3D-графика в играх. Часть 1: Краткая история

Splinter Cell: Chaos Theory 2005 года на выходе предлагала на выбор шейдеры 1 или 3 поколения. Владельцам карт с поддержкой SM 2.0 оставался только первый вариант. Позже вышел патч, добавляющий поддержку и вторых шейдеров, но это был своего рода костыль, и качество картинки между 1 и 2 версией менялось не сильно, так как изначально освещение режима DirectX 9 в игре было рассчитано именно на SM 3.0 и сопутствующий ему HDR-рендеринг, который на вторых шейдерах был невозможен.

Далее вторая шейдерная модель дорабатывалась, и выходили промежуточные решения в виде 2.0a, которая продвигалась NVIDIA, и 2.0b, которая продвигалась ATI. Но из-за использования разными лагерями немного разных спецификаций SM, разработчики игр не спешили интегрировать их возможности в свои творения, предпочитая сделать так, чтобы на картах обоих конкурентов игры работали одинаково. К тому же, невооружённым глазом в играх изменения от новых шейдеров заметить было трудно, поэтому 2.0a и 2.0b в чистом виде использовались лишь в единицах проектов. Но совместные наработки NVIDIA и AMD не пропали даром, и следующая SM 3.0 объединила преимущества предыдущих версий в себе, став стандартом на долгие годы.

Отличия возможностей различных шейдерных моделей. Унификация пришла лишь к появлению SM 3.0.

Самое главное событие, благодаря которому игры сильнее всего приблизились к реализму по сравнению с прошлыми и следующими релизами API – это выход DirectX 9.0c и SM 3.0 в 2004 году. Естественно, графика во всех новых играх в тот же момент не стала намного лучше и реалистичнее, так как для новой версии API нужно поддерживающее её оборудование у хотя бы какой-то части игроков. Но для первопроходца Far Cry 2004 года, хоть и разрабатывавшегося изначально для SM 2.0, уже в начале 2005 года был выпущен патч с поддержкой SM 3.0, и самая красивая игра того времени стала ещё великолепнее в своём графическом исполнении.

Far Cry, без сомнения, стала первой игрой, которая действительно выделялась графикой по сравнению с играми прошлого поколения. C неё и началось повсеместное внедрение SM 3.0 и HDR. Вполне недурно она смотрится и сейчас, спустя 17 лет, разве что текстур высокого разрешения не хватает.

 

реклама

Именно этот момент можно считать отправной точкой появления графики действительно нового поколения. В 2005 году вышла первая игровая консоль шестого поколения - Xbox 360, в основу работы которой лёг тот же самый, слегка модифицированный, DirectX 9.0c. Через год и Sony выпустили PlayStation 3, сравнимую по графическим возможностям. Хотя консоль Sony использовала не DirectX 9.0с, а собственную модификацию OpenGL, она поддерживала всё те же самые функции рендеринга благодаря использованию в качестве ГП модифицированной версии графики NVIDIA GeForce 7000 серии, которая изначально проектировалась именно с учётом функций DirectX 9.0c.

К 2005 году все крупные игровые движки и игры на них уже поддерживали SM 3.0, а с 2006 она стала применяться практически поголовно во всех проектах. Именно с тех годов игры стали выглядеть гораздо лучше, и более приближённо к тому, что мы видим и сейчас в 2021.

Одна из высших точек демонстрации возможностей DirectX 9.0c – Crysis, 2007 год. Такой уровень графики и сейчас имеют далеко не все проекты даже под DirectX 11/12. Единственное, что не хватает оригинальной Crysis – это текстур высокой чёткости. Оно и понятно – на 2007 год игра должна была уметь работать на ускорителях с 256 и 512 Мб памяти. В остальном проекты современности недалеко ушли.  

Выход DirectX 10 технически был сродни революции – новая SM 4.0, универсальные шейдеры вместо использовавшихся ранее вершинных и пиксельных, вычисления на ГП, снятие многих, ранее мешавших, ограничений сложности шейдеров. Но на практике – оказался практически провалом. Причин этому три, точнее две причины и одно следствие: во-первых, новый DirectX поддерживался только в новой на тот момент Windows Vista, которая была достаточно ресурсоёмкой для многих компьютеров 2006-2007 годов, поэтому с «летающей» на том же железе Windows XP на «тормозную» Vista переходить мало кто хотел. Во-вторых: несмотря на значительное изменение принципа работы графического конвейера, графика игр DirectX 10 по сравнению с грамотно сделанными их версиями на DirectX 9 совершенно не впечатляла. А всё потому, что мощность первых совместимых с DirectX 10 видеокарт, кроме флагманов, не позволяла использовать все доступные этому API преимущества. Да, небольшую разницу можно было увидеть, но чаще всего эта разница делалась умышленно – чего стоит только возможность разблокировки максимальных настроек графики в игре Crysis на Windows XP, хотя изначально, по словам разработчиков, этот режим должен быть работоспособен исключительно на DirectX 10 и Windows Vista.

