Как работает 3D в современных играх?

Question

[Ланской Кирилл]

Как работает 3D в современных играх? В интернете полно информации про RayCast, но как я понял это было только в 80-х, что потом-сейчас и как это реализовать на C++, Python, C# - не могу найти информации, объясните или прикрепите ссылку с информацией. Я именно спрашиваю про базовую часть, про вещи, типа RayTracing полно информации

Answer 1

[Saboteur]

Слишком общий вопрос.
В общем случае, raycast, raytracing и другое - это просто различные рализации алгоритм рендеринга для 3d сцен.
Есть готовые движки и библиотеки. Какие-то платные, какие-то бесплатные. Какие-то жрут больше ресурсов, но дают более качественную картинку (достаточную для создания CGI сцен для фильмов на большой экран), какие-то после шлифования напильником достаточны для игры в HD разрешении.

Та же идея рейкастинга может использоваться в несколько проходов, чтобы, например кинуть лучи с определенной частотой, построить упрощенный буфер видимой области. Потом выполнить второй проход более подробный, вычислить расстояние и масштаб для текстур. Потом выполнить еще один проход и сгладить края (одна из основных проблем, как сгладить края на hi res и при этом сэкономить ресурсы). И все эти штуки - отдельные алгоритмы рендеринга, которые использут принцип рейкастинга, и могут иметь внутренние названия в движке, а в другом движке те же самые алгоритмы могут называться чуть иначе, или схоже.

Рейкастинг и Рейтрейсинг считай две стороны одной медали, могут работать вместе, просто разные задачи. Например рейкастингом построил видимые объекты, сделал сцену, рейтрейсингом сгладил и добавил реалистичные затенения от разных источников освещения.

Или часть простых теней, например от статичных "угловых" объектов типа здания, для оптимизации обсчитали рейкастингом, а рейтрейсингом объекты от сложных подвижных фигур главного героя.

Таким образом оба термина не устарели и активно применяются, но это слишком общие слова, а не конкретная реализация. Под капотом там куча дополнительной терминологии.

А для современных игроделов есть просто несколько готовых фреймворков/движков - тот же юнити, XRay, Unreal, Godot, которые используют несколько алгоритмов рендеринга, разработчик может выбрать как пользоваться рендерингом, какие алгоритмы для какой сцены/действия использовать. Конечно желательно разбираться глубже, чтобы понимать как дизайнить игру, ибо алгоритм, который хорошо работает на открытых пространствах может хуже работать в тесном помещении, где требуется множество объектов с высокой детализацией. И наоборот.

То есть современные игроделы редко занимаются непосредственно ковыряниями с деталями реализации, скорее уже оптимизируют их микс для своего проекта

Comments

[Ланской Кирилл]

Я сам никогда «ковыряниями» не занимался просто искал, и везде говорили про матрицу с шириной в 4 для точки, чтобы сделать 3D проекцию, но понятного объяснения не было

[Saboteur]

ну я не знаю где это везде..
рейкастинг и рейтрейсинг это ж даже не реализации алгоритма и очень поверхностные описания сути.
А конкретная реализации с конкретными действиями в софте, это уже не только сама процедура рассчета, но и включает в себя все остальные моменты движка, например формат моделей, формат описая источников света, форматы текстур, разные файзы рендеринга.

Есть софт для рендеринга конкретных 3д изображений высокого качества.
Похожий но для анимации есть для CGI графики.
Для игр, интерактивные вычисления понятно что значительно облегчены.
Какие-то штуки могут быть описаны в виде реализаций оптимизаций в GPU, но их поддержку нужно не только в драйвера встроить, но и со стороны движков добавить, а потом чтобы кто-то кто пишет на этом движке попробовал новый функционал.

Можно попробовать поковыряться с созданием простой 3д игрушки на юнити, и в процессе чтения документации уже разобраться с опциями что и как там можно делать.

[Ланской Кирилл]

Saboteur, Я создавал и очень, очень сложные 3D игры на UE и Unity, но для этого абсолютного понимания устройства 3D проекции в движке(что такое однородные координаты) не нужно.

[Saboteur]

Ланской Кирилл, Еси вы все везде делали, то почему задаете такие общие несформулированные вопросы?
Задавайте конкретику. А то в каждом вопросе у вас куча опыта, а сами вопросы ну в гугле находятся первыми ссылками

[Ланской Кирилл]

Saboteur, Понял, мой вопрос, вот в чём, как на Python/C++ работать с однородными координатами, что является стандартом с полигонами для 3D, именно не что это, а их реализация.

