Wprowadzenie: Emocje w Pikselach – Wyzwania Realistycznej Mimiki w Grach AAA
Gry AAA to nie tylko oszałamiająca grafika i rozbudowana mechanika rozgrywki. Coraz większą rolę odgrywają emocje. Autentyczne emocje przekazywane przez postacie. A autentyczne emocje to przede wszystkim – wiarygodna mimika twarzy. Uśmiech, gniew, zdziwienie – subtelne niuanse, które sprawiają, że postać wydaje się żywa, a gracz bardziej wczuwa się w opowiadaną historię. Jednak stworzenie realistycznej mimiki dla wielu postaci jednocześnie, zwłaszcza w dynamicznym środowisku gry, to prawdziwe wyzwanie inżynieryjne. Szczególnie, gdy wykorzystuje się powszechnie stosowane blendshape’y.
Wyobraź sobie scenę: zatłoczony rynek w mieście, gdzie setki NPC-ów reagują na działania gracza, wymieniają między sobą plotki, wyrażają radość lub strach. Każda z tych postaci musi posiadać działający system mimiki. Teraz pomnóż to przez wymagania, jakie stawiają silniki graficzne obecnej generacji, gdzie każdy detal, każda tekstura, każde załamanie światła jest pieczołowicie odtwarzane. Obciążenie procesora i karty graficznej gwałtownie wzrasta. W takim scenariuszu optymalizacja rigów twarzy, a zwłaszcza blendshape’ów, staje się absolutną koniecznością. W przeciwnym razie marzenia o płynnej rozgrywce legną w gruzach, a immersja gracza zostanie zniszczona przez przycięcia i spadki klatek na sekundę.
Blendshape’y: Podstawa Ekspresji, Źródło Obciążeń
Blendshape’y, zwane również shape keys lub morph targets, to technika animacji twarzy polegająca na tworzeniu serii zniekształconych wersji bazowego modelu twarzy. Każda z tych wersji reprezentuje określoną ekspresję, np. uśmiech, złość, czy marszczenie brwi. Następnie, w czasie rzeczywistym, silnik gry płynnie interpoluje między tymi kształtami, tworząc dynamiczną mimikę. To proste i efektywne rozwiązanie, które pozwala na uzyskanie bardzo realistycznych rezultatów.
Jednak prostota ta ma swoją cenę. Każdy blendshape dodany do modelu twarzy zwiększa obciążenie procesora i karty graficznej. Interpolacja między wieloma kształtami w czasie rzeczywistym, dla wielu postaci jednocześnie, generuje ogromną ilość obliczeń. Co więcej, im więcej wierzchołków posiada model twarzy, tym bardziej kosztowna staje się ta operacja. W grach AAA, gdzie liczba poligonów w modelu twarzy często idzie w setki tysięcy, optymalizacja blendshape’ów staje się krytyczna. Bez odpowiednich technik możemy szybko doprowadzić do sytuacji, w której gra staje się niegrywalna.
Level of Detail (LOD) dla Blendshape’ów: Skalowanie Szczegółowości
Jedną z podstawowych technik optymalizacji jest zastosowanie Level of Detail (LOD) również dla blendshape’ów. LOD polega na tworzeniu kilku wersji modelu twarzy o różnej szczegółowości geometrycznej. Im dalej od kamery znajduje się postać, tym mniej szczegółowy model jest renderowany. To pozwala na zmniejszenie obciążenia karty graficznej, zwłaszcza w scenach z dużą liczbą postaci w tle. Identyczna zasada może być zastosowana do blendshape’ów.
Wyobraźmy sobie, że mamy model twarzy z pełnym zestawem blendshape’ów, umożliwiających wyrażanie szerokiej gamy emocji. Kiedy postać znajduje się blisko kamery, renderujemy wszystkie blendshape’y z pełną precyzją. Kiedy jednak postać oddala się, możemy zacząć upraszczać blendshape’y. Możemy usunąć mniej istotne detale, takie jak drobne zmarszczki wokół oczu lub subtelne ruchy warg. Możemy również łączyć blendshape’y, redukując ich liczbę. Na przykład, zamiast oddzielnych blendshape’ów dla uśmiechu i uśmiechu z otwartymi ustami, możemy użyć jednego, bardziej ogólnego blendshape’a dla uśmiechu. To pozwala na znaczące zmniejszenie obciążenia procesora i karty graficznej, bez znaczącego pogorszenia wizualnej jakości mimiki.
