Rivalry2

HTML Diff

0 added 0 removed

Original 2026-01-01

Modified 2026-02-21

1 <a>#статьи</a>

2 <ul><li>19 апр 2023</li>

3 <li>0</li>

4 </ul><h2>Как оптимизируют графику в играх</h2>

5 Доклад программиста игровой графики Васифа Абдуллаева.

6 Иллюстрация: Катя Павловская для Skillbox Media

7 Считает игры произведениями искусства и старается донести эту идею до широких масс. В свободное время стримит, рисует и часами зависает в фоторежимах.

8 В 2021 году в рамках онлайн-сессии From Zero to Game на азербайджанском портале<a>Gamepons</a>программист Васиф Абдуллаев затронул тему оптимизации графики в видеоиграх с позиции разработчика. В рамках своего выступления он объяснил, что такое оптимизация, как разработчики оптимизируют графику в играх, зачем они это делают и каких усилий им это стоит.

9 Редакция "Геймдев" Skillbox Media делится основными тезисами этого доклада.

10 Полная версия доклада Васифа АбдуллаеваБолее пяти лет занимается разработкой мобильных и десктопных игр в небольших инди-командах и крупных студиях. Он специализируется на программировании геймплея, шейдеров компьютерной графики и мультиплеера в движках Unity и Unreal Engine. Сейчас сотрудничает с турецкой студией Coconut Game.

11 Оптимизация кода или ПО - это процесс модификации системы для повышения эффективности некоторых элементов программы, а также для экономии ресурсов. В контексте оптимизации игр к ресурсам относятся графический процессор (GPU), центральный процессор (CPU), батарея смартфона, оперативная память и прочее железо.

12 В разработке игр выделяют две категории оптимизации:

13 <ul><li>Оптимизация кода, которая по большей части влияет на CPU. Ею занимаются программисты, ответственные за геймплей, UI, боевую систему и прочие важные элементы игры;</li>

14 <li>Оптимизация графики - более сложный процесс, в котором задействованы оба процессора. За этот вид оптимизации отвечают программисты игровой графики и технические художники.</li>

15 </ul><ul><li>Разработчик всегда заинтересован в том, чтобы его игра хорошо продавалась. Но далеко не каждый игрок может похвастаться наличием современного железа. Согласно<a>статистике</a>Steam, на март 2023 года доля систем с видеокартой NVIDIA GeForce GTX 1060 составляет 7,85% от общего числа сборок (для сравнения: у лидера NVIDIA GeForce RTX 3060 - 10,67%). Проект с современной, но неоптимизированной графикой будет сильно тормозить на системе с относительно слабой видеокартой или не запустится вовсе. А это значит, что в игру смогут сыграть далеко не все. Таким образом, оптимизация увеличивает охват аудитории.</li>

16 <li>У каждой платформы - консолей, портативных устройств, смартфонов, планшетов - своё железо. Если разработчик планирует мультиплатформенный релиз, игра должна идеально работать на всех заявленных устройствах. Поэтому её нужно оптимизировать.</li>

17 <li>И наконец, оптимизированная графика - залог плавного геймплея без просадки кадров, даже если в сцене много детализированных объектов.</li>

18 </ul>Примеры игр с хорошей оптимизацией:

19 <ul><li>Metal Gear Solid 5: The Phantom Pain - стелс-экшен с открытым миром и динамическим освещением выдаёт 60 кадров в секунду на PS4 и Xbox One, при этом качество картинки на PS3 и Xbox 360, где игра тоже доступна, ничуть не хуже (пусть и частота кадров на этих платформах ниже).</li>

20 <li>Marvel’s Spider-Man - плавный геймплей в сочетании с детализированным открытым миром реализован как на PS4, так и на портированной ПК-версии.</li>

21 </ul>Скриншот: игра Metal Gear Solid 5: The Phantom Pain / Konami Digital EntertainmentСкриншот: игра Marvel’s Spider-Man Remastered / Insomniac GamesВажно помнить, что оптимизация графики в большей степени зависит не от навыков программиста или возможностей технологии, а от того, как работают с движком программисты игровой графики и 2D/3D-художники.

