由於預計 PS5 和 Project Scarlett 將支援光線追踪，我開始考慮遊戲中的光照。 我找到了作者解釋光是什麼、它如何影響設計、改變遊戲玩法、美學和體驗的材料。 全部帶有範例和螢幕截圖。 在遊戲過程中你不會立即註意到這一點。
介紹
照明不僅僅是為了讓玩家能夠看到場景（儘管這非常重要）。 光影響情緒。 戲劇、電影和建築中的許多燈光技術都用來增強情感。 為什麼遊戲設計師不應該借鏡這些原則？ 圖像和情感反應之間的連結提供了另一個強大的工具，可以幫助您處理角色、敘事、聲音、遊戲機制等。 同時，光與表面的相互作用可以影響亮度、顏色、對比、陰影和其他效果。 所有這些都構成了每個設計師都必須掌握的基礎。
該材料的目的是確定照明設計如何影響遊戲的美觀和用戶體驗。 讓我們看看光的本質以及它如何在其他藝術領域中使用，以分析它在視頻遊戲中的作用。
亞歷山大艾克曼《天鵝湖》
I——光的本質
「空間、光線與秩序。 人們需要這些東西，就像他們需要一塊麵包或一個過夜的地方一樣。」勒·柯布西耶。
從我們出生的那一刻起，自然光就引導並陪伴著我們。 這是必要的，它建立了我們的自然節奏。 光控制我們身體的過程並影響生理時鐘。 讓我們了解什麼是光通量、光強度、顏色和焦點。 然後我們就會了解光的組成以及它的行為。
1 - 人眼所見
光是肉眼可感知的電磁波譜的一部分。 在此區域中，波長範圍為 380 至 780 nm。 白天，我們使用視錐細胞看到顏色，但到了晚上，眼睛使用視桿細胞，我們只能看到灰色陰影。
可見光的基本特性是方向、強度、頻率和偏振。 它在真空中的速度為 300 m/s，這是基本物理常數之一。
可見電磁波譜
2 - 傳播方向
真空中沒有任何物質，光是直線傳播的。 然而，當它遇到水、空氣和其他物質時，它的行為就會有所不同。 與物質接觸後，部分光被吸收並轉化為熱能。 當與透明材料碰撞時，一些光也會被吸收，但其餘的會透過。 光滑的物體（例如鏡子）會反射光線。 如果物體表面不平整，光線就會發生散射。
光傳播方向
3 - 基本特徵
光流。 光源發出的光量。
測量單位：lm（流明）。
光的力量。 沿特定方向傳輸的光量。
測量單位：cd（坎德拉）。
照明。 落在表面上的光量。
照度=光通量（lm）/面積（m2）。
測量單位：lx（勒克斯）。
亮度。 這是人眼感知的光的唯一基本特徵。 一方面，它考慮光源的亮度，另一方面考慮表面，這意味著它很大程度上取決於反射程度（顏色和表面）。
測量單位：cd/m2。
4 - 色溫
色溫以開爾文為單位測量，代表特定光源的顏色。 英國物理學家威廉·開爾文加熱了一塊煤。 它變得通紅，閃爍著與不同溫度相對應的不同顏色。 起初，煤炭發出深紅色的光，但隨著加熱，顏色變成亮黃色。 在最高溫度下，發出的光變成藍白色。
自然光，24 小時，西蒙萊基
II-燈光設計技巧
在本節中，我們將了解哪些照明模式可用於影響內容/視覺效果的表現力。 為此，我們將確定藝術家和照明設計師使用的照明技術的異同。
1 – 明暗對比與暗淡主義
明暗對比是藝術理論的概念之一，指的是照明的分佈。 它用於顯示音調過渡以傳達音量和情緒。 喬治·德·拉圖爾 (Georges de La Tour) 以其夜間明暗對比和燭光照明場景的作品而聞名。 他的前輩藝術家中沒有一位能夠如此巧妙地完成這種轉變。 光和影在他的作品中發揮著至關重要的作用，並且是各種且通常是替代變化的構圖的一部分。 研究德拉圖爾的畫作有助於了解光的使用及其特性。
