Глава 2. Современные технологии создания трёхмерных растений

До сих пор растения в играх чаще всего являются набором альфа-карточек (grass cards, alfa-cards, billboards). Альфа-карточка — это текстура растения с альфа-каналом (нарисованной или автоматически созданной маской), где черный цвет отвечает за прозрачность, а белый — за непрозрачность.

Процесс создания альфа-карточек начинается с поиска огромного количества референсов растений и их элементов. Референсы помогают понять определяющие формы, силуэты и закономерности роста — всё, что делает растение уникальным. А также зафиксировать мелкие детали и вариации, которые могут быть. При создании текстур (атласа) структура растения должна быть чётко определена.

Важной частью разработки является создание концептов будущих растений. На данном этапе нужно определиться с силуэтом и фактурами. Концепты растений передают моделлерам, которые создают high-poly (высокополигональные) модели. Это является частью лекдева — этапа, на котором формируется общий художественный стиль. В ходе данного процесса артист может продумывать взаимодействие растения с миром, персонажами игры и экспериментировать с внешним видом растений: подобрать цветовую гамму, определить степень реалистичности или стилизованности.

Далее артисты делают блокинг — рисуют 2D-макеты атласа растения на плоскости в программе ZBrush или в Photoshop. При этом элементы растения либо полностью рисуют вручную, либо используют фотографии, сделанные во время скаутинга или взятые из сайта Quixel Megascans. Так за короткий срок можно получить макет атласа текстур и опробовать его на простом меше. Это помогает сформировать представление о том, какой будет финальная модель растения, зафиксировать форму, силуэт, полигонаж, занимаемую площадь и объём. На данном этапе важно убедиться, что все необходимые детали (листья, травинки, цветы, ветки и др.) есть в атласе текстур, а силуэты и вариации деталей растения выглядят достаточно разнообразно и интересно. Также блокинг атласа нужен для максимальной оптимизации UV-развертки (пустого места должно быть как можно меньше). UV-развертка — перевод 3D-модели в 2D-поверхность для нанесения на изображение цвета или текстуры

После блокинга переходят к созданию атласа high-poly моделей элементов растения. Для этого либо используют сканы, либо в программах SpeedTree, Maya (или 3ds Max) и ZВrush моделируют и скульптурируют отдельные high-poly модели определенного вида растения.

У каждого растения травинки, части веток, листья и цветы — отдельные меши. Часто до перехода к моделированию и скульптурированию в 3D-программу загружают референс растения и поверх изображения создают 3D-модель. Для разных элементов любого растения делают по несколько вариаций, чтобы приблизиться к разнообразию, присущему настоящим растениям. Из полученных элементов собирают различные части растения с вариациями.

High-poly модели текстурируют в программе ZBrush с помощью инструмента Polypaint или просто назначают разные однотонные материалы на детали растения. Предварительное текстурирование не обязательно, его делают для упрощения работы.

Полученную текстуру с альфа-каналом переносят в программу Maya или в другие программы (3ds Max, SpeedTree). Там создают high-poly альфа-карточки для целой части растения или для каждой его детали отдельно — накладывают полученную текстуру на плоскость и обрезают участки вокруг её альфы так, чтобы было как можно меньше пустого пространства.

Этап создания high-poly альфа-карточек могут пропускать и собирать кластеры сразу из high-poly 3D-моделей. Кластеры — сложные меши, которые становятся окончательными high-poly моделями для запекания текстурных карт. Для сборки кластеров обычно используют ZBrush или SpeedTree.

В ортографическом виде один за другим из разных элементов одного растения (это могут быть как high-poly карточки, так и 3D-модели) выстраивают каждый его кластер элемент или кластер так, чтобы он соответствовал атласу. После этого необходимо расположить полученную плоскость с high-poly карточками или 3D-моделями частей растения параллельно пустой плоскости (состоящей из 4 вершин) — на нее будут запекаться текстурные карты с high-poly модели. Запекание необходимо для передачи внешнего вида high-poly модели на low-poly модель, полигонаж которой существенно ниже.

В случае, когда все элементы растения запекают по отдельности, полученные после запекания альфа-карточки, например, листьев используют для сборки high-poly кластеров веток (данные кластеры будут состоять из 3D-моделей голых веток и альфа-карточек листьев с готовыми материалами) и запекают их.

Запекание всех необходимых текстурных карт происходит в программах: SpeedTree, Substance Designer, Substance Painter, Substance Alchemist или Marmoset.