22 Чтобы понять, как работает оптимизация графики, сперва необходимо ознакомиться с работой графических API. Это специальные интерфейсы, которые помогают разработчикам отрисовать картинку на экране. Также они задействованы в процессе рендеринга в реальном времени.

23 Примеры графических API:

24 <ul><li>ПК - Vulkan, DirectX 11/12, OpenGL, Metal.</li>

25 <li>Мобильные платформы - Vulkan, OpenGL, Metal.</li>

26 <li>консоли - DirectX, PSGL, GNM.</li>

27 </ul>У каждого графического API свой синтаксис кода, язык программирования шейдеров и совместимость между устройствами. Из списка выше можно увидеть, что некоторые интерфейсы поддерживают кросс-платформенность. Но основная их логика сводится к выводу изображения на экран методом растеризации или трассировки лучей в реальном времени. Современные игровые движки поддерживают сразу несколько графических API.

28 Vulkan и DirectX 12 можно отнести к "современной" категории интерфейсов. Мы привыкли считать, что понятие "современный" подразумевает более упрощённый подход. Однако код рендеринга для простого треугольника в Vulkan<a>занимает</a>около 1000 строк, а в OpenGL - менее 100.

29 Рендеринг простого треугольника в OpenGLКадр:<a>Gamepons</a>/ YouTubeВсё дело в том, что такой тип API не прячет все данные в функции, а даёт разработчику гибкость для оптимизации, особенно в отношении CPU.

30 Сравнение картинки с OpenGL ES и Vulkan в движке UnityПримечание

31 Более подробно о преимуществах API Vulkan можно узнать из <a>спецификации</a>на сайте NVIDIA.

32 Из кода Vulkan, представленного по ссылке выше, можно увидеть обилие команд. В графическом API их называют дроуколлами (от англ. DrawCall). Они отправляют центральному процессору информацию о текстурах, буферах вершин,<a>усечении</a>геометрии, шейдерах и так далее.

33 Дроуколлы в кодеКадр:<a>Gamepons</a>/ YouTubeК слову, шейдер - это тоже тип программы для рендеринга, которая определяет итоговый вид поверхности объекта в сцене: наложение текстур, рельефность, взаимодействие со светом (поглощение, рассеивание, отражение, преломление и так далее). Шейдеры взаимодействуют с графическим ускорителем и написаны в основном на языках<a>HLSL</a>или<a>GLSL</a>. Но в большинстве случаев разработчики не взаимодействуют с кодом шейдеров напрямую, а настраивают их в движке. Например, шейдеры в Unreal Engine можно собрать с помощью нодов во встроенном редакторе.

34 Визуальное программирование шейдеров в Unreal Engine 5Изображение:<a>Unreal Engine 5</a>Существует очень много игровых движков со своими достоинствами и недостатками. Каждый из них имеет уникальную архитектуру и свой подход к обработке графики. Выбор в пользу той или иной технологии зависит от бюджета, платформы, жанра, геймплея и прочих составляющих.

35 Стоит учитывать, что сцены в игре также имеют свою специфику в плане оптимизации. Например, рендеринг густого леса и симуляция толпы людей - это разные технические процессы. Поэтому программисты игровой графики должны иметь доступ к исходному коду движка, чтобы понять, как в рамках выбранной технологии реализовать различные операции. В противном случае оптимизировать игру будет сложно.

36 Следует помнить, чтоидеального игрового движка не существует. Даже проекты на нашумевшем Unreal Engine 5 нуждаются в оптимизации по нескольким причинам:

37 <ul><li>Многие до сих пор играют на слабом железе.</li>

38 <li>Инновационная технология Nanite с возможностью отрисовки миллионов полигонов<a>не работает</a>на мелких объектах вроде растений.</li>

39 <li>Трассировка лучей или различные<a>сценарии</a>освещения могут негативно влиять на производительность.</li>

40 </ul>Рендеринг, или отрисовка изображения, производится с помощью вычислений центрального процессора. В результате игрок видит на экране набор кадров или анимацию 3D-объектов с учётом их расположения, текстурирования, освещения и других характеристик. Различаютоднопоточныйрендеринг с синхронным воспроизведением вычислений и многопоточный, во время которого задействовано несколько ядер процессора. Во втором случае нагрузка распределяется равномерно.

