Дизайн низкополигональных персонажей / Хабр

Здравствуйте, уважаемые читатели dacha-zabor.ru. Меня зовут Олег, моего коллегу соавтора зовут Владимир, и я являюсь Game Low-Poly моделлером. В данной статье мне бы хотелось бы познакомить вас с азами создания игровых моделей.
Данная статья будет в первую очередь полезна начинающим, но будет интересна и ветеранам индустрии.

Преамбула

Данная статья вынашивалась мною достаточно давно.
В последнее время очень большое число людей направило свой взор в сторону игровых моделей, но, к сожалению, обладая замечательными навыками в создании Hi-poly и Mid-poly моделей, многие совершенно не имеют представления о Low-poly. Как итог, модели получаются хоть и красивыми, но совершенно негодными для дальнейшего использования.
Часто от начинающих игровых художников можно услышать фразу: « Модель делалась для себя, над оптимизацией не задумывался», она является в кроне неверной.
Построение Low-poly модели начинается именно с определения, а зачем же она собственно нам нужна?
В данной статье я хотел бы рассказать именно о различных направлений, в которых используются игровые модели, и о их весьма специфичных требованиях.

Терминология

Вертекс (Vertex, прим. перевод: Вершина) — вершинная точка пространственной фигуры. Имеет набор атрибутов, таких как координаты в 3D пространстве X,Y,Z, и в 2D пространстве U,V.

Грань (Edge, прим. перевод: Грань) – линия, ограниченная двумя вертексами. Содержит координаты образующих ее вертексов, и собственные координаты, являющиеся суммой координат вертексов.

Полигон (Polygon, прим. перевод: Многоугольник) — общее название плоских фигур геометрии. Один полигон минимум состоит из одного треугольников. Состоит из вертексов соединенных гранями.

Треугольник (Triangle) — является базовой фигурой любой модели. Состоит из трех вертексов соединенных тремя гранями.

Квадрат (Quadrilaterals, прим. перевод: квадратный полигон) — Полгигон состоящий из четырех вертексов.

Триангуляция (triangulation) — Процесс разделения полигона на треугольники.

ЛОД (LOD, Level of Detail прим. перевод: Уровни детализации) — набор моделей применяемых с отдалением и приближением игровой камеры.

Примечание: К сожалению, современные методы отрисовки не предполагают использование полигонов состоящих из более чем из трех вертексов. Такие полигоны триангулируются игровым движком, и уже в последствии обрабатываются видеокартой, именно по этой причине рекомендуется самостоятельно триангулировать сетку. Существуют и другие способы отрисовки, но, к сожалению, они не универсальны для различного компьютерного железа, по этой причине сейчас не используются.

Игровые разделы

Игровых жанров существует несметное множество, стратегии, шутеры, ролевые игры, квесты, интерактивные новеллы, платформеры, квесты, и многие другие жанры, и множество их под жанров.
Для каждого жанра существуют свои требования к моделям, но есть кое-что, что объединяет их всех — положение игровой камеры, а если быть более точным, то процент занимаемой моделью площади на экране. В дальнейшем, для упрощения мы будем использовать термин положение камеры.
В первую очередь сетка Low-poly модели будет зависеть от положения игровой камеры. Чем ближе игрок может рассматривать модель, тем плотнее должна быть сетка.

Соответственно из всего сонма жанров мы можем выделить для себя всего три направления, наиболее характерно отличающиеся по положению камеры:

– FPS (First Person Shooter) — игра от первого лица, для камеры расположенной ближе всего к игроку и игровому окружению. Основной особенностью данного направления является возможность игрока увидеть в максимальном приближении любую деталь, расположенную на игровом уровне, именно по этой причине в играх от первого лица самая высокая плотность сетки. Ярким и представителем данного направления являются Wolfenstein: The New Order (Crysis3, Fallout 4). Модели для такого типа игр доходят до 25к треугольников, но в целом используются куда как более скромные версии. Так, в вышеупомянутом Wolfenstein, немецкий солдат вместе со всей системой повреждений укладывается всего в 14 333 треугольника.

Чуть более детально: Тело 7.410, Голова 2.222, Глаза 128, Шлем 888, Маска 760, Лицевая броня [намордник] 678, Челюсти 238, система повреждений разбитая на пять частей: ч1 — 476, ч2 — 356, ч3 — 199, ч4 — 219, ч5 — 759. Краткий итог, из полного постоянно видимого комплекта: 12086 треугольников.