Kluczowym aspektem LOD dla blendshape’ów jest odpowiednie zdefiniowanie kryteriów przełączania między różnymi poziomami szczegółowości. Kryteria te mogą opierać się na odległości od kamery, rozmiarze postaci na ekranie, lub nawet na ważności postaci w danym momencie gry. Ważne jest, aby zmiany między poziomami szczegółowości były płynne i niezauważalne dla gracza.
Culling na Podstawie Odległości i Ważności Mimiki: Selektywna Aktywacja
Kolejną skuteczną techniką optymalizacji jest culling, czyli selektywne wyłączanie obliczeń dla blendshape’ów, które są niewidoczne lub mało istotne dla gracza. Culling może być oparty na kilku kryteriach.
Po pierwsze, culling na podstawie odległości. Jeśli postać znajduje się bardzo daleko od kamery, a jej twarz jest praktycznie niewidoczna, możemy wyłączyć wszystkie obliczenia związane z mimiką. W takim przypadku wystarczy, że postać będzie animowana w sposób ogólny, np. poprzez animację szkieletową. To drastycznie redukuje obciążenie procesora i karty graficznej, zwłaszcza w scenach z dużą liczbą postaci w tle.
Po drugie, culling na podstawie ważności mimiki. Nie wszystkie blendshape’y są równie ważne dla przekazywania emocji. Niektóre blendshape’y, takie jak np. ruchy szczęki podczas mówienia, są bardzo istotne, podczas gdy inne, takie jak drobne ruchy brwi, mają mniejsze znaczenie. Możemy zaimplementować system, który dynamicznie wyłącza mniej istotne blendshape’y, w zależności od sytuacji. Na przykład, jeśli postać prowadzi dialog, możemy skupić się na aktywacji blendshape’ów związanych z mową i emocjami, a wyłączyć blendshape’y związane z drobnymi ruchami głowy lub zmarszczkami na czole. To pozwala na zachowanie wysokiej jakości mimiki tam, gdzie jest to najbardziej potrzebne, jednocześnie redukując obciążenie procesora.
Wykorzystanie Obliczeń na GPU: Przyspieszenie Interpolacji
Tradycyjnie, interpolacja blendshape’ów jest wykonywana na procesorze (CPU). Jednak proces ten może być przeniesiony na kartę graficzną (GPU), co często prowadzi do znacznego wzrostu wydajności. GPU jest znacznie lepiej przystosowane do wykonywania równoległych obliczeń na dużej liczbie danych, co sprawia, że interpolacja blendshape’ów staje się znacznie szybsza.
Przeniesienie obliczeń na GPU wymaga pewnych zmian w architekturze silnika gry. Przede wszystkim, dane dotyczące blendshape’ów muszą być przechowywane w pamięci karty graficznej. Następnie, algorytm interpolacji musi być zaimplementowany jako shader, czyli program wykonywany bezpośrednio na GPU. To pozwala na wykorzystanie pełnej mocy obliczeniowej karty graficznej do animacji twarzy. Dodatkowo, możliwe jest wykorzystanie technik takich jak compute shaders do optymalizacji obliczeń i redukcji obciążenia CPU.
Wykorzystanie GPU do interpolacji blendshape’ów może przynieść szczególnie duże korzyści w scenach z dużą liczbą postaci. Dzięki temu możemy znacząco zwiększyć liczbę postaci, które mogą być renderowane jednocześnie z wysoką jakością mimiki, bez negatywnego wpływu na wydajność gry. Jest to kluczowe dla tworzenia realistycznych i immersyjnych światów w grach AAA.