41 Работа центрального процессора во время рендерингаИсточник: Васиф Абдуллаева / Gamepons. Инфографика: Майя Мальгина для Skillbox MediaЕсть два метода рендеринга на графическом процессоре - с помощью трассировки лучей и с помощью растеризации 3D-моделей. Последний более распространён, поэтому его стоит рассмотреть подробнее.

42 Известно, что сцены в игре состоят из 3D-объектов. В свою очередь, каждый из них состоит из примитивов: точек, линий и треугольников (иногда квадратов). Задача программы, ответственной за растеризацию, - получить из этих исходных примитивов фрагменты (пиксели) итогового изображения.

43 Общий принцип растеризацииИсточник: Васиф Абдуллаева / Gamepons. Инфографика: Майя Мальгина для Skillbox MediaКраткое описание стадий, обозначенных на схеме выше:

44 <ul><li>Сборщик входных данных (Input Assembler) - чтение данных примитивов (точек, линий и треугольников) из заполненных буферов и сбор данных в примитивы, которые будут использоваться на следующих этапах. Также на этой стадии прикрепляются значения, созданные системой для повышения эффективности шейдеров.</li>

45 <li>Этап шейдеров вершин (Vertex Shader Stage) - обработка отдельных вершин шейдером для получения преобразованного атрибута.</li>

46 <li>Этап тесселяции (Tesselation Stage) - преобразование геометрии и формирование набора небольших объектов (треугольников, точек и линий).</li>

47 <li>Этап шейдера геометрии (Geometry Shader Stage) - обработка целых примитивов: треугольников, линий, точек и смежных с ними вершин.</li>

48 <li>Этап средства программной прорисовки (Rasterizer) - урезание примитивов, которых нет в представлении, и их подготовка для следующего этапа шейдера пикселей. Векторные данные (фигуры или примитивы) преобразуются в растровое изображение из пикселей для отображения трёхмерной графики в режиме реального времени.</li>

49 <li>Этап шейдера пикселей (Pixel Shader Stage) - приём интерполированных данных для примитива и генерация данных для пикселей (например, данных о цвете). На этой стадии доступны расширенные возможности, такие как попиксельное освещение и постобработка.</li>

50 <li>Этап слияния и вывода (Output Merger) - выходные данные (значения пиксельного шейдера, информация о глубине и наборе элементов) объединяются с содержимым целевого объекта отрисовки, буферами глубины и набором элементов для окончательного результата.</li>

51 </ul>Примечание

52 Этапы растеризации могут варьироваться в зависимости от архитектуры графического процессора. Более подробно обо всех стадиях (в контексте Direct3D) можно прочесть в <a>официальной справке</a>Microsoft.

53 Теперь, когда есть представление о том, как графический и центральный процессоры обрабатывают графику, можно перейти к вопросам оптимизации.

54 Один из важных аспектов оптимизации - использование профайлеров. Это инструменты, с помощью которых можно получить информацию об элементах, снижающих производительность в конкретных сценах. Также профайлер отображает работу низкоуровневых модулей API. В отличие от общепринятых стандартов, инструмент<a>измеряет</a>производительность в миллисекундах (ms), а не в частоте кадров в секунду.

55 Профилировать графику можно непосредственно в движке (<a>Unreal Insights</a>для Unreal Engine,<a>Unity Profiler</a>для Unity) или с помощью сторонних утилит. Среди последних наиболее известны<a>RenderDoc</a>,<a>NVIDIA Nsight</a>,<a>Radeon GPU Profiler</a>и <a>Pix</a>.

