Одним словом, играм чертовски не хватает качественной физики. И, положа руку на сердце, я не могу их винить. Обсчет физических моделей — это, пожалуй, самая трудоемкая и ресурсозатратная программистская задача из встающих перед разработчиками игр (сравниться с ней может разве что реализация приличного ИИ). Даже в самых новых и продвинутых шутерах количество одновременно обрабатываемых физической подсистемой тел измеряется десятками, максимум сотнями. Опыт же фотореалистичного рендеринга эффектов вроде разламывающихся стен, взрывов или текущей лавы показывает, что о каком бы то ни было реализме можно будет говорить не раньше, чем игровой движок сможет в реальном времени оперировать тысячами, а лучше десятками тысяч взаимодействующих друг с другом объектов. Причем речь идет не только о таких сравнительно несложных вещах, как столкновения или жесткие закрепления, но и о по-настоящему мощных математических приемах, например решении дифференциальных уравнений, описывающих связи объектов и поведение гибких или рвущихся материалов.
Таким образом, перед нами стоит задача: повысить скорость физических расчетов хотя бы на порядок. И, как уже давно догадался внимательный читатель, помогут нам в этом всемогущие шейдеры и запредельные мощности современных GPU.
Тут я тоже начну издалека. Идея снять нагрузку по расчету физики с явно не справляющегося с ней центрального процессора витает в воздухе не первый год. В числе прочих долгое время муссировалась и концепция специально сконструированного для этих целей сопроцессора. И вот в марте 2005 года никому не известная тогда фирма AGEIA, с кучей шума и надоевшего до зубовного скрежета пиара в околокомпьютерных изданиях, публично огласила свои планы по созданию физического акселератора PhysX. Употребленное здесь слово «акселератор» говорит сердцу бывалого игромана больше тысяч эпитетов и стопок хвалебных пресс-релизов. Оно, сердце, истосковавшись по былым потрясениям, вновь наполняется кровью и бешено колотится в предчувствии революции. Всего каких-то десять лет назад появление легендарного 3D-акселератора Voodoo Graphics взорвало рынок трехмерных игр, впервые дав ощущение реальности происходящего — и мы не забыли, как это было. Мы хотим еще.
Но давайте глядеть на вещи трезво. В отличие от видеокарты, работающей с потоками треугольников и пикселов, гипотетический PhysX должен будет эффективно справляться с обсчетом самых разных взаимодействий и математических моделей, разнообразие которых порой кажется мне даже большим, чем разнообразие реального мира. В возможность такого верится, прямо скажем, с трудом. Более того, по заявлению разработчиков, прямого API предоставляться не будет, и все программирование будет вестись через фирменную библиотеку. Негибкость такого подхода многим сразу же показалась фатальной, особенно если учесть, что главным конкурентом в борьбе за роль физического ускорителя выступает практически универсальный вычислитель — GPU.
Еще в 2002 году, выпуская на рынок Radeon 9700, корпорация aTI бросалась громкими заявлениямио переносе физических вычислений на карту и незамедлительном наступлении эры кинематографического качества рендеринга. Хотя за рекламной мишурой не стояло ничего, кроме нескольких лабораторных исследований и пары кривых прототипов, чаяния отрасли и научного сообщества эти слова отражали очень точно: в том, что считать физику на GPU можно и нужно, были уверены все. Так что никто из сторонних наблюдателей иллюзий по поводу будущего aGEIa не питал: все сходились во мнении, что nVidia и aTI постараются задавить начинание в зародыше. И вот буквально на днях битва за потребителя началась: 23 марта было объявлено о выпуске PhysX на рынок, а двумя днями ранее на GDC[Game Developers Conference] миру было представлено детище nVidia и знаменитых Havok — работающий целиком на карте физический движок Havok FX.
Анонсированная на второй квартал новинка продолжает сверхудачную серию физических движков Havok, использовавшихся в Max Payne 2, Age of Empires III, HalfLife 2, F.E.A.R. и еще доброй сотне самых крутых тайтлов последних лет, так что внимание разработчиков к Havok FX обеспечено.
Заявлено, что система будет работать на любых картах, поддерживающих Shader Model 3.0, то есть это линейки GeForce 6xxx и 7xxx плюс Radeon X1xxx. Более того, наконец-то в полную мощь заработает технология SLI: одна карточка будет заниматься просчетом физики, а другая — отрисовкой сцены.
