Что такое модель в игре
Как создаются 3D модели для игр – то, что всегда было с вами, но чего вы не замечали
Здравствуйте. Недавно я прошёл онлайн-курс по созданию 3D моделей (чтобы не выглядело рекламой, упущу какой именно) и открыл для себя некоторые вещи, которые не сказать, что перевернули мои представления об играх, но заставили взглянуть на игровые модели совершенно иначе. Этими вещами я и хотел бы поделиться с вами. Это не будет сухой технической экскурсией по всему процессу создания моделей (хоть мы и пройдём через весь процесс), а скорее рассказ с упором на факты, которые, быть может, позволят вам, как и мне, взглянуть на игры немного по-другому.
Например, почему для создания одной модели художник вынужден делать три, почему иногда в папке с игрой вы можете обнаружить содранную кожу ваших любимых персонажей и что трилогия «Властелин Колец» подарила каждой современной игре.
Драфт
Двинемся по порядку, с самого начала цикла создания модели. На самом деле драфт является не столько первым этапом, сколько подготовкой к будущей работе. Драфт для 3D художника — то же самое, что набросок для обыкновенного художника. Только если на листе бумаги будущий рисунок обозначается грубыми мазкам и штрихами, то модель конструируется из примитивов (кубов, цилиндров, прямоугольников) с целью поймать силуэт объекта, его габариты и пропорции.
Иногда на этапе драфта может прорабатываться цветовая схема объекта. А иногда работа на этапе драфта и заканчивается. В таких случаях драфт может быть самодостаточным произведением, когда художник хочет воплотить определённую идею, но не хочет возиться со всеми остальными техническими этапами.
Кстати, есть такой замечательный сайт Sketchfab. Если вам когда-либо нравилось просматривать в интернете красивые картинки или фото, здесь вы можете открыть для себя то же самое, но уже в сфере 3D. Там различные художники публикуют не только драфты, но и более комплексные вещи. Как вам, например, 2D картина, созданная в 3D, но при этом с любого ракурса выглядящая как 2D картина?
Прогуливаясь по этому сайту, можно получить большое эстетическое удовольствие, даже если вы не заинтересованы в 3D.
Low-Poly & High-Poly
Это, собственно, второй и третий этапы создания модели, которые очень трудно рассматривать по отдельности. И они же отвечают на вопрос, почему 3D художник должен создавать 2 модели, чтобы создать одну (не считая того, что он уже до этого создал драфт).
Наверняка многие из вас слышали такое понятие, как «лоу-поли графика». Чаще всего оно применяется к различным инди-играм с простенькой угловатой графикой.
И в своё время эта ассоциация поставила меня в тупик, потому что я никак не мог понять, почему художники применяют эти слова в отношении вполне реалистичных моделей.
Дело в том, что почти все высокодетализированные модели, которые вы встречаете в играх, они — не настоящие. Круглые плавные формы на вашем клинке, следы снарядов на вашем танке, болты на вашем роботе, морщины на вашем персонаже — ничего этого на модели нет, это визуальный обман. Просто современные технологии (в большинстве своём) не способны отрисовывать настолько детализированные объекты в реальном времени. Поэтому художник должен создать две его версии: ту, что будет выглядеть реалистично и содержать в себе все мельчайшие детали (High-Poly модель) и его упрощенную версию, которую сможет потянуть игра (Low-Poly модель).
Разница в количестве полигонов, мерило детализации модели, между этими двумя версиями может быть колоссальной. Low-Poly модель может состоять из тысячи или ста тысяч полигонов, а её High-Poly версия может исчисляться миллионами.
Хотя по факту это одна и та же модель, просто с разной детализацией. То, что эти две версии должны быть одинаковых габаритов и идеально накладываться одна на другую, является одним из главных источников головной боли у художников. А то, по каким правилам Low-Poly модель оптимизируется для ваших платформ, это вообще отдельная песня. Наблюдение за тем, как моделлер манипулирует 3D сеткой, избавляясь от каждого лишнего полигона, порой может иметь гипнотический эффект.
По итогу у художника на руках есть две модели: Low-Poly и High-Poly. Вторая никогда не попадёт в игру, и встаёт задача перенести визуальную информацию с высокодетализированной модели на оптимизированную. Но перед этим предстоит ещё один этап.
