由于预计 PS5 和 Project Scarlett 将支持光线追踪，我开始考虑游戏中的光照。 我找到了作者解释光是什么、它如何影响设计、改变游戏玩法、美学和体验的材料。 全部带有示例和屏幕截图。 在游戏过程中你不会立即注意到这一点。
介绍
照明不仅仅是为了让玩家能够看到场景（尽管这非常重要）。 光影响情绪。 戏剧、电影和建筑中的许多灯光技术都用来增强情感。 为什么游戏设计师不应该借鉴这些原则？ 图像和情感反应之间的联系提供了另一个强大的工具，可以帮助您处理角色、叙事、声音、游戏机制等。 同时，光与表面的相互作用可以影响亮度、颜色、对比度、阴影和其他效果。 所有这些都构成了每个设计师都必须掌握的基础。
该材料的目的是确定照明设计如何影响游戏的美观和用户体验。 让我们看看光的本质以及它如何在其他艺术领域中使用，以分析它在视频游戏中的作用。
亚历山大·艾克曼《天鹅湖》
I——光的本质
“空间、光线和秩序。 人们需要这些东西，就像他们需要一块面包或一个过夜的地方一样。”勒·柯布西耶。
从我们出生的那一刻起，自然光就引导并陪伴着我们。 这是必要的，它建立了我们的自然节奏。 光控制我们身体的过程并影响生物钟。 让我们了解什么是光通量、光强度、颜色和焦点。 然后我们就会了解光的组成以及它的行为方式。
1 - 人眼所见
光是肉眼可感知的电磁波谱的一部分。 在此区域中，波长范围为 380 至 780 nm。 白天，我们使用视锥细胞看到颜色，但到了晚上，眼睛使用视杆细胞，我们只能看到灰色阴影。
可见光的基本特性是方向、强度、频率和偏振。 它在真空中的速度为 300 m/s，这是基本物理常数之一。
可见电磁波谱
2 - 传播方向
真空中没有任何物质，光是直线传播的。 然而，当它遇到水、空气和其他物质时，它的行为就会有所不同。 与物质接触后，部分光被吸收并转化为热能。 当与透明材料碰撞时，一些光也会被吸收，但其余的会透过。 光滑的物体（例如镜子）会反射光。 如果物体表面不平整，光线就会发生散射。
光传播方向
3 - 基本特征
光流。 光源发出的光量。
测量单位：lm（流明）。
光的力量。 沿特定方向传输的光量。
测量单位：cd（坎德拉）。
照明。 落在表面上的光量。
照度=光通量（lm）/面积（m2）。
测量单位：lx（勒克斯）。
亮度。 这是人眼感知的光的唯一基本特征。 一方面，它考虑光源的亮度，另一方面考虑表面，这意味着它很大程度上取决于反射程度（颜色和表面）。
测量单位：cd/m2。
4 - 色温
色温以开尔文为单位测量，代表特定光源的颜色。 英国物理学家威廉·开尔文加热了一块煤。 它变得通红，闪烁着与不同温度相对应的不同颜色。 起初，煤发出深红色的光，但随着加热，颜色变成亮黄色。 在最高温度下，发出的光变成蓝白色。
自然光，24 小时，西蒙·莱基
II-灯光设计技巧
在本节中，我们将了解哪些照明模式可用于影响内容/视觉效果的表现力。 为此，我们将确定艺术家和照明设计师使用的照明技术的异同。
1 – 明暗对比和暗淡主义
明暗对比是艺术理论的概念之一，指的是照明的分布。 它用于显示音调过渡以传达音量和情绪。 乔治·德·拉图尔 (Georges de La Tour) 以其夜间明暗对比和烛光照明场景的作品而闻名。 他的前辈艺术家中没有一位能够如此巧妙地完成这种转变。 光和影在他的作品中发挥着至关重要的作用，并且是各种且通常是替代变化的构图的一部分。 研究德拉图尔的画作有助于了解光的使用及其特性。
乔治·德·拉图尔《忏悔的抹大拉的玛利亚》，1638-1643 年。
a - 高对比度
在这幅画中，浅色的脸和衣服在深色背景的衬托下显得格外突出。 由于色调的高对比度，观看者的注意力集中在图像的这部分。 事实上，不会有这样的对比。 脸与蜡烛之间的距离大于蜡烛与手之间的距离。 然而，与脸部相比，我们发现手上的色调和对比度都很柔和。 乔治·德·拉图尔 (Georges de La Tour) 使用不同的对比来吸引观察者的注意力。
b - 光的轮廓和节奏