DirectX 9.0c (сверху) с разблокированными максимальными настройками против DirectX 10 (снизу) в Crysis. Кроме небольших отличий контрастности, разницу нужно искать с лупой.

Как следствие, хоть у многих игр и был режим DirectX 10, основным оставался режим DirectX 9.0c, а некоторые AAA-игры, такие, как Сall of Duty: Modern Warfare 3, даже в 2011 году работали исключительно под 9.0c, не имея каких-то альтернатив. И только в 2012 году следующая игра этой серии, Call of Duty: Black Ops 2, стала поддерживать дополнительно к DirectX 9.0c и DirectX 11, по сути, перепрыгнув версию, как и в случае прошлых переходов игр с DirectX 8.1 на 9.0c, минуя промежуточные 9.0/a/b. Выход DirectX 10.1 годом позже практически ничего не изменил, так как содержал лишь мелкие улучшения и поддерживался на момент выхода только видеокартами ATI. Позже его наработки были включены в состав DirectX 11, и тогда уже стали доступны обоим лагерям.

Всем известная GTA 5 на ПК поддерживает только DirectX 10 и 11. DirectX 9.0c остался за бортом, что неудивительно, ведь игра вышла на ПК в 2015 году и не поддерживает Windows XP. Однако, сам движок вполне способен работать и с девятым директом, ведь игра выходила изначально на PS3 и Xbox 360, став, по сути кульминацией графических способностей консолей седьмого поколения. Но на ПК от наследия DirectX 9.0c было решено отказаться.

DirectX 12, вышедший в 2015 году вместе с Windows 10, в отличие от своих предшественников не предлагал на старте каких-либо графических улучшений – вместо этого компания Microsoft обещала волшебный прирост производительности за счёт мультипоточного рендеринга на центральном процессоре. Говоря простыми словами, если раньше, вплоть до DirectX 11, обсчётом картинки на экране занимался только один поток процессора, то теперь можно было задействовать несколько потоков исключительно для рендеринга. В теории, при упоре в процессор и отсутствии упора в видеокарту, это должно было увеличить производительность кратно – например, с 30 до 60 кадров в секунду при слабом многопоточном процессоре. Это явилось наследием консолей восьмого поколения, в которых использовались 8-ядерные процессоры со слабой по меркам десктопов-ровесников архитектурой и частотой всего 1.6 ГГц. Однако, таких идеальных условий в реальности быть не могло, так как условных многоядерных низкочастотных процессоров в домашних ПК не было. Однопоточная производительность к моменту распространения DirectX 12 во всех современных процессорах, используемых в игровых системах, уже была на хорошем уровне, а оставшиеся потоки в игровых движках обычно занимались обработкой других игровых задач – физики, звука и прочего. Помимо этого, в DirectX 11 так же был режим многопоточного рендеринга, который, правда, ограничивался двумя потоками и редко применялся, но при рекламе нового DirectX 12 об этом умалчивали. В итоге, DirectX 12 практически повторил судьбу DirectX 10 в противостоянии DirectX 9 – вроде намного технологичнее, но практически везде использующийся как дополнение к рендеру DirectX 11, и, как соответствие, практически не повышающий производительность, а кое-где ещё и проблем добавляющий – так, во многих играх первой волны с поддержкой DirectX 12, его включение приводило к подтормаживаниям даже при высокой частоте кадров. А в некоторых играх такое происходит и до сих пор, поэтому рендер DirectX 11 используется в большинстве проектов и сейчас, как более беспроблемная и универсальная альтернатива DirectX 12 и Vulkan API. Но именно этот API на Xbox One и его функциональный аналог на PlayStation 4 позволил этим приставкам не отставать от ПК в производительности графики из-за слабого центрального процессора. В отличие от DirectX 11 и всех прошлых версий API, которые работали на высоком уровне, DirectX 12 – низкоуровневый, и оптимизировать его для определённого аппаратного обеспечения (консолей) намного проще, чем для всех имеющихся его вариаций (ПК). Поэтому, всё же, DirectX 12 постепенно полностью заменит собой своего предшественника, но вряд ли это будет скоро, ведь для этого все новые версии игровых движков должны разрабатываться изначально под новую версию API, а пока это произойдёт – выйдет уже следующая версия DirectX. Однако, пара таких движков есть уже и сейчас, и они демонстрируют неплохую картинку уже сегодня.

