照明がゲームデザインとゲーム体験に与える影響

PS5 とレイ トレーシングをサポートする Project Scarlett を見越して、私はゲームのライティングについて考え始めました。 光とは何か、それがデザインにどのような影響を与え、ゲームプレイ、美学、体験を変えるのか、作者が説明している資料を見つけました。 すべて例とスクリーンショット付き。 ゲーム中はこれにすぐには気づきません。

導入

照明は、プレイヤーがシーンを見るためだけのものではありません (これは非常に重要ですが)。 光は感情に影響を与えます。 演劇、映画、建築における多くの照明技術は、感情を高めるために使用されています。 なぜゲームデザイナーはこれらの原則を借用すべきではないのでしょうか? 画像と感情的反応の関係は、キャラクター、物語、サウンド、ゲームの仕組みなどを扱うのに役立つもう XNUMX つの強力なツールを提供します。 同時に、光と表面の相互作用により、明るさ、色、コントラスト、影、その他の効果に影響を与えることができます。 これらすべてが、すべてのデザイナーが習得しなければならない基礎となります。

このマテリアルの目的は、照明デザインがゲームの美しさとユーザー エクスペリエンスにどのような影響を与えるかを判断することです。 ビデオゲームにおける光の役割を分析するために、光の性質と芸術の他の分野で光がどのように使用されているかを見てみましょう。

『白鳥の湖』 アレクサンダー・エクマン

I - 光の性質

「空間、光、そして秩序。 これらは、一切れのパンや一晩泊まる場所を必要とするのと同じくらい、人々が必要とするものなのです」とル・コルビュジエは語った。

自然光は、生まれた瞬間から私たちを導き、同行します。 それは私たちの自然なリズムを確立するために必要なものです。 光は私たちの体のプロセスを制御し、体内時計に影響を与えます。 光束、光の強さ、色、焦点とは何かを理解しましょう。 そして、光が何で構成され、どのように動作するかを理解します。

1 - 人間の目で見えるもの

光は、目で認識される電磁スペクトルの一部です。 この領域では、波長は 380 ～ 780 nm の範囲にあります。 日中、私たちは錐体を使って色を見ますが、夜は桿体を使って灰色の色合いだけを見ることができます。

可視光の基本的な特性は、方向、強度、周波数、偏光です。 真空中での速度は 300 億 m/s で、これは基本的な物理定数の 000 つです。

可視電磁スペクトル

2 - 伝播の方向

真空中には何もなく、光は直進します。 ただし、水、空気、その他の物質に遭遇すると、異なる動作をします。 物質と接触すると、光の一部が吸収され、熱エネルギーに変換されます。 透明な物質に衝突すると、光の一部は吸収されますが、残りは透過します。 鏡などの滑らかな物体は光を反射します。 物体の表面に凹凸があると光が散乱します。

光の伝播方向

3 - 基本特性

軽い流れ。 光源が発する光の量。
測定単位: lm (ルーメン)。

光の力。 特定の方向に伝達される光の量。
測定単位: cd (カンデラ)。

イルミネーション。 表面に当たる光の量。
照度 = 光束 (lm) / 面積 (m2)。

測定単位: lx (ルクス)。

輝度。 これは、人間の目が認識する光の唯一の基本的な特性です。 一方では光源の明るさが考慮され、他方では表面が考慮されます。つまり、反射の程度（色と表面）に大きく依存します。
測定単位: cd/m2。

4 - 色温度

色温度はケルビンで測定され、特定の光源の色を表します。 イギリスの物理学者ウィリアム・ケルビンは石炭を加熱しました。 それは真っ赤になり、温度に応じてさまざまな色にきらめきました。 最初、石炭は暗赤色に輝いていましたが、加熱されると色が明るい黄色に変わりました。 最高温度では、放出される光は青白色になりました。

自然光、24 時間、サイモン レイキー

II - 照明デザインテクニック

このセクションでは、コンテンツ/ビジュアルの表現力に影響を与えるためにどのような照明パターンを使用できるかを見ていきます。 これを行うために、アーティストや照明デザイナーが使用する照明技術の類似点と相違点を特定します。