由于色调差异较大，图形边缘的某些区域会出现轮廓。 即使在画作的较暗部分，艺术家也喜欢使用不同的色调来强调主题的边界。 光线不会集中在一个区域，而是向下滑动：从脸部到脚部。
c - 光源
在乔治·德拉图尔的大部分作品中，他都使用蜡烛或灯作为光源。 图片显示了一支燃烧的蜡烛，但我们已经知道这里的明暗对比并不依赖于它。 乔治·德·拉图尔 (Georges de La Tour) 将脸部置于深色背景中，并放置蜡烛以在色调之间形成鲜明的过渡。 为了获得高对比度，浅色调与深色调并置以达到最佳效果。
d — 明暗对比作为几何形状的组合
如果我们简化这件作品中的光和影，我们就会看到基本的几何形状。 浅色和深色色调的统一形成了简单的构图。 它间接创造了一种空间感，物体和人物的位置显示出前景和背景，产生张力和能量。
2 – 基本电影照明技术
2.1 - 三点照明
照亮任何物体最流行和最成功的方法之一是三点照明，这是一种经典的好莱坞方案。 这种技术可以让你表达物体的体积。
重点光（Key Lighting，即主光源）
这通常是每个场景中最强大的灯光。 它可以来自任何地方，其来源可以在主体的侧面或后面（Jeremy Byrne“数字照明和渲染”）。
填充照明（即控制对比度的光）
顾名思义，它用于“填充”和消除主光创建的黑暗区域。 补光明显不那么强烈，并且与主光源成一定角度。
背景光（Backlighting，即背景分隔符）
它用于传达场景的音量。 它将主体与背景分开。 与补光一样，背景光强度较低，覆盖拍摄对象的较大区域。
2.2 - 底部
由于太阳的运动，我们习惯于看到人们从任何角度被照亮，而不是从下面看到。 这个方法看起来很不寻常。
弗兰肯斯坦，詹姆斯·鲸鱼，1931 年
2.3 - 后部
物体位于光源和观察者之间。 因此，物体周围会出现辉光，而其其余部分仍处于阴影中。
《E.T. 外星人》，史蒂文·斯皮尔伯格，1982 年
2.4 - 侧面
这种类型的照明用于从侧面照亮场景。 它产生清晰的对比度，揭示纹理并突出主题的轮廓。 这种方法接近于明暗对比技术。
《银翼杀手》，雷德利·斯科特，1982 年
2.5 - 实用照明
这是场景中的实际照明，即灯、蜡烛、电视屏幕等。 这种额外的光可用于增加照明的强度。
《巴里·林登》，斯坦利·库布里克，1975
2.6 - 反射光
来自强大光源的光被反射器或某些表面（例如墙壁或天花板）散射。 这样，光线覆盖的面积更大，分布更均匀。
黑暗骑士崛起，克里斯托弗·诺兰，2012
2.7 - 硬光和软光
硬光和软光之间的主要区别在于光源相对于拍摄对象的大小。 太阳是太阳系中最大的光源。 然而，它距离我们有90万公里，这意味着它是一个很小的光源。 它会产生硬阴影，并相应地产生硬光。 如果出现云，整个天空就会变成一个巨大的光源，阴影就更难以辨别。 这意味着出现柔和的光线。
乐高 3D 示例，João Prada，2017 年
2.8 - 高调和低调
高调照明用于创建非常明亮的场景。 它通常接近曝光过度。 所有光源的功率大致相等。
与高调照明不同，低调照明的场景非常黑暗，并且其中可能有强大的光源。 主要角色是通过阴影而不是光线来传达悬念或戏剧感。
《THX 1138》，乔治·卢卡斯，1971
2.9 - 激励照明
这种照明模仿自然光——太阳光、月光、路灯等。 它用于增强实用照明。 特殊技术有助于使主动照明变得自然，例如，滤镜（图案片）可创造窗帘窗户的效果。
《驾驶》，尼古拉斯·温丁·雷弗恩，2011
2.10 — 外部光
这可能是场景中可见的阳光、月光或路灯。
“非常奇怪的事情。 第 3 季”，达夫兄弟，2019
III - 渲染基础知识
关卡设计师了解照明的重要性，并利用它来实现对场景的某种感知。 为了照亮一个平面并实现他们想要的视觉目标，他们需要识别静态光源、它们的传播角度和颜色。 他们营造了一定的氛围和必要的概述。 但一切并不是那么简单，因为照明取决于技术特性 - 例如处理器能力。 因此，光照有两种类型：预计算光照和实时渲染。
1 - 预计算照明
设计师使用静态照明来定义每个光源的照明特征，包括其位置、角度和颜色。 通常，由于性能问题，实时实现全局照明是不可能的。