Horizon: Zero Dawn. Используемый ею игровой движок Decima изначально разработан под низкоуровневые API для применения на консолях восьмого поколения, PlayStation 4 и Xbox One. Именно эксклюзивом первой из них стала игра в 2017 году, на ПК портированная версия появилась лишь в 2020 и требует обязательной поддержки DirectX 12.

Естественно, что помимо функциональности API, графика в играх тоже должна развиваться. А без новых графических возможностей API это невозможно. Поэтому в 2018 году был выпущен DirectX 12 с подзаголовком Ultimate. Основное отличие от старого DirectX 12 – поддержка трассировки лучей в реальном времени, первая графическая возможность, реально дающая видимые невооруженным глазом отличия в графике, аж со времен внедрения тесселяции в DirectX 11 в 2009 году. Именно такой уровень возможностей в графике имеют консоли последнего, девятого поколения, PlayStation 5 и Xbox Series X/S.

Metro Exodus: Enhanced Edition, 2021 год. Первая игра, а точнее, улучшенная версия игры 2019 года, полностью переведённая на трассировку лучей вместо растеризации и задействующая все возможности DirectX 12 Ultimate. На момент написания статьи – единственная AAA-игра с полной трассировкой, в остальных играх трассировка используется лишь выборочно – только для освещения, отражений или теней.

API Vulkan, являющийся продолжателем дела OpenGL, показывает схожую с DirectX 11/12 картинку (в том числе, в последних версиях – так же с трассировкой лучей), и стал чуть более распространён, чем его предок. Он не отличается по функциональности от DirectX12, так же является низкоуровневым, но при этом не требует обязательного наличия Windows 10, прекрасно работая и на более старых Windows 7/8.1. Зачастую его рендер больше оптимизирован, и показывает более высокую и более стабильную производительность, чем рендер DirectX. Однако, количество игр на нём не превышает одного-двух десятков за последние пять лет. Разработчики игр, движки которых поддерживают Vulkan, далеко не всегда стремятся тратить свои ресурсы на его версию рендера даже для альтернативы, чаще предпочитая оставить только более распространённый DirectX.

Doom Eternal, 2020 год. Игра использует движок id Tech 7 и исключительно Vulkan API, хотя предыдущие версии движка так же поддерживали и OpenGL. Графический движок является прямым потомком Quake Engine, именно того самого первого полностью трёхмерного движка 1996 года. Вот как выглядит эволюция развития графики за почти четверть века.

Но с трассировкой не обошлось без ложки дёгтя – для её использования на ПК необходимы новые видеокарты с её аппаратной поддержкой, а такие карты на момент выхода рейтрейсинга выпустила лишь NVIDIA в линейке RTX2000, причём, лишив линейку младших моделей. А благодаря популярности майнинга, даже самая младшая RTX2060 на момент выхода стоила практически как топы предыдущих поколений, не говоря уже о старших моделях, поэтому ни о какой популярности трассировки лучей среди массового пользователя речи не шло. К сожалению, хотя на дворе уже 2021 год, ситуация с картами, поддерживающими трассировку, практически не поменялась. Несмотря на то, что вышло уже второе поколение NVIDIA RTX и AMD выпустила свою первую линейку с поддержкой рейтрейсинга RX 6000, популярность майнинга не даёт большей части пользователей приобрести карты с поддержкой данной технологии из-за цен на них, а значит и игроделы, внедрившие частичную трассировку в крупных проектах, не могут перейти на повсеместное её использование и показать массовому игроку реальные отличия от тех же проектов на DirectX 11, выпущенного в далёком 2009 году. Поэтому реальную графику нового поколения мы увидим лишь тогда, когда карты с поддержкой трассировки лучей станут доступными по цене и преобладающими в количестве у простых игроков. И когда младшие модели карт с поддержкой трассировки не будут такими слабыми в рейтрейсинге, как сейчас – ведь даже в текущих проектах с рейтрейсингом их производительности уже маловато в разрешении FullHD, не говоря уже о проектах будущих лет и разрешении 4K. К тому времени, скорее всего, выйдет уже следующий DirectX, и именно он станет следующим массовым API, а DirectX 12 останется в нашей памяти как первопроходец низкоуровневых API и трассировки лучей, как DirectX 10 вспоминается сейчас первым API с поддержкой универсальных шейдеров и расчётов на ГП.

Хотя, для красивой графики не всегда обязательно иметь трассировку. Технологичные и оптимизированные игровые движки могут даже на массовых видеокартах показать очень красивую картинку с хорошей производительностью. Лучшие из них мы рассмотрим в следующей статье цикла.