Состав текстур: Normal Map с Ambient Occlusion в альфа канале, Specular, Diffuse map. Разрешение немного нестандартное: у тела 3840х3840, у головы 1920х1920, у каски, объеденной с намордником 1920х1920, маска 960х960, система повреждений 960х960, глаза 512х512.

– TPS (Third Person Shooter) — игра от третьего лица, для камеры расположенной на плече игрока, либо на небольшом от него отдалении. В данном разделе игрок чаще и ближе всего наблюдает на экране своего персонажа, а вот приблизить камеру к окружению уже крайне затруднительно. Из современных представителей можно привести в пример нашумевший The Last of Us (Tomb Raider, Uncharted и многие другие). Модели главных персонажей в такого рода играх отличаются высокой плотностью сетки, и большой детализацией, но редко превышают цифру в 40к треугольников.
Рассмотрим модель Элли, из вышеупомянутой игры: Общий полигонаж составляет 31.535.

Детально: Голова 7.164, Волосы 6.054, Торс 5.851, Кисти рук 2.664, Ноги 2.549, Башмаки 1.758, челюсть 547, резинка для волос 359, рюкзак 2.693, ресницы 426, лакрима 558, глаза 912.

Состав текстур: Normal Map, Specular, Diffuse map и Ambient Occlusion для лица. Разрешение классическое: у тела 1024х1024, у головы 1024х1024, волосы 1024х512, ноги 1024х1024, челюсть и руки 512х512, башмаки 512х512, рюкзак 512х512, глаза 256х256, лакрима 128х128.

– Strategy — игры с максимальным отдалением камеры. Крайне интересный раздел, требующий экономии абсолютно на всем. Основная особенность — обилие малых объектов на экране. Самым известным представителем является все же Starcraft 2 (Homeworld: Deserts of Kharak и многие другие). Для данного раздела характерна максимальная экономия на всех объектах. Баталии из сотен анимированных юнитов в одних играх и тысячах в других , множество объектов окружения, ландшафт, все это создает огромную нагрузку на компьютер конечного пользователя.
Все остальные игры будут являться в той или иной степени смешением данных разделов.
2,5 D Game мы подробно рассматривать не будем, так как она близка к TPS, с одной лишь особенностью — камера в таких играх зафиксирована в одном положении, и может быть лишь приближена и отдалена от игрового действа, поэтому для статичных объектов рисуется только видимая половина, а для анимированных (в случае целесообразности, этот пункт мы рассмотрим чуть позже) используются группы материалов.

Игровые планы

Разобравшись с глобальным положением камеры, и определив ее типичные использования в играх, мы с вами выделили для себя три основных направления. Но и в самой игре расстояние от камеры до различных объектов может сильно отличаться.
Условно, игровое пространство можно разбить на четыре плана.

1. Объекты расположенные на экране в максимальном приближении. В данном разделе кроется все оружие, отображаемое на экране игрока (FPS), и игровые персонажи (TPS).

Из-за того что игрок постоянно наблюдает модели данного плана, для них допускается плотная сетка. Но есть одна маленькая особенность, и скрывается она в различных группах материалов для таких моделей.
Итак, рассмотрим классический случай.
Дано: модель пистолета, револьверного типа, с общим числом треугольников 6.810. В постоянной видимости у игрока только часть наружного меша, если выделить ее, то мы получим всего лишь 3.060 треугольников, остальную часть модели игрок увидеть не может. Что бы не загружать всю модель в память, а подгружать нужные элементы поэтапно, игровая модель подготавливается с учетом нанесения на нее двух и более материалов: материал группа для постоянно видимого участка (на картинке желтым), и материал группа для участка видимого только во время анимации (на картинке красным).

Соответственно, на краткий миг анимации перезарядки и появляется на экране ранее скрытый объект. Это позволяет значительно сэкономить постоянные затраты памяти.

Примечание:
–разбивку на материал группы не всегда целесообразно применять, например, когда не видимая часть модели обладает малым полигонажем.
– экранная модель, будь это модель игрока, или модель оружия, имеет две версии: собственно экранная с максимальной детализацией, и мировая модель, где к сетке применяются требования как к объектам нижеописанных игровых планов.

2. Анимируемые объекты второго плана, а именно: персонажи, и противники.