喬治‧德‧拉圖《懺悔的抹大拉的瑪利亞》，1638-1643 年。
a - 高對比度
在這幅畫中，淺色的臉和衣服在深色背景的襯托下顯得格外突出。 由於色調的高對比度，觀看者的注意力集中在影像的這部分。 事實上，不會有這樣的對比。 臉與蠟燭的距離大於蠟燭與手之間的距離。 然而，與臉部相比，我們發現手上的色調和對比度都很柔和。 喬治·德·拉圖爾 (Georges de La Tour) 使用不同的對比來吸引觀察者的注意力。
b - 光的輪廓和節奏
由於色調差異較大，圖形邊緣的某些區域會出現輪廓。 即使在畫作的較暗部分，藝術家也喜歡使用不同的色調來強調主題的邊界。 光線不會集中在一個區域，而是向下滑動：從臉部到腳。
c - 光源
在喬治·德拉圖爾的大部分作品中，他都使用蠟燭或燈作為光源。 圖片顯示了一支燃燒的蠟燭，但我們已經知道這裡的明暗對比並不依賴它。 喬治·德·拉圖爾 (Georges de La Tour) 將臉部置於深色背景中，並放置蠟燭以在色調之間形成鮮明的過渡。 為了獲得高對比度，淺色調與深色調並置以達到最佳效果。
d — 明暗對比作為幾何形狀的組合
如果我們簡化這幅作品中的光和影，我們就會看到基本的幾何形狀。 淺色和深色色調的統一形成了簡單的構圖。 它間接創造了一種空間感，物體和人物的位置顯示出前景和背景，產生張力和能量。
2 – 基本電影照明技術
2.1 - 三點照明
照亮任何物體最流行和最成功的方法之一是三點照明，這是一種經典的好萊塢方案。 這種技巧可以讓你表達物體的體積。
重點光（Key Lighting，即主光源）
這通常是每個場景中最強大的燈光。 它可以來自任何地方，其來源可以在主體的側面或後面（Jeremy Byrne“數位照明和渲染”）。
填充照明（即控制對比的光）
顧名思義，它用於“填充”和消除主光創建的黑暗區域。 補光明顯不那麼強烈，並且與主光源成一定角度。
背景光（Backlighting，即背景分隔符）
它用於傳達場景的音量。 它將主體與背景分開。 與補光一樣，背景光強度較低，覆蓋主體的較大區域。
2.2 - 底部
由於太陽的運動，我們習慣看到人們從任何角度被照亮，而不是從下面看到。 這個方法看起來很不尋常。
科學怪人，詹姆斯鯨魚，1931 年
2.3 - 後部
物體位於光源和觀察者之間。 因此，物體周圍會出現輝光，而其其餘部分仍處於陰影中。
《E.T. 外星人》，史蒂芬史匹柏，1982 年
2.4 - 側面
這種類型的照明用於從側面照亮場景。 它產生清晰的對比度，揭示紋理並突出主題的輪廓。 這種方法接近明暗對比技術。
《銀翼殺手》，雷利史考特，1982 年
2.5 - 實用照明
這是場景中的實際照明，即燈、蠟燭、電視螢幕等。 這種額外的光可用於增加照明的強度。
《巴里林登》，史丹利庫柏力克，1975
2.6 - 反射光
來自強大光源的光被反射器或某些表面（例如牆壁或天花板）散射。 這樣，光線覆蓋的面積更大，分佈更均勻。
黑闇騎士崛起，克里斯多福諾蘭，2012
2.7 - 硬光和軟光
硬光和軟光之間的主要區別在於光源相對於主體的大小。 太陽是太陽系中最大的光源。 然而，它距離我們有90萬公里，這意味著它是一個很小的光源。 它會產生硬陰影，並相應地產生硬光。 如果出現雲，整個天空就會變成一個巨大的光源，陰影就更難辨別。 這意味著出現柔和的光線。