UV развёртка
Знаете, одна из моих травм детства связана с тем, как я заглянул внутрь папки Half-Life 2 и обнаружил там содранную и разложенную кожу Аликс.
Вы только посмотрите на её пустые глазницы… бррр. В дальнейшем я ещё не раз натыкался в директориях игр на освежёванных героев и каждый раз жалел, что туда залез.
Так что же там делает этот подарочек от Кожаного Лица? Это результат процесса под названием «UV развёртка». Он нужен для отрисовки текстур на моделях. Дело в том, что 3D программы понятия не имеют, что делать с 3D моделями в плане текстур. Они абсолютно не понимают, как работать с поверхностями 3D объекта, учитывая, что текстуры — это 2D картинки, накладываемые поверх модели.
Процесс UV развёртки заключается в том, чтобы разрезать и разложить вашу 3D модель, как картон, в 2D плоскость. Это как собрать оригами наоборот — разложить фигурку в чистый лист. Как охотники освежёвывают медведя и расправляют его шкуру у себя в гостиной. Получается, такой вот, 2D медведь. В результате этих манипуляций художник имеет на руках огромное полотно, где каждая плоскость каждой детали расправлена и разложена по определённым правилам.
То же самое относится и к живым персонажам. Даже зная эту информацию, иногда, когда я захожу в программу для текстурирования и вижу среди материалов «золото» и «дерево» материал «человеческое лицо», чувствую себя примерно так:
Если вас интересует, почему процесс называется именно UV-развёртка, ответ прост: так обозначаются два направления 2D пространства — V (вверх-вниз) и U (право-лево). Результаты UV развёртки позволят в будущем текстурировать модель, а также перейти к следующему этапу.
Запечка
Запечка, или «Bake» — это и есть та технология, которую изобрели во время съёмок «Властелина Колец». Если коротко и не вдаваясь в детали, эта процедура позволяет художнику спроецировать внешний вид высокодетализированной модели на оптимизированную. Это могут быть как красивые скруглённые формы, так и целые детали, например, какие-нибудь болты.
Как уже было сказано, это позволяет значительно сократить кол-во полигонов. Казалось бы, зачем это нужно киношникам? У них и так есть в распоряжении суперкомпьютеры и возможность рендерить один кадр несколько дней, так? А если кадры нужно будет переделать? Если на экране не один пещерный тролль, а целая армия орков? Представляете, насколько эта технология упросила жизнь создателям «Властелина Колец»? Настолько, что продолжает играть важнейшую роль в создании графики и по сей день.
Этот этап является святым причастием модели, т. к. если что-то где-то было сделано неправильно, это обязательно всплывёт артефактами именно здесь. Ну а после этого остаётся последний этап.
Текстуры
Эта тема настолько объёмна, что здесь даже нечего сказать. Скажу только то, что современные технологии позволяют творить настоящие чудеса. Например, автоматически создавать материалы с физически корректными значениями — нажал одну кнопку, и твой объект стал золотым, блестит и переливается как настоящий. Нажал ещё одну кнопку, и он покрылся потёртостями на углах. Ещё одну — появились царапины. Процедурная генерация текстур — это вообще то, что взорвало мне мозг. Я-то думал, что такие вещи, как ржавчина или пыль в углублениях модели рисуются вручную. Но нет, оказалось, что такие процессы сегодня можно довести практически до автоматизма. А когда создают автоматические «умные» материалы, это вообще песня — когда один и тот же материал подстраивается под совершенно разные объекты, самостоятельно определяя, где у него углы, которые нужно затереть, а где углубления, которые нужно запылить и т. д.
Заключение
Как вы уже могли понять, создание игровых моделей — дело не самое простое. Даже с современными возможностями, такими как умные материалы, создание одного танка может затянуться на месяцы, даже если работать над ним будут несколько человек.
Недавно анонсировали Unreal Engine 5 и заявили, что он будет способен работать сразу с High-Poly моделями, минуя этапы Low-Poly, UV и запечки. Представляете, насколько это упростит художникам задачу и насколько больше позволит сосредоточиться не на технической, а на художественной части? Так что некст-ген может прийти не со стороны новых консолей, а со стороны движков.