56 Пример работы NVIDIA NsightКадр:<a>Gamepons</a>/ YouTubeРаботая с профайлером, следует обращать внимание на несколько моментов:

57 <ul><li>Профайлер необходимо запускать на целевой платформе - не стоит оптимизировать мобильную игру на ПК.</li>

58 <li>Профилируйте готовый билд, а не проект: редакторы игровых движков используют очень много ресурсов.</li>

59 <li>Старайтесь профилировать игру в разных условиях, ведь тактовая частота CPU и GPU зависит от нагрева и уровня заряда устройства. В этом могут помочь утилиты для оверклокинга - например, GPU Boost от NVIDIA или PowerTune от AMD.</li>

60 </ul>Нет смысла размещать объекты с высокой детализацией на дальнем расстоянии, так как игрок их всё равно не увидит. К тому же это приведёт к снижению производительности из-за<a>овершейдинга</a>мелких деталей. Модели с низким уровнем детализации не нуждаются в освещении - для них достаточно unlit-материалов. Для текстурирования в этом случае нужно использовать только карту альбедо в низком разрешении.

61 Пример меша с unlit-материаломИзображение:<a>Unigine</a>Всегдаподключайте MIP-мэппингв настройках текстур. МIP-мэппинг создаёт несколько копий одной текстуры с разной детализацией. Такой подход сводит полосы от швов на моделях к минимуму и предотвращает возможные проблемы в результате сглаживания.

62 Подключение MIP-мэппинга в UnityСтарайтеськомбинировать несколько текстур в одну, подключая отдельные каналы карты к разным слотам шейдеров.

63 Пример установки текстур в Unreal EngineКадр:<a>Gamepons</a>/ YouTubeИспользуйте текстурные атласыдля похожих мешей. Этот подход нередко применяют в игровой индустрии, так как он уменьшает количество дроуколлов.

64 Размещение текстур из атласа на нескольких мешахИзображение: Ivan Spalla /<a>Highend3D</a>Оригинальная модель и модель после применения атласаКадр:<a>Ivan Spalla</a>/ VimeoТекстурный атласКадр:<a>Ivan Spalla</a>/ VimeoУпреждающий рендеринг(Forward Rendering) - стандартный метод рендеринга "из коробки", который используется в большинстве движков. GPU получает данные о геометрии, проецирует её и разбивает на вершины. Затем происходит преобразование вершин в геометрию и дальнейшее её разделение на фрагменты или пиксели. Они подвергаются финальной отрисовке, после чего передаются на экран. При этом освещение в сцене вычисляется отдельно для каждой вершины и каждого фрагмента в зоне видимости с учётом количества источников света.

65 Приотложенном рендеринге(Deferred Rendering) сначала отрисовывается вся геометрия. Затем на полученный результат накладывают фрагментарные шейдеры с освещением, и только после этого происходит вывод картинки на экран.

66 Иногда под отложенным рендерингом подразумевают отложенное освещение (Deferred Shading / Lighting) - модификацию отложенного рендеринга, которая уменьшает размер G-буфера за счёт большого количества источников света в кадре.

67 Сравнение процессов при упреждающем и отложенном рендерингеИсточник: Васиф Абдуллаева / Gamepons. Инфографика: Майя Мальгина для Skillbox MediaПочему важно обращать внимание на метод отрисовки при оптимизации? Допустим, в сцене 100 объектов, в каждом из них порядка 1000 вершин. В таком случае в кадре будет 100 000 полигонов, которые легко обработает видеокарта. Но когда эти полигоны попадают на стадию фрагментного шейдера, запускается процесс вычисления освещения в сцене. А так как при стандартном методе расчёты освещения ведутся по отдельности для каждого сегмента, при выводе изображения не исключены задержки.

68 В случае со сложными сценами с динамическим освещением или множеством источников света лучше обратить внимание на отложенный рендеринг, так как в этом случае освещение вычисляется для каждого пикселя всего один раз, что улучшает производительность. Например, в Unreal Engine 5 этот тип рендеринга<a>используется</a>по умолчанию. Однако у него есть свои<a>недостатки</a> - в частности, несовместимость с некоторыми платформами. Поэтому выбор метода рендеринга в пользу оптимизации зависит от задач разработчика и специфики игрового движка.

69 Если в сцене много статических объектов, геометрию, которая находится вне зоны видимости, отсекают. Это можно сделать как в самом игровом движке, так и с помощью динамических систем на базе GPU.