樂高 3D 範例，João Prada，2017 年
2.8 - 高調和低調
高調照明用於創建非常明亮的場景。 它通常接近曝光過度。 所有光源的功率大致相等。
與高調照明不同，低調照明的場景非常黑暗，並且其中可能有強大的光源。 主要角色是透過陰影而不是光線來傳達懸念或戲劇感。
《THX 1138》，喬治·盧卡斯，1971
2.9 - 激勵照明
這種照明模仿自然光——太陽光、月光、路燈等。 它用於增強實用照明。 特殊技術有助於使主動照明變得自然，例如，濾鏡（圖案片）可創造窗簾窗戶的效果。
《駕駛》，尼可拉斯溫丁雷弗恩，2011
2.10 — 外部光
這可能是場景中可見的陽光、月光或路燈。
“非常奇怪的事情。 第 3 季”，達夫兄弟，2019
III - 渲染基礎知識
關卡設計師了解照明的重要性，並利用它來實現對場景的某種感知。 為了照亮一個平面並實現他們想要的視覺目標，他們需要識別靜態光源、它們的傳播角度和顏色。 他們營造了一定的氛圍和必要的概述。 但一切並不是那麼簡單，因為照明取決於技術特性 - 例如處理器能力。 因此，光照有兩種類型：預計算光照和即時渲染。
1 - 預計算照明
設計師使用靜態照明來定義每個光源的照明特徵，包括其位置、角度和顏色。 通常，由於效能問題，即時實現全局照明是不可能的。
預先渲染靜態全域照明可用於大多數引擎，包括 Unreal Engine 和 Unity。 引擎將這樣的光照「烘焙」成特殊的紋理，也就是所謂的「光照圖」（lightmap）。 這些光照貼圖與其他貼圖檔案一起存儲，引擎在渲染場景時存取它們。
同一場景：沒有照明（左）、僅使用直接照明（中）和使用間接全域照明（右）。 來自 Unity Learn 的藝術作品
除了光照貼圖之外，還有陰影貼圖，相應地，它們用於創建陰影。 首先，所有內容的渲染都會考慮光源 - 它會創建反映場景像素深度的陰影。 產生的像素深度圖稱為陰影圖。 它包含有關每個像素的光源與最近物體之間的距離的資訊。 然後執行渲染，根據陰影貼圖檢查表面上的每個像素。 如果像素與光源之間的距離大於陰影貼圖中記錄的距離，則該像素處於陰影中。
應用陰影貼圖的演算法。 來自 OpenGL-tutorial 的插圖
2 - 即時渲染
經典的即時光照模型之一稱為蘭伯特模型（以瑞士數學家約翰·海因里希·蘭伯特命名）。 即時渲染時，GPU 通常一次發送一個物件。 此方法使用物件的顯示（其位置、旋轉角度和比例）來確定應繪製其哪個表面。
在朗伯照明的情況下，光線來自表面上每個點的各個方向。 這沒有考慮到一些微妙之處，例如反射（錢德勒·普拉爾的文章）。 為了使場景看起來更真實，蘭伯特的模型應用了附加效果 - 例如眩光。
以球體為例的蘭伯特著色。 材料插圖由 Peter Dyachikhin 繪製
大多數現代引擎（Unity、Unreal Engine、Frostbite 等）都使用基於物理的渲染（Pysically Based Rendering，PBR）和著色（Lukas Orsvarn 的文章）。 PBR 著色提供了更直觀、更方便的方式和參數來描述表面。 在虛幻引擎中，PBR材質具有以下參數：
- 基底色 - 表面的實際紋理。
- 粗糙度－表面的不平整程度。
- 金屬 - 表面是否是金屬的。
- 鏡面反射（specularity）－表面上的眩光量。