1 – 明暗法とテネブリズム

明暗法とは、照明の分布を指す芸術理論の概念の XNUMX つです。 音量や雰囲気を伝えるためにトーンの遷移を表示するために使用されます。 ジョルジュ・ド・ラ・トゥールは、夜の明暗法やろうそくの炎に照らされた場面を描いた作品で有名です。 彼の以前のアーティストの中で、これほど巧みにこのような変化を実現したアーティストはいませんでした。 光と影は彼の作品において重要な役割を果たしており、さまざまな、そしてしばしば代替的なバリエーションで構成の一部となっています。 ド・ラ・トゥールの絵画を学ぶことは、光の使い方とその特性を理解するのに役立ちます。

ジョルジュ・ド・ラ・トゥール「マグダラのマリアの懺悔」、1638年から1643年。

a - ハイコントラスト

この絵では、暗い背景に明るい色の顔と衣服が際立っています。 トーンのコントラストが高いため、見る人の注意は画像のこの部分に集中します。 実際にはそのようなコントラストは存在しないでしょう。 顔とロウソクの間の距離は、ロウソクと手の間よりも遠いです。 ただし、顔と比較すると、手のトーンとコントラストが落ち着いていることがわかります。 ジョルジュ・ド・ラ・トゥールは、観察者の注意を引くためにさまざまなコントラストを使用しています。

b - 光の輪郭とリズム

色調の差が大きいため、図の端に沿った一部の領域に輪郭が表示されます。 絵の暗い部分であっても、芸術家は主題の境界を強調するためにさまざまなトーンを使用することを好みました。 光は一箇所に集中せず、顔から足まで滑り落ちます。

c - 光源

ジョルジュ・ド・ラ・トゥールの作品のほとんどでは、光源としてキャンドルやランプが使用されています。 写真は燃えているろうそくを示していますが、ここでの明暗法はろうそくに依存していないことはすでにわかっています。 ジョルジュ・ドゥ・ラ・トゥールは、暗い背景に顔を置き、色調間の鋭い変化を生み出すためにキャンドルを置きました。 高コントラストの場合、明るい色調と暗い色調を並べて最適な効果を実現します。

d — 幾何学的形状の構成としての明暗法

この作品の光と影を単純化すると、基本的な幾何学的形状が見えてきます。 明るい色調と暗い色調の統一がシンプルな構成を形成します。 物体や人物の位置によって前景と背景が示されるような空間感覚を間接的に生み出し、緊張感とエネルギーを生み出します。

2 – 基本的な映画照明テクニック

2.1 - XNUMX 点からの照明

オブジェクトを照らす最も人気があり、成功している方法の XNUMX つは、ハリウッドの古典的なスキームである XNUMX 点照明です。 このテクニックを使用すると、オブジェクトのボリュームを伝えることができます。

キーライト（Key Lighting、つまり主な光源）
これは通常、各シーンで最も強力なライトです。 どこからでも発生する可能性があり、その発生源は被写体の横または後ろにある可能性があります (Jeremy Byrne「デジタル ライティングとレンダリング」)。

Fill Lighting (つまり、コントラストを制御するための光)
名前が示すように、キーライトによって作成された暗い領域を「塗りつぶして」除去するために使用されます。 補助光は強度が著しく低く、主光源に対して斜めに配置されています。

背景光（バックライト、つまり背景セパレータ）
シーンのボリュームを伝えるために使用されます。 被写体を背景から分離します。 補助光と同様に、背景光は強度が弱く、被写体のより広い領域をカバーします。

2.2 - 底部

太陽の動きにより、私たちは人々がどの角度からでも照らされるのを見ることに慣れていますが、下からはそうではありません。 この方法は非常に珍しいように見えます。

フランケンシュタイン、ジェームズ・ホエール、1931

2.3 - 後部

オブジェクトは光源と観察者の間に配置されます。 このため、オブジェクトの周囲に輝きが現れ、残りの部分は影のままになります。

「E.T. 地球外生命体」、スティーブン・スピルバーグ、1982

2.4 - 側面

このタイプの照明は、シーンを側面から照らすために使用されます。 鮮明なコントラストを生み出し、質感を明らかにし、被写体の輪郭を強調します。 この方法は明暗法に近いものです。

