Освещение

Not (yet) implemented feature

Некоторые функции, описанные в настоящем документе, более не поддерживаются, либо начнут поддерживаться в будущем.

Внутренняя реализация

Источники света, и все что к ним прямо относится реализовано в библиотеке sxlight.dll

Работа с локальными источниками света осуществляется игровой библиотекой sxgame.dll через игровые объекты Light point и Light directional, с глобальным посредством внутренних механизмов библиотеки sxlevel.dll при помощи настроек уровня и погоды.

Освещение рассчитывается в библиотеке рендера sxrender.dll

SkyXEngine реализует только динамическое (real-time) освещение. Не поддерживается рассеянное освещение и осуществляется только прямой расчет. Внутренние оптимизации по расчету теней присутствуют.

Движок использует deferred shading для расчетов освещения, это позволяет создавать неограниченное реализацией количество источников света. Единственное ограничение в данном случае это производительность. Все источники света, который генерируют тень, требуют бОльших вычислительных операций, нежели те источники света, которые не генерируют тень.

Освещение и материалы реализованы по принципам Physically based rendering (PBR), но без использования отражений. Это значит что для настройки материала нужно руководствоваться основными понятиями и составом материалов и не заботиться об их внешнем виде в различных ситуациях.

Типы и виды источников света

Освещение состоит из глобального и локального источников света.

Виды источников света:

• Глобальный (солнце) - освещает всю локацию;
• Локальный точечный (лампочка) - освещает все в радиусе освещаемости;
• Локальный направленный (прожектор) - освещает все в направлении освещения по дистанции освещаемости.

Освещение глобальным источником света	Освещение точечным источником света	Освещение направленным источником света

к сведению

Глобальный источник света на уровне может быть только один, движок не создаст второй, а просто вернет текущий.

Трансформации

Глобальный источник света всегда находится на фиксированном удалении от игрока 1000 метров (дефайн LIGHTS_POS_G_MAX), и имеет радиус действия 999999 метров (дефайн LIGHTS_GLOBAL_STD_RADIUS).

Глобальный источник света имеет относительную позицию в мире, которая измеряется градусами [0, 360] относительно горизонтали (ось Z) и вертикали (ось Y). То есть, позиция (10, 20) переместит (повернет) источник света на 10 градусов по оси Z, и на 20 градусов по оси Y.

TODO

Добавить пример где будет показано смещение глобального источника света.

предупреждение

Глобальный источник света не должен находится в абсолютном зените (90, 90), так как в этом случае обнаружены ошибки построения теней, необходимо смещение хотя бы на 1 градус в любую сторону.

Глобальный источник света не может быть повернут, то есть не принимает трансформации поворотов.

Все локальные источники света света принимают трансформации позиции и поворотов.

Повороты для точечных источников света бессмыслены, если они не имеют ограничивающих объемов, так как такой источник света светит во все стороны.

Тень от источников света

Каждый из источников может отбрасывать или не отбрасывать тень.

Тени для глобального источника света рассчитываются по технологии Parallel-Split Shadow Map (PSSM) и имеют 4 или 3 (опционально, чем больше тем дальше тень и меньше производительность) сплита.

Интенсивность тени у глобального источника света зависит от его силы, чем сильнее свет тем менее заметна тень, и наоборот.

Тени для локальных источников света рассчитываются по технологии shadow map. Стоит учесть, что точечные источники света занимают больше памяти и отнимают больше производительности, нежели направленные. Это связано с тем, что точечные источники света используют 6 карт глубин (по одному на каждое направление) чтобы создать эффект точечного освещения при отбрасывании теней. А направленный источник света использует всего одну карту глубины.

Интенсивность тени локальных источников света регулирует дизайнер уровней в редакторе уровней, основываясь на текущем освещении сцены. Если тени выглядят слишком резкими и неестественными, то путем правки Shadow Intesity можно ослабить тень, придав ей более приятный и реалистичный вид.

Тени для локальных источников света могут быть:

• Статичными - карта глубины рассчитывается только один раз (при создании или трансформации - смене позиции/поворота), и в дальнейшем не изменяется, что увеличивает производительность, но делает тени статичными, так как информация о загораживателях генерируется однажды;
• Динамичными - карта глубины перестраивается каждый раз при обновлении источника света, в этом случае все динамические объекты, каждый раз будут отбрасывать правильную тень;

На первый взгляд статические и динамические тени не отличимы, однако если игровой объект попадет в зону свечения статического источника света, то этот объект не будет отбрасывать тени.