Подробностей внутреннего устройства движка сообщается пока очень мало. В общих чертах устроено все будет так: к набору стандартных базовых типов объектов добавляется ряд новых, описывающих те структуры, которые удалось эффективно реализовать на GPU. Например, примитив Debris[Переводится это слово вовсе не так, как вы подумали, а «осколки», «обломки», «частицы»], абстракция твердого тела. Примитивы можно будет как задавать готовыми 3D-моделями, так и конструировать на лету силами центрального процессора. Последнее может оказаться особенно полезным при визуализации взрывов и прочих разрушений: например, размер и форма выбиваемых снарядами из кирпичной стены кусков будут зависеть от силы выстрела и места попадания. После того как описание объекта передано на карту, CPU им больше не занимается: все, начиная от расчета столкновений и заканчивая выводом треугольников на экран, делает графический процессор.
Обещан также некий высокоскоростной односторонний интерфейс, при помощи которого можно снабжать GPU информацией, необходимой для учета воздействия на игровой мир объектов, параметры которых хранятся не на карте, а в оперативной памяти. Очевидно, к таковым в первую очередь относятся управляемые системой ИИ вражеские монстры и все объекты, подконтрольные пользователю. В эту же группу с большой вероятностью попадают тела, форма которых задается параметрически или постоянно меняется.
Поддерживается и моделирование так называемых нечетких объектов (жидкостей, дыма), которые, как обычно, задаются системой частиц или сеткой узлов плюс набором дифференциальных уравнений, описывающих действие частиц (узлов) друг на друга и их реакцию на внешние силы. Судя по всему, в пакете реализован быстрый интегратор вроде входящего в небезызвестный пакет NovodeX. Ясно, что как раз тут прирост по скорости должен быть самым большим: уж что-что, а методы решения систем дифференциальных уравнений на массивно-параллельных системах изучены очень хорошо.
К лету nVidia и Havok обещают довести технологию до ума, так что к концу года можно ожидать первых игр с официальной поддержкой нового движка. До революции остались считанные месяцы, друзья.
С небес на землюКак известно, две трети населенных пунктов России находится в сельской местности, где зачастую нет даже телефона. Что уж там говорить о паре видеокарт nVidia семейства GeForce 7xxx с поддержкой технологии SLI. Так что давайте обратим взор к разработкам, не требующим таких больших мощностей, но оттого не менее интересным. В конце концов, говоря, что на GPU можно делать что угодно, я ведь не врал.
Если вы смотрели чудесный мультфильм «Последняя фантазия» («Final Fantasy: The Spirits Within»), то наверняка обратили внимание, как реалистично там выглядят волосы героев. Я был сражен наповал: и на плечи ложатся, и на ветру колышутся, и друг с другом переплетаются. И волосков там не два и не десять, а тысячи, десятки тысяч. Даже страшно представить вычислительную мощь, стоявшую за этим шедевром. Я это все к чему говорю: в сделанном пару лет назад к выходу GeForce 6800 демо-ролике «Nalu» одноименная русалка обладала шевелюрой сравнимой реалистичности. А просчитывалось все (не без участия GPU, конечно) в реальном времени. В играх я пока такого нигде не встречал, но, думаю, это лишь вопрос времени.
Другим довольно редким на экранах наших мониторов гостем является имитация одежды. Обратите внимание: плащи к персонажам игр насмерть прибиты гвоздями, в шляпы вделан титановый каркас, а все складки накрахмалены и для надежности пропитаны клеем-"момент". Но надежда есть: в последнее время стали появляться алгоритмы, позволяющие сравнительно недорогими средствами моделировать поведение ткани в интерактивном режиме. В простейшем случае поступают так: участок ткани представляют как решетку узлов, каждый из которых образует упругие связи с четырьмя соседями. Затем на каждом кадре последовательно: а) применяют действие гравитации, то есть сдвигают все узлы вниз в соответствии со временем, прошедшим с предыдущего кадра; б) проверяют, что расстояние между соседними узлами не стало слишком большим, в противном случае корректируют координаты узлов; в) следят за тем, чтобы узлы не проходили сквозь препятствия и, опять-таки, подправляют их положение в случае необходимости. Все три стадии элементарно переписываются в терминах операций над текстурами, и скорость выполнения получающегося кода весьма высока. Впрочем, в этом каждый может убедиться самостоятельно, скачав соответствующую программу, например, с сайта NVIDIA.