ブレードランナー、リドリー・スコット、1982

2.5 - 実用的な照明

これはシーン内の実際の照明、つまりランプ、キャンドル、テレビ画面などです。 この追加の光を使用して、照明の強度を高めることができます。

「バリー・リンドン」、スタンリー・キューブリック、1975年

2.6 - 反射光

強力な光源からの光は、反射板や壁や天井などの表面によって散乱されます。 このようにして、光はより広い領域をカバーし、より均一に分散されます。

『ダークナイト ライジング』、クリストファー・ノーラン、2012 年

2.7 - ハードライトとソフトライト

ハードライトとソフトライトの主な違いは、被写体に対する光源のサイズです。 太陽は太陽系の最大の光源です。 しかし、それは私たちから90万キロメートル離れており、それはそれが小さな光源であることを意味します。 硬い影が作成され、それに応じて硬い光が作成されます。 雲が現れると空全体が大きな光源となり、影が見えにくくなります。 つまり、柔らかい光が現れるということです。

レゴを使用した 3D の例、ジョアン プラダ、2017

2.8 - 高音キーと低音キー

ハイキー ライティングを使用して、非常に明るいシーンを作成します。 露出オーバーに近い状態になることがよくあります。 すべての光源のパワーはほぼ同じです。
ハイキーの照明とは異なり、ローキーではシーンは非常に暗く、強力な光源が存在する可能性があります。 サスペンスやドラマの感覚を伝えるために、光ではなく影に主役が与えられます。

「THX 1138」、ジョージ・ルーカス、1971

2.9 - 動機付けられた照明

この照明は、太陽、月光、街路灯などの自然光を模倣しています。 実用的な照明を強化するために使用されます。 特別なテクニックは、たとえばカーテン付きの窓の効果を作り出すフィルター (ゴボ) など、動機付けられた照明を自然にするのに役立ちます。

ドライブ、ニコラス・ウィンディング・レフン、2011

2.10 — 外光

これは、シーン内に見える太陽光、月光、街灯などです。

「とても奇妙なことだ。 シーズン 3」、ダファー ブラザーズ、2019

III - レンダリングの基本

レベル デザイナーは照明の重要性を理解しており、シーンの特定の認識を実現するために照明を使用します。 レベルを照らして望ましい視覚的目標を達成するには、静的光源、その伝播角度、および色を識別する必要があります。 それらは特定の雰囲気と必要な概要を設定します。 しかし、照明は技術的特性、たとえばプロセッサーの能力に依存するため、すべてがそれほど単純ではありません。 したがって、ライティングには、事前計算されたライティングとリアルタイム レンダリングの XNUMX 種類があります。

1 - 事前計算されたライティング

デザイナーは静的照明を使用して、位置、角度、色など、各光源の照明特性を定義します。 通常、グローバル イルミネーションをリアルタイムで実装することは、パフォーマンスの問題により不可能です。

事前レンダリングされた静的グローバル イルミネーションは、Unreal Engine や Unity を含むほとんどのエンジンで使用できます。 エンジンは、そのような照明を特別なテクスチャ、いわゆる「ライト マップ」（ライトマップ）に「ベイク」します。 これらのライトマップは他のマップ ファイルとともに保存され、エンジンはシーンのレンダリング時にそれらにアクセスします。

同じシーン: イルミネーションなし (左)、直接イルミネーションのみあり (中央)、間接グローバル イルミネーションあり (右)。 Unity Learn のアートワーク

ライトマップに加えて、シャドウ マップもあり、それに応じてシャドウの作成に使用されます。 まず、光源を考慮してすべてがレンダリングされ、シーンのピクセル深度を反映する影が作成されます。 結果として得られるピクセル深度マップはシャドウ マップと呼ばれます。 これには、光源と各ピクセルの最も近いオブジェクトの間の距離に関する情報が含まれています。 次にレンダリングが実行され、表面上のすべてのピクセルがシャドウ マップに対してチェックされます。 ピクセルと光源の間の距離がシャドウ マップに記録されている距離よりも長い場合、ピクセルは影の中にあります。

シャドウ マップを適用するためのアルゴリズム。 OpenGl チュートリアルからの図

2 - リアルタイムレンダリング

リアルタイムの古典的な照明モデルの XNUMX つは、Lambert モデルと呼ばれます (スイスの数学者 Johann Heinrich Lambert にちなんで)。 リアルタイムでレンダリングする場合、GPU は通常、オブジェクトを一度に XNUMX つずつ送信します。 このメソッドは、オブジェクトの表示 (位置、回転角度、スケール) を使用して、どのサーフェスを描画するかを決定します。

