Высококачественное освещение в DooM 3

Всё началось с идеи Humus-а, выпустившего ATI tweak. Идея проста: величина отражения (specular) на объекте зависит только от самого объекта, зачем задавать её в виде отдельной текстуры? Заменив выборку текстуры на расчёт в шейдере, Humus заметно увеличил производительность видеокарт ATI, которым выполнить пару математических функций проще, чем выбрать шестую текстуру.

Надо заметить, что оригинальный шейдер освещения DooM 3 использует текстуры для передачи различных параметров, потому что для видеокарт NVidia это более удобный способ.

Следующим шагом стал шейдер idiom-а, добавившего изменение величины отражения (заметьте, не интенсивности, а именно размера блика!) обратно-пропорционально значению, заданному в альфа-канале основной текстуры. Этим он пытался реализовать так называемый gloss map, т.е. величину гладкости поверхности. Ведь известно, что полированные поверхности дают чёткий блик, а матовые - размытый. Поскольку в оригинальном DooM 3 альфа-канал текстур практически не задействован, он подстроил расчёты так, чтобы при обычном значении альфа-канала получался блеск, соответствующий металлическому.

Получается, что для немодифицированных текстур DooM 3 поддержка gloss-map не работает, но почему тогда шейдер делает настолько красивый блеск? Потому что idiom добавил в расчёт освещённости несколько дополнительных инструкций, нормализующих вектор локальной нормали поверхности (bump mapping), который был получен из текстуры типа "карта нормалей". Эта простая операция на порядок улучшила качество имитации рельефа, что и определило общую приятственность картинки с данным шейдером.

Однако основную свою задачу - изменение блеска в зависимости от гладкости поверхности - шейдер idiom-а не выполнял, потому что для этого нужно было создавать текстуры с альфа-каналом. При его отсутствии все поверхности блестели металлическим блеском, из-за чего казались облитыми маслом.

Взяв за основу метод idiom-а (расчёт величины блика как степенной функции от гладкости поверхности) я реализвал более правильный и, к тому же, универсальный вариант, который полностью работоспособен в любой версии DooM 3 (скорее всего он будет нормально работать и в Quake 4). Тщательно проанализировав блеск, наблюдаемый в природе, я пришёл к выводу, что интенсивность отражения прямо-пропорциональна гладкости поверхности. Интенсивность (и спектр) отражений у нас задан в картах блеска (specular maps), значит нам не нужны gloss maps для определения величины блика! Чем выше интенсивность блика, тем более гладкая поверхность его создаёт; отталкиваясь от этого постулата, я добавил в шейдер вычисление средней интенсивности блеска как суммы R, G и B компонентов карты блеска. Подобрав правильный коэффициент мне удалось получить практически идеальный вариант: стекло блестит как стекло, металл как металл, кожа как кожа.

На этом эпопею с шейдером можно было бы закончить, если бы не вопиющая недоработка в самой модели освещения DooM 3! У каждого источника света есть жёстко заданная "область действия", зачастую противоречащая законам физики. Например рядом с ярким фонарём может быть полная темнота. А свет фонарика игрока, наоборот, нисколько не убывает с расстоянием, что выглядит весьма дико. В общем, это сильно мозолило мне глаз, поэтому после завершения работ над блеском я решил всерьёз заняться самим освещением.

Не буду описывать весь долгий процесс экспериментирования, скажу лишь о финальном варианте. Пришлось полностью отказаться от параметров убывания, заданных для источника света, что повлекло за собой некоторые побочные эффекты в виде освещения некоторых объектов, которые не могут быть освещены, а также темноты на улице. Но дивиденты от сделанных изменений (рассчитываемое от расстояния до источника убывание света) того стОят!