Еще одна весьма многообещающая техника — так называемые Coupled Map Lattices (CML). Многие из вас, наверное, слышали про математическую игру «Жизнь». Напомню правила. Место действия — двухмерный массив клеток, противоположные края которого во избежание граничных эффектов отождествлены: получается этакий дискретный тор. Каждая клетка может находиться в двух состояниях: она либо жива, либо мертва. У клетки, очевидно, восемь соседей. Задается распределение живых клеток в начале игры. Это «первое поколение». Каждое следующее поколение рассчитывается по таким правилам: 1) если у мертвой клетки ровно три живых соседа, она оживает; 2) если у живой клетки два или три живых соседа, она продолжает жить; 3) если же живых соседей меньше двух или больше трех, то клетка умирает (от одиночества и от перенаселенности соответственно). Задавая различные первые поколения, можно получать разнообразнейшие картины развития популяции. Так вот, если в игре «Жизнь» разрешить клеткам принимать не два состояния, а больше, и соответственно усложнить свод правил, по которым клетки переходят из одного состояния в другое, то как раз и получится CML. Оказывается, при помощи этих систем очень удобно моделировать целый ряд природных явлений, в частности кипение жидкостей, рост барханов и формирование облаков. Более того, эта техника как будто специально придумана, чтобы ее реализовали на графическом процессоре: N+1-е поколение (текстура) получается из N-го поколения (текстуры) применением одного и того же свода правил (пиксельного шейдера) к каждой клетке поля (пиксела текстуры). Замечу, что я писал такую программу для центрального процессора, и нормального быстродействия удавалось добиться лишь для сеток весьма скромных размеров. Здесь же все просто летает.
Идеологически чем-то похожи на CML и «боиды», при помощи которых уже двадцать лет моделируется поведение стай птиц, косяков рыб, облаков насекомых и т. д. [«КТ» уже писала об этой технике] Если вкратце, каждый член стаи подчиняется трем простым правилам: избегай столкновений; двигайся туда же, куда и все; придерживайся центра стаи. А поскольку область зрения считается весьма небольшой, то движение каждой птицы определяется движением лишь нескольких ближайших ее соседей. Группа итальянских ученых еще в 2004 году написала целиком работающую на GPU мощную систему для моделирования передвижений больших стай птиц (с облетом препятствий, включая динамические) и отрапортовала об отличных скоростных показателях детища. Если же вспомнить, что прямой потомок «боидов», система Massive, использовалась для расчета поведения многотысячных армад в кинотрилогии «Властелин Колец»… Ох, славные битвы грядут, камрады-ролевики!
О программировании систем частиц на современных графических процессорах я могу говорить часами. Хотя бы потому, что именно так называлась одна из моих курсовых работ. Более очевидного кандидата на вынос с CPU, наверное, не найти. Тысячи точек движутся по простым законам, минимально взаимодействуя друг с другом и окружающим миром — или не взаимодействуя вовсе. Выигрыш от того, что эти гигантские массивы данных не гоняются на каждом кадре из оперативной памяти на видеокарту, огромен. Если же приложение таково, что частицам требуется сортировка (такое бывает, например, при моделировании воды), то преимущество шейдерного подхода становится просто разгромным. Мой почти не оптимизированный код давал выигрыш в два-три раза, в Сети же встречаются отчеты о реализациях, дающих восьми— и даже десятикратный выигрыш.
Ну и конечно, на карточку уходит практически вся рутина: анимация (от колыхания травы до обратной кинематики моделей); выделение границ и силуэтных ребер; определение видимости (в том числе закрывание объектов друг другом); LOD-техника (выбор в реальном времени подходящей детализации модели для сокращения числа выводимых полигонов); вычисление пересечений геометрических примитивов (например, луча и объектов сцены, для определения точки попадания пули). GPU стали по-настоящему универсальны и, повторюсь, подходят практически для любых задач. Судя по всему, уже в ближайшие несколько лет можно ожидать серьезного повышения как качества картинки, так и реалистичности взаимодействия с игровым миром. И этому решительно невозможно не радоваться!