Lambert 照明の場合、光はサーフェス上のあらゆる点からあらゆる方向に放射されます。 これは、反射などのいくつかの微妙な点を考慮していません (Chandler Prall による記事)。 シーンをよりリアルに見せるために、ランバートのモデルに追加の効果 (グレアなど) が適用されます。

例として球を使用したランバート シェーディング。 Peter Dyachikhin による資料からのイラスト

最新のエンジン (Unity、Unreal Engine、Frostbite など) のほとんどは、物理ベースのレンダリング (Pysally Based Rendering、PBR) とシェーディングを使用します (Lukas Orsvarn による記事)。 PBR シェーディングは、サーフェスを記述するためのより直感的で便利な方法とパラメータを提供します。 Unreal Engine では、PBR マテリアルには次のパラメータがあります。

• ベースカラー - 表面の実際のテクスチャ。
• 粗さ - 表面の凹凸の程度。
• メタリック - 表面が金属かどうか。
• Specular (鏡面性) - 表面のぎらつきの量。

PBRなし（左）、PBR（右）。 メタ 3D スタジオのイラスト

ただし、レンダリングには別のアプローチ、レイ トレーシングがあります。 このテクノロジーは、パフォーマンスと最適化の問題により、これまで考慮されていませんでした。 それは映画とテレビ業界でのみ使用されていました。 しかし、新世代のビデオ カードのリリースにより、このアプローチをビデオ ゲームで初めて使用できるようになりました。

レイ トレーシングは、よりリアルな照明効果を作成するレンダリング テクノロジです。 実際の環境における光の伝播原理を再現します。 光源から発せられる光線は、光子と同じように動作します。 それらは表面からあらゆる方向に反射されます。 同時に、反射光線または直接光線がカメラに入射すると、反射光線は反射した表面に関する視覚情報を伝達します (たとえば、その色を報告します)。 E3 2019 の多くのプロジェクトがこのテクノロジーをサポートします。

3 - 光源の種類

3.1 - ポイントライト

現実の通常の電球と同じように、全方向に光を放射します。

アンリアル エンジンのドキュメント

3.2 - スポットライト

一点から光を放射し、円錐状に光が広がります。 実際の例: 懐中電灯。

アンリアル エンジンのドキュメント

3.3 - 領域を持つ光源 (エリアライト)

特定の輪郭(長方形や円など)から直接光線を放射します。 コンピュータは光を発するすべての点を計算するため、このような光はプロセッサに大きなストレスを与えます。

Unity ドキュメント

3.4 - 指向性光源

太陽またはその他の遠方の光源をシミュレートします。 すべての光線は同じ方向に移動し、平行であると考えることができます。

Unity ドキュメント

3.5 - 放射光

放射光源または放射マテリアル (UE4 では放射マテリアル) は、マテリアルが光を放射しているかのような錯覚を簡単かつ効果的に作成できます。 光のぼやけた効果があります - 非常に明るい物体を見るとそれが見えます。

アンリアル エンジンのドキュメント

3.6 - 周囲光

『Doom 3』のシーンは壁のランプで照らされ、エンジンが影を作り出します。 表面が日陰にある場合は、黒く塗装されます。 現実世界では、光の粒子 (フォトン) が表面から反射されることがあります。 より高度なレンダリング システムでは、ライトがテクスチャにベイクされるか、リアルタイムで計算されます (グローバル イルミネーション)。 ID Tech 3 (Doom) などの古いゲーム エンジンは、間接照明の計算に多すぎるリソースを費やしていました。 間接照明が足りないという問題を解決するために、拡散光が使用されました。 そして、すべての表面が少なくともわずかに照らされました。

Doom 3 エンジン (IdTech 4 エンジン)

3.7 - グローバルイルミネーション

グローバル イルミネーションは、あるオブジェクトから別のオブジェクトへの光の反射を計算する試みです。 このプロセスは、環境光よりもはるかに多くの負荷をプロセッサに与えます。