70 При настройках усечения обращайте внимание на минимальный размер окклюдера. Окклюдеры - это объекты, позволяющие отсекать геометрию, которая находится за ними. Например, на скриншоте ниже выставлено значение 5. Это значит, что все объекты выше или шире 5 метров не будут отображаться позади окклюдера таких объёмов, что экономит время рендеринга. Размер окклюдера во многом зависит от геймдизайна игры.

71 Настройки окклюдера в движке UnityИзображение:<a>Unity</a>Если речь идёт об усечении динамических мешей, в этом случае стоит использовать <a>пул объектов</a>, то есть повторно применять сущности вместо их создания и уничтожения.

72 Иллюстрация, объясняющая принцип работы пула объектов. Разработчик задаёт в пул определённое количество пуль, которыми стреляет игрок. Каждый раз, когда игрок делает выстрел, пуля исчезает и возвращается в пул для повторного использования. Такой подход уменьшает нагрузку на процессорИсточник: Mike Geig / Twitter. Инфографика: Майя Мальгина для Skillbox MediaИгрок не сможет детально рассмотреть объекты малого размера, расположенные на дальнем расстоянии. Поэтому в движке настраивают дистанцию усечения, исходя из размеров мешей. В Unity это делают с помощью<a>кода</a>, а в Unreal Engine - с помощью инструмента<a>Cull Distance Volumes</a>.

73 Многие анимации и визуальные эффекты на основе физики нагружают процессор. Вместо этого можно воспользоваться менее ресурсоёмкими техниками. Например, при вертексной анимации, известной как<a>Vertex Animation Texture</a>, используются только текстуры и шейдеры, поэтому основная нагрузка идёт на видеокарту, а не на процессор.

74 <a>via GIPHY</a>

75 Демонстрация вертексной анимации<a>GIF</a>: лекция Васифа Абдуллаева на Gamepons / YouTubeСтарайтесь избегать этапов<a>тесселяции</a>и <a>шейдера геометрии</a>, так как они занимают много времени. Если нужно подчеркнуть рельефность, можно сделать следующее:

76 <ul><li>Рассмотрите текстурирование с использованием<a>карты параллакса</a>в качестве альтернативы.</li>

77 <li>Уменьшайте тесселяцию в зависимости от расстояния камеры.</li>

78 </ul>Также следует воздержаться от большого количества конструкций ветвления (if)в коде шейдеров. GPU лучше воспринимает параллельный код.

79 Кроме того, старайтесь сократить количество<a>входных параметров шейдера</a>. Оставьте только те, что можно изменить во время выполнения. Используйте минимальную<a>точность шейдеров</a>, особенно при разработке мобильных проектов. И обращайте внимание на <a>занятость шейдеров</a>.

80 И ещё несколько общих рекомендаций, которые помогут улучшить оптимизацию игры.

81 <ul><li>Проверяйте и профилируйте эффекты постпроцессинга. Если они сильно влияют на задержку - рассмотрите другие варианты.</li>

82 <li>Отслеживайте производительность при наличии теней и используйте<a>каскадные теневые карты</a>.</li>

83 <li>Помните, что запекание освещения менее ресурсоёмкое, чем освещение в реальном времени.</li>

84 <li>Существует несколько способов создания определённых спецэффектов - выберите самый эффективный метод, подходящий вашему проекту.</li>

85 <li>Не забывайте, что использование системы частиц может негативно повлиять на производительность.</li>

86 <li>Если есть возможность, измените значение счётчика<a>цепочки буферов</a>и проверьте результат.</li>

87 <li>Используйте динамическое разрешение.</li>

88 </ul>Помните, что оптимизация графики в играх зависит от общего визуального стиля проекта, жанра, целевой платформы и специфики игрового движка. Рекомендации, приведённые в этом материале, а также углублённое изучение и понимание внутренних процессов рендеринга помогут улучшить производительность вашего проекта.

89 <a>Научитесь: Профессия Геймдизайнер с нуля до PRO Узнать больше</a>