Все эти знания позволили мне по-новому взглянуть на модели в играх, задумываться даже над тем, как создавались банальные контейнеры в Death Stranding. Когда вышла игра The Medium, а следом и мнение о ней в одном душевном подкасте, я испытал величайшее возмущение при нападках на графическую составляющую игры. Вы посмотрите на любой предмет окружения из игры, приглядитесь, с каким вниманием к мелочам они созданы. А ведь таких предметов на уровне может быть десятки и сотни.
Что касается меня, за полгода обучения практически с нуля я достиг результата, который вы можете наблюдать ниже. Оставлю ссылку на ArtStation на полную версию работы, там снимки с разных ракурсов, скриншоты из Unreal Engine и др. Если будет интересно, перейдите, поразглядывайте — мне будет приятно).
Как устроены игры. Часть 1: 3Д
Вступление
В первую очередь эта статья рассчитана не на тех, кто хочет заниматься 3д, а на обычных геймеров, которые хотят немного лучше понять как устроен процесс разработки игры. На мое решение создание такой рубрики на СГ в большей мере повлияло закрытие YouTube-канала XYZ (они еще выпускают какие-то ролики, но с разработкой они не сильно связаны). Возможно все, о чем будет написано ниже вам известно, и я зря потратил 2 часа.
Я подумал, что начать данную «рубрику» стоит с чего-то понятного всем. Абсолютно все понимают, что игры бывают либо 3дшными, либо 2дшными. Так как 2д я не особо шарю, в качестве темы статьи было выбрано именно 3Д (но вообще в двумерных играх все состоит из плоских картинок, расставленных в разных местах, ничего интересного). Я постарался не писать слишком много и не включать много ненужной информации, но важно понимать, что все о чем пойдет речь ниже довольно сильно упрощено.
Термины
Возможно, некоторые из вас совсем не слышали о «внутреннем мире» 3д и вообще не шарят за всякие, грани, карты нормалей, материалы и т. д. Специально для них я составил небольшой перечень основных понятий, о которых дальше пойдет речь.
Этап 1. Моделирование.
В самом начале 3d-artists (3дшники) берут и в специальных программах создают мэш.
Есть два основных способа это сделать (создать мэш):
Во-первых можно взять кубик и разными инструментами (изменение размера, вращение, выдавливание и много чего еще) пытаться сделать из него то, что тебе нужно. Вы скорее всего знаете, что почти любое 3д состоит из полигонов, что означает многоугольник (существую еще воксели, но про них в другой раз). Базовой формой из которых состоят полигоны является треугольник. Почему не квадрат или не ромб? Используя треугольник можно составить любую форму (из квадратов треугольник довольно сложно сделать). Так вот. На гифке выше можно увидеть как это происходит.
Второй способ похож на лепку из пластилина и зовется скульптингом. «Скульпторы» добавляют на модель кучу полигонов, за счет чего могут, собственно говоря, «лепить» 3д-модели.
Этап 2. Ретополигия и запекание нормалей.
Допустим, вы решили заскульптить какого-нибудь персонажа для своей игры. У вас получилось что-то такое:
Такую модель вы не сможете запихнуть в свою игру никаким образом, так как на ней слишком много полигонов (несколько миллионов) и компьютер будет слишком долго их все обрабатывать. В таких случаях ты садишься и делаешь так называемый «ретоп». В итоге нам нужно получить модель с адекватным (20к — 80к) количеством полигонов. Вкратце это делается примерно так:
Шаг 1. Берем нашу модель после скульптинга. У нее есть своя полигональная сетка. Дальше мы берем и создаем поверх нее новую сетку только с нормальным количеством полигонов. Например, у вас есть модель, у нее есть довольно гладкая поверхность, эта плоская поверхность состоит из 1000 полигонов. Так как плоскую поверхность можно описать пятью-шестью полигонами, мы берем и заменяем эти 400 полигонов пятью-шестью новыми полигонами. Вот примерно так это выглядит на примере 3дшного деда:
Шаг 2. Берем нашу высокополигональную модель, берем нашу, только что созданную, лоуполи модель и запекаем карту нормалей (и возможно displacement map). С помощью карты нормалей можно перенести мелкие детали, без надобности создавать для них отдельные полигоны. То есть морщины на лице деда в игре будут существовать только благодаря карте нормалей.