预渲染静态全局照明可用于大多数引擎，包括 Unreal Engine 和 Unity。 引擎将这样的光照“烘焙”成特殊的纹理，即所谓的“光照图”（lightmap）。 这些光照贴图与其他贴图文件一起存储，引擎在渲染场景时访问它们。
同一场景：没有照明（左）、仅使用直接照明（中）和使用间接全局照明（右）。 来自 Unity Learn 的艺术作品
除了光照贴图之外，还有阴影贴图，相应地，它们用于创建阴影。 首先，所有内容的渲染都会考虑光源 - 它会创建反映场景像素深度的阴影。 生成的像素深度图称为阴影图。 它包含有关每个像素的光源与最近物体之间的距离的信息。 然后执行渲染，根据阴影贴图检查表面上的每个像素。 如果像素与光源之间的距离大于阴影贴图中记录的距离，则该像素处于阴影中。
应用阴影贴图的算法。 来自 OpenGL-tutorial 的插图
2 - 实时渲染
经典的实时照明模型之一称为兰伯特模型（以瑞士数学家约翰·海因里希·兰伯特命名）。 实时渲染时，GPU 通常一次发送一个对象。 此方法使用对象的显示（其位置、旋转角度和比例）来确定应绘制其哪个表面。
在朗伯照明的情况下，光来自表面上每个点的各个方向。 这没有考虑到一些微妙之处，例如反射（钱德勒·普拉尔的文章）。 为了使场景看起来更真实，兰伯特的模型应用了附加效果 - 例如眩光。
以球体为例的兰伯特着色。 材料插图由 Peter Dyachikhin 绘制
大多数现代引擎（Unity、Unreal Engine、Frostbite 等）都使用基于物理的渲染（Pysically Based Rendering，PBR）和着色（Lukas Orsvarn 的文章）。 PBR 着色提供了更直观、更方便的方式和参数来描述表面。 在虚幻引擎中，PBR材质具有以下参数：
- 基色 - 表面的实际纹理。
- 粗糙度——表面的不平整程度。
- 金属 - 表面是否是金属的。
- 镜面反射（specularity）——表面上的眩光量。
没有 PBR（左）、PBR（右）。 插图来自Meta 3D studio
然而，还有另一种渲染方法：光线追踪。 由于性能和优化问题，该技术之前并未被考虑。 它仅用于电影和电视行业。 但新一代显卡的发布使得这种方法首次在视频游戏中使用成为可能。
光线追踪是一种渲染技术，可以创建更真实的光照效果。 它复制了真实环境中光传播的原理。 光源发出的射线的行为与光子相同。 它们从任何方向的表面反射。 同时，当反射或直接光线进入相机时，它们会传输有关反射它们的表面的视觉信息（例如，它们报告其颜色）。 E3 2019 的许多项目都将支持该技术。
3 - 光源类型
3.1 - 点光源
向各个方向发光，就像现实生活中的普通灯泡一样。
虚幻引擎文档
3.2 - 聚光灯
从一点发出光线，光线像圆锥体一样扩散。 现实生活中的例子：手电筒。
虚幻引擎文档
3.3 - 具有区域的光源（区域光）
从特定轮廓（例如矩形或圆形）发出直接光线。 这样的光给处理器带来很大的压力，因为计算机会计算所有发光的点。
Unity文档
3.4 - 定向光源
模拟太阳或其他远距离光源。 所有光线都沿相同方向移动，可以认为是平行的。
Unity文档
3.5 - 发射光
发射光源或发射材质（UE4 中的发射材质）可以轻松有效地创建材质正在发光的错觉。 光有一种模糊的效果——如果你看一个非常明亮的物体，它是可见的。
虚幻引擎文档
3.6 - 环境光
《毁灭战士 3》中的场景被墙上的灯照亮，引擎产生阴影。 如果表面处于阴影中，则会将其涂成黑色。 在现实生活中，光粒子（光子）可以从表面反射。 在更先进的渲染系统中，光线被烘焙到纹理中或实时计算（全局照明）。 较旧的游戏引擎（例如 ID Tech 3 (Doom)）花费了太多资源来计算间接照明。 为了解决缺乏间接照明的问题，使用了漫射光。 所有表面至少都被轻微照亮。
毁灭战士 3 引擎（IdTech 4 引擎）
3.7 - 全局照明
全局照明是一种计算光从一个物体到另一个物体的反射的尝试。 此过程对处理器的负载远大于环境光。
