睛会使用木棍，而只能看到灰色渐变。

可见光的主要特性是方向，强度，频率和偏振。 它的真空速度为300,000,000 m / s，这是基本的物理常数之一。


可见电磁光谱

2-发行方向

真空中没有物质，光直接传播。 但是，当暴露于水，空气和其他物质时，其行为会有所不同。 与物质接触后，一部分光会被吸收并转化为热能。 与透明材料发生碰撞时，部分光也会被吸收，但其余部分会通过。 从光滑的物体（例如镜子）反射光。 如果物体表面不平坦，则光会散射。


灯光方向

3-基本功能

光通量。 光源发出的光量。
度量单位：lm（流明）。



光的力量。 沿特定方向传播的光量。
度量单位：cd（坎德拉）。



照度 入射在表面上的光通量。
照明度=光通量（lm）/面积（m2）。

度量单位：lx（勒克斯）。



亮度 这是人眼感知到的光的唯一基本特征。 一方面，它考虑了光源的亮度，另一方面考虑了表面的亮度，这意味着它在很大程度上取决于反射的程度（颜色和表面）。
计量单位：cd / m2。

4-色温

色温以开尔文（Kelvin）为单位进行测量，并显示特定光源的颜色。 英国物理学家威廉·开尔文（William Kelvin）加热了一块煤。 他闪闪发光，以与不同温度相对应的不同颜色闪烁。 刚开始时，木炭发出深红色的光，但随着温度升高，颜色变为亮黄色。 在最高温度下，发出的光变成蓝白色。


自然光线，24小时，西蒙·莱基（Simon Lakey）

II-灯光设计技术

在本节中，我们将分析哪些照明模式可用于影响内容/视觉范围的表现力。 为此，我们将确定照明艺术家和设计师使用的照明技术的异同。

1-明暗对比和阴影主义

Chiaroscuro是艺术理论的概念之一，与照明的分布有关。 用它来显示音调，以传达音量和情绪。 乔治·德·拉图尔（Georges de Latour）以夜间明暗对比和烛光照亮的场景而闻名。 他的前任艺术家没有一个如此熟练地完成这种过渡。 光影在他的作品中起着至关重要的作用，并且是大多数变化形式（通常是替代形式）中构成作品的一部分。 拉图尔（La Latour）对绘画的研究有助于理解光的使用及其特性。


乔治·拉图尔（Georges de Latour），《 The悔的抹大拉的马利亚》，1638年至1643年

a-高对比度

在这张照片中，明亮的面孔和衣服在深色背景下显得突出。 由于色调的高对比度，观众的注意力集中在图像的这一部分。 实际上，不会有这样的对比。 脸部和蜡烛之间的距离大于蜡烛和手之间的距离。 但是，与脸部相比，我们发现手上的色调和对比度被遮盖了。 乔治·德·拉图尔（Georges de Latour）使用不同的对比来吸引观察者的注意力。

b-灯光的轮廓和节奏

由于色调差异很大，轮廓出现在图形边缘周围的某些区域。 即使在图片的黑暗部分，艺术家也喜欢使用不同的色调来强调对象的边界。 光线不集中在一个区域，而是向下滑动：从脸部到腿部。

c-光源

在大多数作品中，乔治·拉图尔使用蜡烛或灯作为光源。 图片显示了一根燃烧的蜡烛，但我们已经知道明暗对比并不依赖于它。 乔治·德·拉图尔（Georges de Latour）将脸庞放在深色背景上，并设置蜡烛以在色调之间形成鲜明的过渡。 对于高对比度，浅色调与暗色调相邻，以达到最佳效果。

d-Chiaroscuro作为几何形状的组合

如果我们简化这项工作中的光和影，我们将看到基本的几何形状。 浅色调和深色调的统一形成简单的构图。 它间接设置了一种空间感，其中物体和人物的位置显示了前景和背景，从而产生了张力和能量。

2-基本的电影照明技术

2.1-三点照明

突出任何物体的最流行和成功的方法之一是从三点照明，这是经典的好莱坞方案。 此技术使您可以传达项目的数量。

绘图灯（按键照明，即主光源）
通常，这是每个场景中最强大的灯光。 它可以来自任何地方，其来源可以来自对象的侧面或后面（杰里米·伯恩（Jeremy Byrne）数字照明和渲染）。