沒有 PBR（左）、PBR（右）。 插圖來自Meta 3D studio
然而，還有另一種渲染方法：光線追蹤。 由於效能和優化問題，該技術之前並未被考慮。 它僅用於電影和電視行業。 但新一代顯示卡的發布使得這種方法首次在視頻遊戲中使用成為可能。
光線追蹤是一種渲染技術，可以創造更真實的光照效果。 它複製了真實環境中光傳播的原理。 光源發出的射線的行為與光子相同。 它們從任何方向的表面反射。 同時，當反射或直接光線進入相機時，它們會傳輸有關反射它們的表面的視覺資訊（例如，它們報告其顏色）。 E3 2019 的許多專案都將支援該技術。
3 - 光源類型
3.1 - 點光源
向各個方向發光，就像現實生活中的普通燈泡一樣。
虛幻引擎文檔
3.2 - 聚光燈
從一點點發出光線，光線像圓錐體擴散。 現實生活中的例子：手電筒。
虛幻引擎文檔
3.3 - 具有區域的光源（區域光）
從特定輪廓（例如矩形或圓形）發出直接光線。 這樣的光給處理器帶來很大的壓力，因為計算機會計算所有發光的點。
Unity文檔
3.4 - 定向光源
模擬太陽或其他遠距離光源。 所有光線都沿著相同方向移動，可以認為是平行的。
Unity文檔
3.5 - 發射光
發射光源或發射材質（UE4 中的發射材質）可以輕鬆有效地創造材質正在發光的錯覺。 光有一種模糊的效果——如果你看一個非常明亮的物體，它是可見的。
虛幻引擎文檔
3.6 - 環境光
《毀滅戰士 3》中的場景被牆上的燈照亮，引擎產生陰影。 如果表面處於陰影中，則會將其塗成黑色。 在現實生活中，光粒子（光子）可以從表面反射。 在更先進的渲染系統中，光線被烘焙到紋理中或即時計算（全局照明）。 較舊的遊戲引擎（例如 ID Tech 3 (Doom)）花費了太多資源來計算間接照明。 為了解決缺乏間接照明的問題，使用了漫射光。 所有表面至少都被輕微照亮。
毀滅戰士 3 引擎（IdTech 4 引擎）
3.7 - 全局照明
全域照明是一種計算光線從一個物體到另一個物體的反射的嘗試。 此過程對處理器的負載遠大於環境光。
虛幻引擎文檔
IV - 電玩遊戲中的燈光設計
視覺構圖（燈光位置、角度、色彩、視野、運動）對使用者如何感知遊戲環境有很大影響。
設計師 Will Wright 在 GDC 上談到了遊戲環境中視覺構圖的功能。 特別是，它將玩家的注意力引導到重要元素上 - 這是透過調整關卡中物件的飽和度、亮度和顏色來實現的。
所有這些都會影響遊戲玩法。
正確的氛圍能夠激發玩家的情感。 設計師必須透過創造視覺連續性來解決這個問題。
Maggie Safe El-Nasr 進行了多項實驗——她邀請不熟悉 FPS 射擊遊戲的用戶來玩《虛幻競技場》。 由於燈光設計不佳，玩家注意到敵人太晚並很快死亡。 我們很沮喪，在大多數情況下放棄了遊戲。
光會產生效果，但它在視頻遊戲中的使用方式與在戲劇、電影和建築中的使用方式不同。 從設計的角度來看，有七個類別描述照明模式。 在這裡我們不能忘記情感。
關卡藝術中的設計元素，傑瑞米普萊斯
1 - 指南
祕境4
Susan Weinschenk 在《每個設計師需要了解的關於人的 100 件事》一書中探討了中央視覺和周邊視覺的重要性。
由於中心視覺是我們首先看到的東西，因此它應該包括玩家必須按照設計師的意圖看到的關鍵元素。 週邊視覺提供背景並強化中央視覺。