虚幻引擎文档
IV - 视频游戏中的灯光设计
视觉构图（灯光位置、角度、颜色、视野、运动）对用户如何感知游戏环境有很大影响。
设计师 Will Wright 在 GDC 上谈到了游戏环境中视觉构图的功能。 特别是，它将玩家的注意力引导到重要元素上 - 这是通过调整关卡中对象的饱和度、亮度和颜色来实现的。
所有这些都会影响游戏玩法。
正确的氛围能够激发玩家的情感。 设计师必须通过创造视觉连续性来解决这一问题。
Maggie Safe El-Nasr 进行了多项实验——她邀请不熟悉 FPS 射击游戏的用户来玩《虚幻竞技场》。 由于灯光设计不佳，玩家注意到敌人太晚并很快死亡。 我们很沮丧，在大多数情况下放弃了游戏。
光会产生效果，但它在视频游戏中的使用方式与在戏剧、电影和建筑中的使用方式不同。 从设计的角度来看，有七个类别描述照明模式。 在这里我们不能忘记情感。
关卡艺术中的设计元素，杰里米·普莱斯
1 - 指南
秘境4
Susan Weinschenk 在《每个设计师需要了解的关于人的 100 件事》一书中探讨了中央视觉和周边视觉的重要性。
由于中心视觉是我们首先看到的东西，因此它应该包括玩家必须按照设计师的意图看到的关键元素。 周边视觉提供背景并强化中央视觉。
《神秘海域》游戏就是一个很好的例子 - 光线进入中央视野并引导玩家。 但如果周边视觉中的元素与中心视觉发生冲突，设计师和玩家之间的联系就会破裂。
直到天亮
它使用灯光来引导玩家。 工作室创意总监威尔·拜尔斯 (Will Byles) 表示：“对我们来说最大的挑战是营造一种恐惧的氛围，同时又不让一切变得黑暗。 不幸的是，当图片变得太暗时，游戏引擎会尝试使其变亮，反之亦然。 我们必须发明新技术来解决这个问题。”
如下图所示，温暖的灯光在蓝色背景的衬托下显得格外突出，吸引了玩家的注意力。
2 - 照明/取景
生化危机2 Remake
RE2 Remake 中的灯光可以改变画面。 当你穿过浣熊市警察局的黑暗走廊时，主要光源是玩家的手电筒。 这种照明是一种强大的机制。 改变的视角将玩家的注意力吸引到照明区域，并由于强烈的对比度而遮挡了其他所有内容。
黑暗之魂 I
巨人之墓是游戏中非常黑暗的地点之一，有很多危险的悬崖。 如果你留意发光的石头并小心移动以免跌倒，就可以通过。 你还应该提防白色明亮的眼睛，因为这是敌人。
玩家的照明半径大大减小，黑暗中的能见度有限。 通过左手握住手电筒，玩家可以增加照明度和视野。 同时，手电筒大大减少了造成的伤害，你必须选择：可见性或保护。
3 - 旁白
猎物
由于发生动作的空间站位于轨道上，因此游戏有一个特殊的光周期。 它决定了光线的方向，从而极大地影响了游戏玩法。 这个游戏使得寻找物品和地点比平常更加困难。 在较远的区域，玩家可以通过从车站内部的一个角度和从外部的另一个角度观察问题来解决问题。
外星人隔离
在《异形》中，光线被用来引导玩家并制造恐惧感。 使用者始终处于紧张状态——黑暗中的某个地方藏着一个异形。
4 - 迷彩
细胞分裂黑名单
其中的光线不仅可以引导用户，还可以用作游戏机制。
在许多地方，玩家使用阴影来保持安全路线并避开敌人。 在《细胞分裂》中，“可见度计”的作用是由角色装备上的灯光来扮演的——玩家越隐藏，灯光就越亮。
忍者之印
在《忍者印记》中，光明与黑暗是完全对立的。 首席游戏设计师尼尔斯·安德森 (Nels Andersen) 表示：“角色的外表表明你是否可见。 如果你是隐藏的，你就穿着黑色的衣服，只有一些细节用红色突出显示，在光线下——你是完全彩色的”（文章《忍者的五种隐身设计规则的印记》）。
5 - 战斗/防御
艾伦·韦克
《心灵杀手》中的手电筒是一种武器。 没有它，就不可能消灭敌人。 你需要用光照射它们并保持一定的时间——这样它们就会变得脆弱并可能被杀死。 当光线照射到敌人时，会出现光晕，然后光晕减弱，物体开始发光。 此时玩家可以射击敌人。
您还可以使用照明弹和眩晕手榴弹来消灭敌人。
瘟疫故事：无罪
在 Asobo Studio 的项目中，您可以使用老鼠来对抗人类。 例如，如果你打破了敌人的灯笼，他会立即陷入黑暗，这并不能阻止成群的老鼠。