На скриншоте выше показан материал (слева) и его составные части (справа). Первые три части на картинке справа — это карта нормалей, color map и displaysment map. Color map говорит в какой части модели какой цвет отображать, с помощью displacement map добавляются большие выпуклые детали (такие как выпуклые кирпичи), а с помощью normal map создаются мелкие неровности (в данном случае шероховатости, неровности и сколы на кирпичах)
Важно понимать что normal map и displacement map отличаются по своей сути. Как именно?
Вообще сначала нужно объяснить как происходит обработка изображения перед тем как оно выведется на монитор. В любой сцене (будь то локация в игре или окно в 3д-редакторе) существует источник света (без него будет полная темнота на выходе). Из этого источника во все стороны выходят лучи (типа света). Эти лучи перед тем как попасть в камеру (в жизни тоже мы видим только то, что отразило от себя солнечные лучи, которые потом попали нам в глаз) встречают некоторые объекты. У разных объектов разная поверхность, и луч по-разному одних отражается. За счет этого и происходит обработка изображения. У всех 3д-объектов также есть нормали которые и говорят лучу света как отражаться от той или иной поверхности. Вот как это работает:
И normal и displacement map нужны для того чтобы добавить детализации модели. Но normal map работают за счет, так называемого, фейкового смещения, а displacement map за счет истинного смещения. Начнём с истинного смещения (displacement map). В нем изменяются положение вершин объекта, за счет чего лучи начинают по разному отражаться. В фейковом смещения (normal map) не происходит никаких изменений геометрии. Почему же при использовании normal map, свет все равно начинает отражаться в разные стороны? Normal map изменяет направление нормалей плоскости, поэтому свет начинает отражаться по-другому.
Есть еще много других карт, но делают они примерно тоже самое — добавляют детализацию объекту.
Если нечего не поняли, то вот статья.
Текстуры и материалы.
Тут все намного проще. Есть у вас, скажем, модель. Вы берете и в специальной программе раскрашиваете ее.
После процесса текстурирования и экспорта у вас должна получиться текстура в формате png-изображения.
Если вы делаете игру, то материал для объекта вы будете создавать в движке игры, а не в сторонних программах. В настройках материала можно задать параметры того, как ваша текстура будет отображаться в игре. Например карту нормалей вы тоже будете подключать именно в материал, как отдельное изображение.
Заключение
Надеюсь, некоторые из тех, кто прочитал эту статью нашли в ней что-то полезное для себя. Если есть какие-то замечание, пишите их в комментариях.
Абсолютно все понимают, что игры бывают либо 3дшными, либо 2дшными.
В это время 2.5 D игры :
Если судить по стилю поста, то 2 часть будет про 2д игры. И будет состоять из одного предложения: рисуем спрайты и соединяем их в движке, досвидания.
Всё как-то совсем по верхам. Будто спешим куда-то. Минимум наглядности.
Да и про realtime графику на самом деле ни слова — описан общий для игровой и киношной графики процесс моделинга и шейдинга (да, в киношной графике все те же карты, разве что с ретопологией заморачиваются чуть меньше, потому что могут себе позволить рендерить один кадр час на огромном массиве серверов).
Отдельно непонятно, зачем одновременно displacement (который как раз в играх почти не применяется, потому что для его работы нужно увеличивать количество полигонов, либо руками, либо автоматическим subdivide, что хуже), и normal map, иммитирующий тот же эффект путём шейдинга без изменения геометрии.
И ни слова про PBR, roughness и metallic, адекватное создание материала.
В общем и целом, я считаю себя дилетантом в 3D (т.к. ничего годного за свою жизнь в нём не слепил), но даже я вижу что в статье очень поверхностные знания, которые можно получить в процессе беглого просмотра одного ролика «делаем модель для игры» на ютубе.
Если я представляю себе, что я совсем профан и не шарю, мне сразу становится интересно «а зачем уменьшать количество полигонов, если есть Nanite?» (это достаточно глубокая тема, чтобы по ней можно было отдельную статью написать о том, как хранятся и рендерятся движками разные типы моделей).