《神秘海域》遊戲就是一個很好的例子 - 光線進入中央視野並引導玩家。 但如果週邊視覺中的元素與中心視覺發生衝突，設計師和玩家之間的連結就會破裂。
直到天亮
它使用燈光來引導玩家。 工作室創意總監威爾拜爾斯 (Will Byles) 表示：「對我們來說，最大的挑戰是營造一種恐懼的氛圍，同時又不讓一切變得黑暗。 不幸的是，當圖片變得太暗時，遊戲引擎會嘗試使其變亮，反之亦然。 我們必須發明新技術來解決這個問題。”
如下圖所示，溫暖的燈光在藍色背景的襯托下顯得格外突出，吸引了玩家的注意。
2 - 照明/取景
生化危機2 Remake
RE2 Remake 中的燈光可以改變畫面。 當你穿過浣熊市警察局的黑暗走廊時，主要光源是玩家的手電筒。 這種照明是一種強大的機制。 改變的視角將玩家的注意力吸引到照明區域，並由於強烈的對比度而遮蔽了其他所有內容。
黑暗靈魂 I
巨人之墓是遊戲中非常黑暗的地點之一，有許多危險的懸崖。 如果你留意發光的石頭並小心移動以免跌倒，就可以通過。 你也應該提防白色明亮的眼睛，因為這是敵人。
玩家的照明半徑大大減小，黑暗中的能見度有限。 透過左手握住手電筒，玩家可以增加照明度和視野。 同時，手電筒大大減少了造成的傷害，你必須選擇：可見性或保護。
3 - 旁白
獵物
由於發生動作的太空站位於軌道上，因此遊戲有一個特殊的光週期。 它決定了光線的方向，從而極大地影響了遊戲玩法。 這個遊戲使得尋找物品和地點比平常更加困難。 在較遠的區域，玩家可以透過從車站內部的一個角度和從外部的另一個角度觀察問題來解決問題。
外星人隔離
在《異形》中，光線被用來引導玩家並製造恐懼感。 使用者始終處於緊張狀態－黑暗中的某個地方藏著一個異形。
4 - 迷彩
分裂細胞：黑名單
其中的光線不僅可以引導用戶，還可以用作遊戲機制。
在許多地方，玩家使用陰影來保持安全路線並避開敵人。 在《細胞分裂》中，「可見度計」的作用是由角色裝備上的燈光來扮演的——玩家越隱藏，燈光就越亮。
忍者之印
在《忍者印記》中，光明與黑暗是完全對立的。 遊戲首席設計師 Nels Andersen 表示：「角色的外觀顯示你是否可見。 如果你是隱藏的，你就穿著黑色的衣服，只有一些細節用紅色突出顯示，在光線下——你是完全彩色的」（文章《忍者的五項隱身設計規則的印記》）。
5 - 戰鬥/防禦
艾倫·韋克
《心靈殺手》中的手電筒是一種武器。 沒有它，就不可能消滅敵人。 你需要用光照射它們並保持一定的時間——這樣它們就會變得脆弱並可能被殺死。 當光線照射到敵人時，會出現光暈，然後光暈減弱，物體開始發光。 此時玩家可以射擊敵人。
您也可以使用照明彈和眩暈手榴彈來消滅敵人。
瘟疫故事：無罪
在 Asobo Studio 的專案中，您可以使用老鼠來對抗人類。 例如，如果你打破了敵人的燈籠，他會立即陷入黑暗，這並不能阻止成群的老鼠。
6 - 警報/反饋
殺出重圍：人類分
在《殺出重圍》中，安全攝影機監控其視野內發生的情況，視野受到錐形光的限制。 當它們處於中性時，燈呈綠色。 偵測到敵人後，攝影機會將燈光變為黃色，發出蜂鳴聲並追蹤目標幾秒鐘或直到敵人跑出其視野。 幾秒鐘後，燈變紅，攝影機發出警報。 因此，與玩家的互動是在光的幫助下實現的。
空心騎士
Team Cherry 的銀河惡魔城改變燈光的頻率比玩家注意到的要頻繁。
例如，每次受到傷害時，畫面會凍結一會兒，英雄旁邊會出現碎玻璃的效果。 整體照明變暗，但最靠近英雄的光源（燈和螢火蟲）不會熄滅。 這有助於強調所受到的每次打擊的重要性和力量。