6 - 警报/反馈
杀出重围：人类分
在《杀出重围》中，安全摄像头监控其视野内发生的情况，视野受到锥形光的限制。 当它们处于中性时，灯呈绿色。 检测到敌人后，摄像头会将灯光变为黄色，发出蜂鸣声并跟踪目标几秒钟或直到敌人跑出其视野。 几秒钟后，灯变红，摄像机发出警报。 因此，与玩家的交互是在光的帮助下实现的。
空心骑士
Team Cherry 的银河恶魔城改变灯光的频率比玩家注意到的要频繁。
例如，每次受到伤害时，画面会冻结一会儿，英雄旁边会出现碎玻璃的效果。 总体照明变暗，但最靠近英雄的光源（灯和萤火虫）不会熄灭。 这有助于强调所受到的每次打击的重要性和力量。
7 - 分离
刺客信条奥德赛
昼夜循环是奥德赛的核心。 夜间巡逻较少，玩家更有可能不被发现。
一天中的时间可以随时更改 - 这是游戏中提供的。 到了晚上，敌人的视力会减弱，许多人会入睡。 躲避和攻击对手变得更加容易。
这里的昼夜更替是一个特殊的系统，游戏规则会根据一天中的时间而发生根本性的变化。
不要饿死
生存模拟器《饥荒》在夜间不会放过新手——在这里，在黑暗中行走是致命的。 五秒后，玩家受到攻击并受到伤害。 光源是生存所必需的。
夜幕降临时，暴徒们就会入睡，日出时就会醒来。 有些白天睡觉的生物可能会醒来。 植物不生长。 肉不会变干。 昼夜循环建立了系统，将游戏规则分为两类。
V - 结论
我们在美术、电影和建筑中看到的许多照明技术都被用于游戏开发中，以补充虚拟空间的美感并增强玩家的体验。 然而，游戏与电影或剧院有很大不同 - 游戏中的环境是动态且不可预测的。 除了静态照明外，还使用动态光源。 它们增加了互动性和正确的情绪。
光是一整套工具。 它为艺术家和设计师提供了充分的机会来进一步吸引玩家。
技术的发展也对此产生了影响。 现在游戏引擎有更多的照明设置 - 现在不仅仅是位置的照明，还包括对游戏设计的影响。
参考文献
- Seif El-Nasr, M.、Miron, K. 和 Zupko, J. (2005)。 智能照明带来更好的游戏体验。 2005 年计算机人机交互论文集，俄勒冈州波特兰。
- 赛义夫·埃尔-纳斯尔，M. (2005)。 游戏环境的智能照明。 游戏开发杂志，1(2)，
- 伯恩，J.（主编）（2000 年）。 数字照明和渲染。 新骑士队，印第安纳波利斯。
- 卡拉汉，S.（1996）。 通过灯光讲故事：计算机图形学视角。 签名课程笔记。
- Seif El-Nasr, M. 和 Rao, C. (2004)。 在交互式 3D 环境中以视觉方式引导用户的注意力。 签名海报会议。
- 里德，F.（1992）。 舞台灯光手册。 A&C 布莱克，伦敦。
- 里德，F.（1995）。 照亮舞台。 焦点出版社，波士顿。
- Petr Dyachikhin (2017)，现代视频游戏技术：趋势与创新，学士论文，萨沃尼亚应用科学大学
- Adorama 学习中心（2018），基本电影摄影照明技术，来自 (https://www.adorama.com/alc/basic-cinematography-lighting-techniques)
- Seif El-Nasr, M.、Niendenthal, S. Knez, I.、Almeida, P. 和 Zupko, J. (2007)，游戏中紧张感的动态光照，国际计算机游戏研究杂志
- 雅库普·莫哈末·拉菲博士(2015)，基于明暗对比和暗色主义理论探索乔治·德拉图尔的绘画，马来西亚砂拉越大学
- Sophie-Louise Millington (2016)，游戏中的灯光：灯光会影响环境中的玩家互动和情感吗？，德比大学
- 教授。 Stephen A. Nelson (2014)，光的性质和各向同性物质的检查，杜兰大学
- 知识共享署名-相同方式共享许可证 (2019)，The Dark Mod，来自 (https://en.wikipedia.org/wiki/The_Dark_Mod)
来源： habr.com