А чем первый дед на картинке про ретопологию отличается от последнего? (для наглядности не хватает полигональной сетки на первом деде)
А как выглядит один и тот же материал с разным набором карт? (Очень хорошо бы продемонстрировало то, что, собственно, делают разные типы карт).
И это ж далеко-далеко не всё, потому что помимо моделей есть свет, тени, отражения, шейдеры, пост-эффекты, трансформации и анимации. В итоге на поставленный в заголовке вопрос «как устроены игры» блог отвечает примерно никак, потому что даже про графику в играх рассказывает примерно ничего.
Создание 3D моделей для игр — как это происходит?
Я понимаю что это не первая подобная статья на данном ресурсе, просто захотелось попробовать написать статью самому, узнать каково это. Если вас что то не устроило, прошу оставить фидбэк в комментариях.
Компьютерные игры — неотъемлемая часть нашей культуры, они дарят эмоции, объединяют людей и создают различные инфоповоды.
Разработчики дают нам интересные или не очень тайтлы, игроки решают, хорошая ли это игра, или не очень. Одно ясно всегда, на эту игру, какой бы она не была, ушло время и силы самих разработчиков.
Первое впечатление от игры складывается, когда мы видим её графику, сегодня мы разберём 3D модели в них, как они делаются и какие хитрости используются, для получения лучшей картинки.
Некоторые моменты из процесса могут меняться местами т.к. для создания персонажа и, например, танка пайплайн(т.е. процесс разработки) будет отличаться.
Концепт-арт — это идея воплощенная художником, по краткому её описанию.
Назначением концепт-арта является создание наброска объекта, который будет запущен в производство. За короткий срок необходимо подобрать наилучшую концепцию, иначе можно допустить ошибки на поздних этапах создания модели.
Для начала художнику предстоит сделать скульпт модели. На этом этапе можно окунуться в творчество и лепить не задумываясь о полигонах.
После всего процесса скульптинга модель уже должна выглядеть максимально законченно, так как именно её мы и будем использовать для дальнейших этапов производства.
Такую модель нельзя будет запихать в игру, да что уж там, скорее всего сделать последующие этапы выполнить будет проблематично, так как на ней слишком много полигонов.
На этом этапе нам как раз таки и придётся уменьшить количество этих самых полигонов.
Ретопология — это перестроение полигональной сетки, создание новой геометрии поверх старой для дальнейшего его использования.
Низкополигональная сетка нам пригодится в первую очередь для оптимизации, так же для создания чистой сетки при дальнейшей анимации и создания UV карт.
Правда после этапа ретопологии, модель может показаться чересчур простой, плоской, но в дальнейшем мы это исправим.
Данный этап нам нужен для того, чтобы наше запекание и текстуры вели себя корректным образом.
Если вы собирали кубик из бумаги, то тут вы тоже поймёте как это работает.
UV карта создаётся путем разрезания граней на модели, так например на этой гифке, мы чётко можем заметить где проходит разрез геометрии.
Запекание карт необходимо для переноса детализации с высокополигональной модели(high poly) на низкополигональную(low poly).
В первую очередь это нужно для того, чтобы наша модель выглядела не плоско и корректно отображала находящееся в сцене освещение. Сейчас я расскажу о некоторых наиболее «популярных» картах.
Normal Map — как раз таки эта карта нам и позволяет добавить детализацию, не тратя на это лишние полигоны.
Это работает так: векторы, которые используются для определения того, как свет отражается от поверхности. Их можно использовать для контроля над переходом между гранями, но также их направление можно изменять, чтобы lowpoly-модель отражала свет так же, как более сложная модель.
Если вкратце, то низкополигональная модель начинает отражать поверхность так же как и высокополигональная. За счёт этого нам и кажется что модель стала более детализированной.
Ambient Occlusion — С этой картой намного проще, она добавляет тени на модели, где это необходимо. Тем самым модель становится более реалистичной.
Curvature — это карта просчитывает неровности на поверхности модели, так же выделяет все грани, после чего эти неровности можно будет использовать при текстурировании.
Вот мы и добрались до практически последнего этапа в нашем процессе разработки. Этап текстурирования довольно важен, так как именно текстуры сильно влияют на восприятие модели.