7 - 分離
刺客信條奧德賽
晝夜週期是奧德賽的核心。 夜間巡邏較少，玩家更有可能不被發現。
一天中的時間可以隨時更改 - 這是遊戲中提供的。 到了晚上，敵人的視力會減弱，許多人會睡著。 躲避和攻擊對手變得更加容易。
這裡的晝夜更替是一個特殊的系統，遊戲規則會根據一天中的時間而產生根本性的變化。
不要餓死
生存模擬器《飢荒》在夜間不會放過新手－在這裡，在黑暗中行走是致命的。 五秒後，玩家受到攻擊並受到傷害。 光源是生存所必需的。
當夜幕降臨時，暴徒們就會入睡，日出時就會醒來。 有些白天睡覺的生物可能會醒來。 植物不生長。 肉不會變乾。 晝夜循環建立了系統，將遊戲規則分為兩類。
V - 結論
我們在美術、電影和建築中看到的許多照明技術都被用於遊戲開發中，以補充虛擬空間的美感並增強玩家的體驗。 然而，遊戲與電影或劇院有很大不同 - 遊戲中的環境是動態且不可預測的。 除了靜態照明外，還使用動態光源。 它們增加了互動性和正確的情緒。
光是一整套工具。 它為藝術家和設計師提供了充分的機會來進一步吸引玩家。
科技的發展也對此產生了影響。 現在遊戲引擎有更多的照明設定 - 現在不僅僅是位置的照明，還包括對遊戲設計的影響。
參考文獻
- Seif El-Nasr, M.、Miron, K. 與 Zupko, J. (2005)。 智慧照明帶來更好的遊戲體驗。 2005 年電腦人機互動論文集，俄勒岡州波特蘭。
- 賽義夫·埃爾-納斯爾，M. (2005)。 遊戲環境的智慧照明。 遊戲開發雜誌，1(2)，
- 伯恩，J.（編）（2000 年）。 數位照明和渲染。 新騎士隊，印第安納波利斯。
- 卡拉漢，S.（1996）。 透過燈光講故事：電腦圖形學視角。 簽名課程筆記。
- Seif El-Nasr, M. 與 Rao, C. (2004)。 在互動式 3D 環境中以視覺方式引導使用者的注意力。 簽名海報會議。
- 里德，F.（1992）。 舞檯燈光手冊。 A&C 布萊克，倫敦。
- 里德，F.（1995）。 照亮舞台。 焦點出版社，波士頓。
- Petr Dyachikhin (2017)，現代電玩技術：趨勢與創新，學士論文，薩沃尼亞應用科學大學
- Adorama 學習中心（2018），基本電影攝影照明技術，來自 (https://www.adorama.com/alc/basic-cinematography-lighting-techniques)
- Seif El-Nasr, M.、Niendenthal, S. Knez, I.、Almeida, P. 和 Zupko, J. (2007)，遊戲中緊張感的動態光照，國際電腦遊戲研究雜誌
- 雅庫普·莫哈末·拉菲博士(2015)，基於明暗對比和暗色主義理論探索喬治·德拉圖爾的繪畫，馬來西亞砂拉越大學
- Sophie-Louise Millington (2016)，遊戲中的燈光：燈光會影響環境中的玩家互動和情感嗎？，德比大學
- 教授。 Stephen A. Nelson (2014)，光的性質和各向同性物質的檢查，杜蘭大學
- 知識分享署名-相同方式分享授權 (2019)，The Dark Mod，來自 (https://en.wikipedia.org/wiki/The_Dark_Mod)
來源： www.habr.com