补光（补光，即控制对比度的光）
从名称中可以明显看出，它是用来“填充”并去除绘画光所产生的黑暗区域。 补光灯强度明显较低，并且与主光源成一定角度。



背景光（背光，即背景分离器）
它用于传达场景的体积。 它将对象与背景分离。 像补光灯一样，背景强度较低，并覆盖了较大的对象区域。

2.2-底部

由于太阳的移动，我们习惯于看到人们从任何角度照亮，而不是从下方照亮。 这种方法看起来很不寻常。


科学怪人，詹姆斯·鲸鱼，1931年

2.3-返回

物体位于光源和观察者之间。 因此，在对象周围会出现发光，其其余部分仍保留在阴影中。


“外星人”，史蒂文·斯皮尔伯格，1982年

2.4-侧面

这种照明用于从侧面照亮场景。 它创建清晰的对比度，显示纹理并强调对象的轮廓。 该方法接近于明暗对比技术。


《银翼杀手》，雷德利·斯科特，1982年

2.5-实用照明

这是场景中的真实照明，即灯，蜡烛，电视屏幕等。 这种额外的光可以用于增强光强度。


斯坦利·库布里克（Stanley Kubrick），巴里·林登（Barry Lyndon），1975年

2.6-反射光

来自强大光源的光被反射器或表面（例如墙壁或天花板）散射。 因此，光覆盖大面积并且更均匀地放置。


黑暗骑士：传说的重生，克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan），2012年

2.7-硬光和柔光

硬光和软光之间的主要区别是光源相对于物体的大小。 太阳是太阳系中最大的光源。 但是，距离我们有9000万公里，这意味着它是很小的光源。 它会产生硬阴影，并因此产生硬光。 如果出现云层，则整个天空将成为巨大的光源，并且阴影更难以区分。 因此，柔和的光线出现了。


LEGO的3D实例，Juan Prada，2017年

2.8-高低键

高键照明用于创建非常生动的场景。 它通常接近曝光过度。 所有光源的功率大致相等。
与高键照明不同，低调时场景很暗，可以使用强大的光源。 主要作用是传递阴影，而不是光线，以传达一种悬念或戏剧感。


THX 1138，乔治·卢卡斯，1971年

2.9-动力照明

这种照明模仿自然光-太阳能，月光，路灯等。 它用于增强实用的照明。 特殊技术可帮助使激发光自然化，例如滤光片（遮光板）可营造出窗帘窗户的效果。


《开车》，尼古拉斯·绕组Refn，2011年

2.10-户外灯

场景中可见的可能是阳光，月光或路灯。


“非常奇怪的事情。 第3季，达弗兄弟（Duffer Brothers），2019年

III-渲染基础

关卡设计师认识到照明的重要性，并使用它来实现对场景的某种感知。 为了突出显示水平并实现其期望的视觉目标，他们需要确定静态光源，其传播角度和颜色。 他们设置了一定的气氛和必要的概述。 但是，一切都不是那么简单，因为照明取决于这种技术特性，例如，取决于处理器的功率。 因此，有两种类型的光照：预先计算的光照和实时渲染。

1-预先计算的照明

设计人员使用静态照明为每个光源设置照明特征-包括其位置，角度和颜色。 通常，由于性能原因，无法进行实时全局照明。

预先计算的静态全局照明可用于大多数引擎，包括虚幻引擎和Unity。 引擎将此类照明“烘焙”为特殊的纹理，即所谓的“照明贴图”（lightmap，lightmap）。 这些光照贴图与其他贴图文件一起存储，并且在渲染场景时引擎会访问它们。


相同的场景：没有照明（左），只有直接照明（在中间）和间接全局照明（右）。 使用Unity Learn的图稿

除光照贴图外，还有阴影卡，分别用于创建阴影。 首先，在考虑光源的情况下绘制所有内容-它会产生阴影，以反映场景的像素深度。 所得的像素深度图称为阴影图。 它包含有关每个像素的光源与最接近的对象之间的距离的信息。 然后执行渲染，在此使用阴影贴图检查表面的每个像素。 如果像素和光源之间的距离大于阴影贴图中记录的距离，则像素在阴影中。


应用阴影贴图的算法。 带有OpenGl教程的插图

2-实时渲染

实时的经典照明模型之一称为Lambert模型（以纪念瑞士数学家Johann Heinrich Lambert）。 在实时渲染中，GPU通常一次发送一个对象。 此方法使用对象的显示（其位置，旋转角度和比例）来确定需要绘制的表面。

对于兰伯特照明，光线从表面上的每个点向各个方向发出。 这没有考虑到一些细微之处，例如反射（Chandler Prall的文章）。 为了使场景看起来更逼真，在Lambert模型上叠加了其他效果-例如眩光。


在球体示例上的Lambert阴影。 Peter Dyachikhin的插图

大多数现代引擎（Unity，Unreal Engine，Frostbite等）使用物理正确的渲染（基于物理的渲染，PBR）和着色（Lucas Orsvarn的文章）。 PBR阴影提供了更直观，更方便的方法和参数来描述表面。 在虚幻引擎中，PBR材料具有以下参数：

• 基本颜色-实际的表面纹理。
• 粗糙度-表面的粗糙度。
• 金属-表面是否为金属。
• 镜面反射（specularity）-表面上的眩光量。

没有PBR（左），PBR（右）。 使用Meta 3D工作室的艺术品

但是，还有另一种渲染方法-光线跟踪。 由于性能和优化问题，以前尚未考虑过该技术。 它仅用于电影和电视行业。 但是，下一代视频卡的发布首次使在视频游戏中使用这种方法成为可能。