アンリアル エンジンのドキュメント

IV - ビデオゲームの照明デザイン

視覚的な構成 (光の位置、角度、色、視野、動き) は、ユーザーがゲーム環境をどのように認識するかに大きな影響を与えます。

デザイナーのウィル・ライト氏は、ゲーム環境における視覚的構成の機能について GDC で講演しました。 特に、プレイヤーの注意を重要な要素に向けます。これは、レベル内のオブジェクトの彩度、明るさ、色を調整することによって行われます。
これらすべてがゲームプレイに影響を与えます。

適切な雰囲気はプレーヤーを感情的に引き込みます。 デザイナーは視覚的な連続性を作成することでこれに対処する必要があります。

Maggie Safe El-Nasr はいくつかの実験を行いました。彼女は、FPS シューティング ゲームに慣れていないユーザーを Unreal Championship に参加するよう招待しました。 照明設計が不十分だったため、プレイヤーは敵に気づくのが遅すぎてすぐに死んでしまいました。 私たちは動揺し、ほとんどの場合、試合を放棄しました。

光は効果を生み出しますが、ビデオゲームでは演劇、映画、建築とは異なる使い方ができます。 デザインの観点から見ると、照明パターンを表す XNUMX つのカテゴリがあります。 そしてここで私たちは感情を忘れてはなりません。

レベル アートのデザイン要素、ジェレミー プライス

1 - ガイド

アンチャーテッド4
スーザン・ワインシェンクは、『すべてのデザイナーが人間について知っておくべき100のこと』の中で、中心視野と周辺視野の重要性を探ります。

中心ビジョンは私たちが最初に目にするものであるため、デザイナーの意図どおりにプレイヤーが見なければならない重要な要素が含まれている必要があります。 周辺視野は状況を提供し、中心視野を強化します。

アンチャーテッド ゲームはこの良い例です。光が中央の視野に入り、プレイヤーを導きます。 しかし、周辺視野の要素が中心視野と矛盾すると、デザイナーとプレーヤーの間のつながりは崩れてしまいます。

夜明けまで
照明を使用してプレイヤーをガイドします。 スタジオのクリエイティブ ディレクターであるウィル バイルズ氏は次のように述べています。「私たちにとって最大の課題は、すべてを暗くすることなく恐怖の雰囲気を作り出すことでした。 残念ながら、画像が暗すぎると、ゲーム エンジンは画像を明るくしようとし、その逆も同様です。 この問題に対処するために新しい技術を発明する必要がありました。」

下のイラストにあるように、青い背景に温かみのある光が目立ち、プレイヤーの注意を引きます。

2 - 照明/フレーミング

バイオハザード2リメイク

バイオ2リメイクではライティングでフレームを変えることができます。 ラクーンシティ警察署の暗い廊下を歩くとき、主な光源はプレイヤーの懐中電灯です。 この種の照明は強力なメカニズムです。 変更された視点により、プレーヤーの目は照らされた領域に引き付けられ、強いコントラストにより他のすべてが遮断されます。

ダークソウルⅠ

巨人の墓は、危険な崖がたくさんある、ゲーム内で非常に暗い場所の XNUMX つです。 光る石に注意して落ちないように慎重に移動すれば通過可能です。 白く輝く目にも注意が必要です。これは敵です。

プレーヤーからの照明の半径が大幅に減少し、暗闇での視認性が制限されます。 懐中電灯を左手に持つことで、プレイヤーは照明と視野の両方を増やすことができます。 同時に、懐中電灯は受けるダメージを大幅に軽減します。視認性か保護かを選択する必要があります。

3 - ナレーション

餌食

アクションが行われるステーションは軌道上にあるため、ゲームには特別な光サイクルがあります。 光の方向を決定するため、ゲームプレイに大きな影響を与えます。 このゲームでは、アイテムや場所を見つけるのが通常よりも難しくなります。 離れたセクションでは、プレイヤーは駅の内側からある角度から問題を観察し、外側から別の角度から問題を観察することで問題を解決できます。

エイリアンアイソレーション

Alien では、プレーヤーを導き、恐怖感を生み出すために光が使用されます。 ユーザーは常に緊張状態にあります。暗闇のどこかにゼノモーフが隠れています。

4 - 迷彩

スプリンターセル：ブラックリスト

その中の光はユーザーを導くだけでなく、ゲームの仕組みとしても使用されます。

多くの場所で、プレイヤーは影を使って安全なコースを保ち、敵を避けます。 Splinter Cell では、キャラクターの装備のライトが「視認性メーター」の役割を果たします。プレイヤーが隠れるほど、ライトはより明るく輝きます。