В данном разделе кроются модели монстров, неигровых персонажей, крупных анимированных объектов играющих важную роль в повествовании. Сетка для таких объектов в разы менее плотная чем для объектов первого плана.
Как вы уже могли заметить, сетка не равномерна для всей модели, наиболее плотными участками являются: лицо, волосы, и кисти рук, участки сгибов (локтевые участки, колени, плечи, тазобедренный участок). Связано это в первую очередь с большим числом костей используемых для анимации данных частей тела.
Сетка для анимируемых органических моделей, а так же механических с изгибаемыми элементам преимущественно выполнена кольцами из квадратных полигонов (впоследствии триангулированных). Выполняют сетку именно так, для компенсации сжатий и растяжений сетки (проявляющейся в сжатии, растяжении и перегибах текстуры).

3. Интерактивные объекты.

Объекты, с которыми непосредственно взаимодействует игрок. Требования к сетке таких моделей аналогично требованиям статических моделей — максимальная оптимизация сетки. Подобные модели часто анимируются более грубыми средствами — вращение и сдвиг отдельных блоков.
Аналогично первому плану, некоторые детали могут быть скрыты от игрока, и их следует отделять материальными группами.

4. Элементы локации:

В современных играх предполагается построение уровня из заранее подготовленных моделей (Unreal Engine, Unity). Для левел дизайнера подготавливается набор моделей, состоящий из различных панелей, крупноблочных объектов, плитки и многого другого, размещаемого непосредственно на уровне. Все эти объекты должны быть максимально оптимизированы, ибо являются наиболее многочисленными.
Необходимо отметить, что современные игровые движки могут отрисовывать миллионы треугольников, но сильно ограничены по числу активных объектов. Так в Unreal Engine проявляются первые признаки заторможенности при всего 1000 объектах на экране, при этом не имеет значение степень детализации данных объектов. Именно по этой причине, после построения уровня в редакторе, его необходимо поэлементно укрупнить в различные объекты, не забывая про разделение на материал группы.
На изображении ниже приведен пример игрового уровня с высокой плотностью сетки. Как вы можете заметить, элемент уровня имеет цилиндрическую форму, что приводит к значительному увеличению полигонажа относительно стандартных уровней.

Численность объектов

Степень детализации сетки зависит не только от положения камеры, но и от числа объектов на экране.
Сетка для часто повторяющихся объектов, например для травы, листьев, должна быть максимально простой.
Геометрия крупных часто повторяющихся объектов, находящихся на различном расстоянии от игрока должна иметь несколько ЛОДов, для облегчения нагрузки на видеокарту (Деревья, скалы, другие объекты)
Так же следует отметить, что для интерактивных объектов часто променяют уровни детализации (LOD).
Смысл ЛОДа — в создании дополнительной более низкополигональной модели, подменяющей оригинальную на больших расстояниях от камеры. Такие модели следует изготавливать с учетом возможного повторного использования текстур от нулевого ЛОДа. К сожалению, карту нормалей повторно использовать невозможно.
Наиболее простой алгоритм получения материала для ЛОДов — перепекать все карты непосредственно с нулевого ЛОДа.
К сожалению, у ЛОДов есть побочный эффект — в игровых движках они учитываются как отдельная модель, и они занимают дополнительное место в графической памяти.
Для сложных единичных объектов, решение о необходимости ЛОДов принимается в зависимости от максимального расстояния, с которого они должны быть видны.

Частые ошибки при создании игровых моделей

Мы с вами рассмотрели на что следует обращать внимание и как классифицировать вашу игровую модель. Разобрали основные требования к игровым моделям, а теперь мне бы хотелось вам рассказать об основных ошибках, допускаемых как профессионалами, так и новичками.

1. Сохранение не формообразующих высоту вертексов.

Данная ошибка является самой грубой и наиболее распространенной у новичков. На модели допускается сохранять только вертексы создающие основную форму модели, в крайних случаях возможно сохранение защитных бордеров (дополнительный лупс препятствующий искажению нормалей), а так же лупсов обеспечивающих симметрию развертки, но необходимо трезво оценивать их необходимость.

2. Несоразмерность детализации.

Как уже ранее говорилось, плотность сетки должна напрямую зависеть от возможности приблизить камеру к объекту.
На изображении ниже можно увидеть яркий пример несоответствия размеров кнопки и платы. плата предназначенная для установки в дверную кнопку выполнена из 1020 треугольников, при условии что теоретически на экране может занимать максимум 128х256 пикселей. Подобная плотность сетки недопустима.