光线追踪是一种渲染技术，可以创建更逼真的照明效果。 她在真实环境中重复了光传播的原理。 光源发出的光线的行为与光子相同。 它们从表面沿任意方向反射。 同时，反射或直射光线进入相机时，会传输有关其反射表面的视觉信息（例如，传达其颜色）。 E3 2019的许多项目将支持此技术。

3-光源类型

3.1-点光源

它向各个方向发光，就像现实生活中的普通灯泡一样。


虚幻引擎文档

3.2-聚光灯

它从一个点发出光，而光像圆锥一样散开。 现实生活中的例子：手电筒。


虚幻引擎文档

3.3-区域光

它从特定路径（例如矩形或圆形）发出直接光。 由于计算机会计算所有发光的点，因此这种光会给处理器带来沉重负担。


Unity文档

3.4-定向光

模拟太阳或其他遥远的光源。 所有光线沿一个方向移动，可以视为平行。


Unity文档

3.5-发射光

发光光源或发光材料（UE4中的发光材料）可以轻松有效地产生该材料发光的错觉。 有光的模糊效果-如果您看着非常明亮的物体，则可见。


虚幻引擎文档

3.6-环境光

《毁灭战士3》的场景被墙上的灯照亮，引擎产生阴影。 如果表面处于阴影中，则将其绘制为黑色。 在现实生活中，光粒子（光子）会从表面反射出来。 在更高级的渲染系统中，光线被烘焙为纹理或进行实时计算（全局照明）。 较旧的游戏引擎（例如ID Tech 3（Doom））消耗了太多资源来计算间接照明。 为了解决缺少间接照明的问题，使用了散射光。 并且所有表面至少都轻微发光。


Doom 3引擎（IdTech 4引擎）

3.7-整体照明

全局照明是一种尝试计算光从一个对象反射到另一个对象的尝试。 这个过程比扩散的光对处理器的负载要大得多。


虚幻引擎文档

IV-电子游戏中的灯光设计

视觉构图（灯光的位置，其角度，颜色，视野，运动）对用户如何看待游戏环境有很大的影响。

GDC的设计师Will Wright谈到了游戏环境中视觉合成的功能。 尤其是，它可以将玩家的注意力吸引到重要元素上，这可以通过在水平上调整对象的饱和度，亮度和颜色来实现。
所有这些都会影响游戏玩法。

正确的气氛在情感上牵扯到玩家。 设计师在创建视觉完整性时必须注意这一点。

Maggie Safe El-Nasr进行了几次实验-她邀请了不熟悉FPS射击游戏的用户参加虚幻竞技场。 由于不良的照明设计，玩家发现敌人太迟并迅速死亡。 他们很沮丧，在大多数情况下放弃了比赛。

, , , . , , . .


-,

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 —

, , , , . , — . . .

— . .

. — , .

参考文献

1. Seif El-Nasr, M., Miron, K. and Zupko, J. (2005). Intelligent Lighting for a Better Gaming Experience. Proceedings of the Computer-Human Interaction 2005, Portland, Oregon.
2. Seif El-Nasr, M. (2005). Intelligent Lighting for Game Environments. Journal of Game Development, 1(2),
3. Birn, J. (Ed.) (2000). Digital Lighting & Rendering. New Riders, Indianapolis.
4. Calahan, S. (1996). Storytelling through lighting: a computer graphics perspective. Siggraph Course Notes.
5. Seif El-Nasr, M. and Rao, C. (2004). Visually Directing User's Attention in Interactive 3D Environments. Siggraph Poster Session.
6. 里德（1992）。 舞台灯光手册。 伦敦A＆C Black。
7. Reid，F。（1995）。 点亮舞台。 波士顿民俗出版社。
8. Petr Dyachikhin（2017），现代视频游戏技术：趋势与创新，学士学位论文，萨沃尼亚应用科学大学
9. Adorama学习中心（2018），基本摄影照明技术，来自（https://www.adorama.com/alc/basic-cinematography-lighting-techniques）
10. Seif El-Nasr，M.，Niendenthal，S.Knez，I.，Almeida，P.和Zupko，J.（2007年），《游戏中的张力的动态照明》，国际计算机游戏研究杂志
11. Yakup Mohd Rafee博士 （2015），探索马来西亚乔治·德拉图尔的绘画，基于明暗对比和通心论，马来西亚砂拉越大学
12. Sophie-Louise Millington（2016），游戏中照明：照明是否会影响环境中的玩家互动和情感？，德比大学
13. 教授 Stephen A. Nelson（2014），杜兰大学，光的性质和各向同性物质的检测
14. 知识共享署名-相同方式共享许可（2019），《黑暗模式》，来自（https://en.wikipedia.org/wiki/The_Dark_Mod）