忍者のマーク

『Mark of the Ninja』では、光と闇は完全に対極にあります。 ゲームのリードデザイナーであるネルス・アンダーセン氏は、「キャラクターの見た目は、あなたが見えるか見えないかを示します。 あなたが隠れている場合、あなたは黒い服を着ており、光の中で一部の細部のみが赤で強調表示されます - あなたは完全に色付けされています。」（記事「Mark of the Ninja's XNUMX stelth design rules」）。

5 - 戦う/守る

アランウェイク

アラン ウェイクの懐中電灯は武器です。 それがなければ敵を排除することは不可能です。 光を当てて一定時間保持する必要があります。そうすると、彼らは脆弱になり、殺される可能性があります。 光が敵に当たると後光が現れ、その後光が減ってオブジェクトが輝き始めます。 この時点で、プレイヤーは敵を撃つことができます。

フレアやスタングレネードを使用して敵を排除することもできます。

A Plague Tale: Innocence

Asobo Studio のプロジェクトでは、人間に対してネズミを使用できます。 たとえば、敵のランタンを壊すと、敵は即座に暗闇に陥り、ネズミの大群を妨げることはできません。

6 - アラート/フィードバック

デウスエクス：人類は分割します

Deus Ex では、セキュリティ カメラが、光の円錐によって制限される視野内で何が起こっているかを監視します。 ニュートラルの場合、ライトは緑色になります。 敵を検出すると、カメラはライトを黄色に変え、ビープ音を鳴らし、数秒間または敵が視野から消えるまでターゲットを追跡します。 数秒後、ライトが赤に変わり、カメラがアラームを鳴らします。 このように、プレーヤーとのインタラクションは、光の助けを借りて実現される。

Hollow Knight

Team Cherry のメトロイドヴァニアは、プレイヤーが気づくよりも頻繁に照明を変更します。

たとえば、ダメージを受けるたびに絵が一瞬フリーズし、主人公の横に割れたガラスのエフェクトが表示されます。 全体の照明は暗くなりますが、主人公に最も近い光源（ランプやホタル）は消えません。 これは、受けた各打撃の重要性と威力を強調するのに役立ちます。

7 - 別離

Assassin's Creed Odyssey

昼と夜のサイクルがオデッセイの中心です。 夜間はパトロールが少なくなり、プレイヤーが発見されない可能性が高くなります。

時刻はいつでも変更できます。これはゲーム内で提供されます。 夜になると敵の視力は弱まり、多くの敵は眠りに就きます。 相手を避けたり攻撃したりしやすくなります。

ここでは昼夜の交代が特殊なシステムとなっており、時間帯によってゲームのルールがガラリと変化する。

飢えないでください

サバイバル シミュレーター Don't Starve は、夜でも初心者を容赦しません。ここでは暗闇の中を歩くのは致命的です。 XNUMX秒後、プレイヤーは攻撃を受けてダメージを受けます。 生きていくためには光源が必要です。

モブは夜になるとすぐに眠りに落ち、日の出とともに目覚めます。 日中眠っている生き物の中には目を覚ますものもあります。 植物は成長しません。 肉が乾燥しない。 昼と夜のサイクルがシステムを確立し、ゲームのルールが XNUMX つのカテゴリーに分けられます。

V - 結論

美術、映画、建築で見られる照明技術の多くは、仮想空間の美しさを補完し、プレイヤーの体験を向上させるためにゲーム開発で使用されています。 ただし、ゲームは映画や劇場とは大きく異なります。ゲーム内の環境は動的で予測不可能です。 静的照明に加えて、動的光源も使用されます。 インタラクティブ性と適切な感情を追加します。

光はさまざまなツールです。 アーティストやデザイナーに、プレイヤーとさらに関わるための十分な機会を与えます。

テクノロジーの発展もこれに影響を与えています。 ゲーム エンジンにはさらに多くの照明設定が追加され、場所の照明だけでなく、ゲーム デザインにも影響を与えるようになりました。

参照

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出所： habr.com