Особенности и ошибки отбрасывания тени

Вообще тень не имеет абсолютно черного цвета, это сделано для плавности переходов в освещении, что значительно улучшает итоговое изображения. Однако, это вносит некоторые ошибки в общее освещение. Другим источником ошибки, общего освещения, является не полная интенсивность тени для локального источника света.

Для их устранения необходимо использовать дополнительные источники света, которые имеют низкие характеристики освещения и по возможности не отбрасывают тени (либо статические).

Ошибка освещения - свет из дальних комнат проникает в ближние, не смотря на наличие теней	Размещение дополнительных источников света, со слабыми характеристиками, в местах проявления ошибок, минимизирует их заметность

Цвет и сила света

Каждый источник света имеет цвет света, который представлен float компонентами RGB (r - красный, g - зеленый, b - синий) в пределах [0, 1]. Например:

• 1, 0, 0 - красный;
• 1, 1, 1 - белый;
• 0.5, 0.5, 0.5 - серый.

Сила света определяет значимость вклада данного света в итоговый цвет сцены - чем сильнее свет, тем больше его цвет будет участвовать в формировании сцены, и наоборот. Глобальный источник света, часто обладает большей силой нежели локальные. Каждый источник света имеет силу света, которая определяется максимальным значением компонент цвета (rgb, какая компонента больше, та и будет взята за основу силы света).

Для локальных источников максимальная компонента умножается на коэффициент максимальной силы источника света (дистанция свечения / 100 метров (максимальная дистанция свечения для локальных источников света 200 метров (дефайн LIGHTS_LOCAL_MAX_DIST))).

Ограничивающая модель

Каждый источник света имеет ограничивающий объем, который может быть представлен моделью (в разработке). То есть, в сцене освещается лишь то, что входит в ограничивающую модель.

TODO

Показать ограничивающий объем света.

Например, если лампа висит на стене, то установив ей в качестве ограничивающей модели полусферу и отключив тени, можно избежать освещения всего того, что находится за стеной, где висит лампа.

Пользовательская модель должна быть статической моделью с любой текстурой, но текстура при этом никак не используется и даже не загружается.

Глобальный источник света генерирует ограничивающую модель, но она не используется для расчетов освещения.

к сведению

На данный момент (версия 0.10.0) используются только автогенерируемые модели (сфера для точечных и глобального источника света, конус для направленного), установка пользовательской модели в разработке.

Дальность освещения

Глобальный источник света всегда удален на константное фиксированное расстояние 1000 метров (дефайн LIGHTS_POS_G_MAX), а дистанция освещения 999999 метров (дефайн LIGHTS_GLOBAL_STD_RADIUS).

Локальные источники имеют дистанцию освещаемости:

• Точечный - радиус;
• Направленный - дальность.

Но обобщенно параметр дальности освещения у локальных источников света назван "дистанция" (Distance).

Суть параметра дистанции - охват территории освещения.

Дистанция освещения для локальных источников света играет роль в расчете силы света.

Дистанция освещения для локальных источников света не должна превышать 200 метров (дефайн LIGHTS_LOCAL_MAX_DIST).

Локальные источники света имеют параметр Shadow far plane, его суть заключается в регулировании дальней плоскости отсечения (или по-простому - дальности теней). Эта регулировка поможет избежать ошибок затенения. В ходе тестирования было выявлено, что если повесить точечный источник света на стену и выставить ему 10 метров дальность освещения и теней, то будет видно неправильно затенение, но если увеличить дальность теней, то ошибки исчезают.

Формирование итогового цвета освещения

Итоговое освещение считается в 2 прохода:

• Формирование промежуточных данных в накопительном режиме;
• Обработка накопленных данных.

Из-за накопительного режима возникают некоторые нюансы при обработки результатов, которые можно решить путем понимания сущности обработки освещения.

В первом этапе все данные записываются в один и тот же буфер смешиваясь с предыдущими результатами, из-за чего может возникать переполнение некоторых компонент, что приведет к не совсем корректному освещению.

2 источника света (значение максимальной компоненты 1) на близком удалении друг от друга, с усилением силы света перекрывают друг друга смешиваясь в один цвет путем накопления данных.

Дистанция 10 метров	Дистанция 20 метров	Дистанция 30 метров

Как видно на третьем скрине, источники света, практически перекрыли друг друга смешавшись в один цвет. В некоторых случаях это не является критичным, но для критичных случаев есть решение: сокращение дистанции с увеличением силы света (путем увеличения компонент света). То есть сохранение итоговой силы света с сокращенной дистанцией, что приведет к бОльшему влиянию света на ближайшие объекты, более интенсивному освещению, как если бы использовались более дальние источники света.