[Saboteur]

То есть вы хотите не пользоваться функциями движка, а просто взять какую-то модель и вручную ковырять полигоны?
Ну так не делают... Надо тогда ковыряться в деталях реализации самого движка, или в деталях реализации формата модели.
Такого опыта у меня точно нет =)

Answer 2

[VoidVolker]

Точно так же как и в старых играх: математика - обычная геометрия и тригонометрия, а так же физика для динамики и анимации. Задаются точки в трехмерном координатном поле. Из точек формируются ребра (отрезки), из трех точек и ребер формируются полигоны. Из полигонов формируются объекты. А уже из групп объектов формируются сцены, уровни и прочие комплексные вещи. Обычная школьная математика. Сцена находится в трехмерном пространстве, а экран - это обычно двухмерная плоскость, то осуществляется проекция трехмерной сцены на двухмерную плоскость экрана. В отрисовке есть куча хитростей и множество различных механизмов и способов оптимизации. Для анимации объектов используются матрицы, которые описывают масштаб объекта по трём осям, его координаты и положение в пространстве - т.к. это проще, чем каждый раз для движения объекта переписывать все его точки. Сам процесс анимации тоже имеет свои нюансы и тут тоже используется много всяких оптимизаций, математики и физики.
Реализовать на низком уровне простейший движок достаточно просто: мануалов и инструментов в сети полно. Можно как полностью с нуля реализовать так и использовать API видео драйвера.
Полезная ссылка: Build your own 3D Renderer

Comments

[Saboteur]

рейтрейсинг же вроде не юзает полигоны?

[Ланской Кирилл]

Так вроде для 3D проекции недостаточно трех координат, поэтому добавляют четвертую(для чего - не знаю)? Они ещё называются однородными координатами

[VoidVolker]

Saboteur, рейтресинг - это лишь механизм рендеринга на экране, а не сам движок. Суть сводится к построению луча от пикселя экрана в сторону сцены до встречи с объектом и далее с учетом преломления и отражения по законам оптики в сторону источников света. Что из себя представляет объект вообще для него не имеет значения. За встречу луча с объектом отвечает движок. Поэтому рейтрейсинг и настолько ресурсоёмкая операция - очень много пикселей, куча объектов, несколько источников света, плюс глобальное освещение.
Вики - Трассировка лучей
Ланской Кирилл, верно, но именно для проекции. Точки самих объектов-то все равно определяются тремя координатами. Вики - Однородная система координат. Поэтому для управления положением объектов в пространстве и используют матрицы вместо простой координаты - все для оптимизации и упрощения вычислений.

А еще есть векторные движки, где объекты представляют из себя векторы или группы векторов, как в векторной графике. Такие движки позволяют рендерить, например, миллионы одинаковых объектов (типа фракталов) и другие интересные вещи. Еще есть воксельные движки, где пространство представляет из себя трехмерные пиксели - например знаменитая наша игра Периметр, где можно было делать терраформинг поверхности, а так же она повреждалась в результате боевых действий (скверна, гаубицы, черви и прочее). Майнкрафт хоть и похож на воксельный мир, но рендеринг там полигональный.

[Saboteur]

VoidVolker, не в том дело. Рейтрейсинг как технология как раз работает с любыми моделями, а не с треугольными полигонами, позволяя создавать высококачественные тени. А рейкастинг как раз работает с полигонами.

[VoidVolker]

Saboteur, а в чём дело? Не очень понял нить диалога. Про рейкастинг я и не говорил ничего. А тему рейтресинга вы сами подняли.

[Ланской Кирилл]

VoidVolker, Мой вопрос, вот в чём, как на Python/C++ работать с однородными координатами, что является стандартом с полигонами для 3D, именно не что это, а их реализация.

[VoidVolker]

Ланской Кирилл, точно так же как и везде - обычная математика. Давайте всё же конкретику - что именно и где именно у вас не получается. Например, в OpenGL все просто: создаешь структуру объекта, передаешь конкретные точки как вершины ребер/полигонов - на экране рисуется объект, применяешь матрицу - объект получает нужный размер, масштаб и положение, далее применяешь к сцене ортогональную или изометрическую матрицу и проекция сцены приходит в нужный вид.