ТЕМА НОМЕРА: GPU в кино
Автор: Алексей Калиниченко
Производители видеокарт и разработчики игр уже который год настойчиво обещают кинематографическое качество графики, но выполнить обещания никак не могут. Можно, конечно, «обвинить» киноиндустрию в том, что она не стоит на месте и, не снижая скорости, движется вперед. Но на руках киношников есть два козыря: они обладают куда большими вычислительными ресурсами и широко применяют материал, отснятый камерой. Игры же принципиально отличаются от кино интерактивностью: если один-единственный кадр для картины может просчитываться несколько минут и даже часов, то для игр это абсолютно недопустимо. В играх ситуация меняется в соответствии действиям пользователя, и просчитать все варианты заранее просто невозможно. А вот некоторый аналог композинга [Технология комбинированных съемок, основанная на совмещении и смешивании 2D-видеопоследовательностей; подробнее ] в свое время широко применялся для двухмерных игрушек, в которых большинство персонажей было сделано на основе спрайтов [Спрайтовая анимация основана на быстрой смене картинок, на которых тело персонажа находится в различных положениях. Больше всего это похоже на «мультик», нарисованный на уголках блокнота]. Но с широким распространением 3D-ускорителей эта технология стала неактуальной и почти не развивалась.
Однако сказать, что эти два «мира графики» не пересекаются, нельзя. В большинстве современных игр наличествуют предпросчитанные заставки, технология изготовления которых ничем не отличается от большого кино. А вот обратное проникновение до недавнего времени было только на стадии разработки 3D-моделей. Ведь 3D-редактор должен в реальном времени отображать постоянно изменяющуюся модель. Поэтому вполне логично, что тут используются технологии, подобные игровым. Правда, если мы вспомним, что OpenGL, одна из двух основных библиотек для разработки 3D-игр, была создана именно для применения в таких задачах, можно усомниться, кто у кого заимствовал технологии. Правда, в дальнейшем большинство нововведений в графике сначала появлялось в игровой индустрии и лишь потом перекочевывало в профессиональные программы, упрощая работу моделлеров и аниматоров и все больше приближая картинку, с которой работает человек, к тому, что увидит зритель.
Потом realtime-алгоритмы «проникли» в производство аниматиков — это небольшие видеоролики, которые обычно создаются до начала съемок и серьезной работой над cg[Computer graphics — компьютерная графика]. Они нужны для согласования того, как режиссер «видит» сцену, с тем, как оператор ее отснимет, и с тем, что и как в последствии предстоит сделать компьютерщикам. Согласитесь, намного проще работать, когда можно взглянуть на окончательный результат, хотя бы и в сильном приближении. Для подобных задач важнее не качество, а оперативность внесения изменений. Иногда их приходится вносить непосредственно на съемочной площадке, когда нет ни желания, ни возможности подождать полчасика, пока «машина думает». В аниматеках чаще всего нет ни теней, ни сложного света, и даже текстуры вполне могут отсутствовать. Современные видеокарты с легкостью справляются с такими задачами.
Теперь перейдем к самому интересному — к финальному рендерингу. И фильмы, и игры состоят из последовательности кадров, при этом в обоих случаях кадр — это проекция трехмерного пространства, каким-то образом заполненного треугольниками (полигонами), на плоскость экрана. Оба действа разбиты на некоторые отрезки, на которых действие происходит в одном и том же окружении. Только в игре этот отрезок называется уровнем, а в кино — планом. Принципиальная разница только в одном — куда будут помещены результаты: на экран или в файл для последующего перенесения на пленку. Получается, что для столь похожих задач используются принципиально разные аппаратные средства (GPU и CPU). Тут, конечно, можно увидеть игру букв GPU — Games, CPU — Cinematograph. Но причина отнюдь не в буквах — для решения этих задач применяются принципиально разные алгоритмы.
Описывать принцип действия GPU, думаю, смысла нет, а вот на технологиях «большого» рендеринга следует остановиться. В некотором роде они стремились как можно в большей степени подражать природе. При расчете освещения, например, часто используется технология, повторяющая естественный ход лучей, с многочисленными отражениями и преломлениями (метод фотонных карт). Для этого из источника света «испускается» большое количество фотонов, а на все объекты натягивается дополнительная текстура, в которой будет храниться информация об освещении. Если фотон попадает на поверхность какого-либо предмета, то он оставляет в его текстуре освещенности след и либо отражается, либо проходит сквозь предмет, преломляясь. После некоторого количества отражений или после того, как энергия фотона стала слишком мала, он умирает. Таким образом, при достаточном количестве фотонов мы получаем кроме основных текстур для объектов еще и текстуру освещенности, которую можно использовать при дальнейшем рендеринге.