Текстура — это массив цветовых точек, образующих изображение. Это не только раскраска объекта. Фактически, термин текстура означает шероховатость или гладкость поверхности объекта. Это те свойства поверхности, которые можно осязать.
PBR материалы — это материалы которые корректно отображают все текстуры, то есть шереховатости, отражения, затенения.
Вот настолько много этапов и проходит 3D-художник, чтобы добиться желаемого результата, но это мы ещё не затрагивали риг и анимацию самой модели.
Если вас заинтересовала эта тема, то творите, создавайте, и возможно совсем скоро вы сможете попасть на работу мечты! 🙂
Забыл добавить ссылку на курс в конце
А погодите-ка.
Держите его! Он делится полезной инфой бескорыстно!
Тут инфы меньше, чем в рекламных постах для курсов.
Набирает подписчиков чтобы в 5 посте кинуть рекламку.
(сей комментарий шутка, все персонажи вымышлены, а совпадения случайны)
лэл, я больше орнул как он намешал разные пайплайны, с разных задач. Да они имеют общие черты, но кардинально отличаются на практике по исполнению и времени затратам, так и цепочке людей которые их делают.
Лул, причём тут разные пайплайны, если все эти этапы применяются в общем пайплайне создания 3D модели для игр.
О какой цепочке людей идёт речь, если на практике никто не будет давать условную ретопологию и UV разным людям, ибо это нецелесообразно)
1) есть пейплайны без скульптинга и ретопологии
2)ретопологию и UV действительно не будут давтаь разным людям, а UV и ригинг легко, или cкульптинг и текстурированные
Окей, с этим я согласен, но причём тут смешивание разных пайпланов, если пайплайн описанный в статье имеет место быть?
Это спрашивай чувака выше
Можно было бы осветить тему фотосканов aka фотограмметрии, т.к. она неплохо прижилась в индустрии
Когда делал статью, даже не вспомнил об этом, спасибо за наводку с:
Как нарисовать сову))
было бы круто если бы все было на примере какой то одной модели. с самого начала до конца производства
Тут я думаю даже лонгридом бы не удалось все это передать
Спасибо за материал!
Ещё я бы с радостью почитал про каждый этап отдельно
Мне нравится как концепт всегда называют «наброском» хотя порой без подробного дизайна 3D художники даже вглянуть в сторону боятся.
А статья отличная, вышло познавательно!
Соглашусь, нельзя недооценивать работу концепт артиста, и в этом тексте я не хотел никого обидеть, может выразился неправильно)
Я сам без концептов порой справиться не могу 😀
Пользуясь случаем хотел бы узнать, а как вообще делают складочки на одежде у 3д моделей?
Да, очевидно делают марвелус+скульпт. но. модель же находится в А или Т позе, а потом будет как либо двигаться с ригом. при поднятой руке складочки должны быть одни. при опущенной совсем другие.
Что в этом случае делается?
Можно конечно со шейпами повозится. но это такое и в самом марвелусе я не видел такой опции.
Есть тут кто шарящий? Очень надобно.
Есть, конечно, супер заморочки с бейком симуляции в карту нормалей и привязкой одной нормальки к другой по таймлпайну уже в движке. Но эта метода редкая. Видел ее в Максе Пейне 3, ГТА 5 и в последних FIFA (там она наиболее заметная).
Хз на счет складок на одежде, но складки кожи на лице для реалистичной мимики делаются с помощью наложения дополнительных карт нормалей и управлением их интенсивности. Скажем, человек поднимает брови и лоб морщится. Карта нормали, которая накладывалась на лоб, становится интенсивнее (этот параметр привязан к блендшейпу) и сильнее играет на свету, образуя видимость более выраженного рельефа. Если очень надо, то это же можно и для одежды сделать, но ты задолбаешься расставлять веса в зависимости от параметров деформации костей. Проще нарисовать статичные складки.
По большому счету это всё избыточный труд, который никто не оценит, так что не советую заморачиваться, если ты делаешь это всё для игры. А если делаешь для видео, то всё решается банальной физической симуляцией миллионов полигончиков на рендер ферме.
Я вот тут как раз это видео смотрю. Типо такого имеется в виду?