Текстурные карты обычно включают в себя: Albedo или Diffuse (базовый цвет), Normal (нормали), Ambient Occlusion (окклюзия окружения), Opacity (прозрачность). Иногда запекают дополнительные карты, например: Roughness (шероховатость), Gloss (глянец), Translucency (полупрозрачность), кастомные маски, ID (идентификатор), Convexity (выпуклость), Concavity (вогнутость), Curvature (кривизна) и другие.

Материалы для растений создают в SpeedTree или в программах из набора Substance. Материалы состоят из разного количества текстурных карт и определяют внешний вид 3D-объекта. Используя информацию из разных текстурных карт, получают детализированные материалы с цветовыми вариациями и плавными переходами от одного к другому.

Стандартом для текстур является плотность текселей 512 пикселей на метр, соответственно, разрешение текстур обычно 512 на 512 пикселей, но возможны и другие варианты. Объединяя все текстурные карты и настраивая их параметры, получают финальные шейдеры растений, которые применяют на game-ready меши.

Когда атлас текстур и готов, переходят к созданию окончательных game-ready мешей на его основе. Если во время блокинга меши были настроены качественно, а финальный атлас текстур особо не изменился в плане контуров и расположения его деталей, то данный этап требует лишь незначительных доработок.

Шейдеры переносят на плоские low-poly (низкополигональные) карточки с альфа-каналом, созданные в Maya, 3ds Max или в SpeedTree. Карточки обрезают по контуру растения. При создании альфа-карточек важно, чтобы пустого пространства (прозрачного) было как можно меньше.

Полученные альфа-карточки изгибают, чтобы создать иллюзию объёма. Для этого может потребоваться добавление сабдивов — увеличение полигонажа. Финальные game-ready меши должны быть триангулированы (состоять из трисов). Ввиду повышения производительности и оптимизации финальные сетки растений не могут быть очень плотными (высокополигональными), поэтому изначально в атласе делают большие кластеры, однако при некоторых других подходах поступают наоборот. К примеру, окончательная плотность сетки травы может составлять 500 трисов на метр.

В SpeedTree (или в 3ds Max, Maya) из нескольких карточек, размещенных под разными углами, собирают финальную модель растения. Параллельных друг другу карточек быть не должно. Размеры, изгиб и направление поворота карточек в некоторой степени рандомизируют, так растение выглядит более натурально. Карточки стараются делать обращенными наружу, чтобы каждая отдельная карточка несколько случайным образом вращалась и изгибалась вокруг центра растения. Кроме того, можно создать несколько дополнительных карточек, основанных на более специфических деталях в атласе high-poly моделей, а затем случайным образом распределить их по финальным кластерам карточек растения, чтобы разбить повторение.

Для демонстрации high-poly моделей, созданных для игр, их текстурируют и сразу собирают все части растения воедино. Растения в игре Far Cry 6 (2021) выглядят довольно артистично, но им не хватает натуральности из-за слишком однородных материалов и однотипных элементов.

В игре Assassin’s Creed Valhalla (2020) цветы крайне реалистичны за счет детализированных текстур и вариативности элементов, использованных для сборки каждой high-poly модели.

Для стимпанк сеттинга, как в игре Dishonored 2 (2016), растения приближают к реализму путём использования привычных для нашего мира сочетаний цветов и элементов растений. Необходимая стилистика достигается за счет необычной комбинации данных элементов и искажения их форм.

В рамках фэнтези сеттинга обычно не стремятся к фотореализму, наоборот, растения стараются сделать как можно менее похожими на те, что действительно существуют. Растения в играх Horizon Forbidden West (2022) и God of War: Ragnarök (2022) интегрируются в фэнтези окружение за счет крайне причудливых силуэтов и сочных оттенков.

Обычно моделирование деревьев происходит в программах SpeedTree, Maya, 3ds Max, а скульптурирование — в ZBrush. Для создания базовой формы дерева нередко используют инструмент ZSpheres в ZBrush. Он удобен для работы с объектами, в которых много резких переходов от одной части к другой.

После 3D-модель скульптурируют, добавляют детали. Для этого используют инструменты Adaptive Skin и Dynamesh в программе ZBrush, чтобы получить цельную сетку, на которую можно добавить вторичные формы.

Чаще всего скульптурируют следующими кистями: Standard и Clay Buildup для определения крупных форм, Dam Standard для уточнения острых пиков и глубоких срезов, Trim Dynamic для равномерного срезания части формы. В процессе работы сетки high-poly 3D-моделей могут состоять из нескольких сотен полигонов.

3D-модель может быть создана и путем доработки материалов, полученных методом фотограмметрии. Например, в игре Far Cry 6 многие деревья основаны на 3D-сканах, а в игре Star Wars: Battlefront II с помощью фотограмметрии воссоздали целый участок реально существующей локации.

В случае использования фотограмметрии для создания 3D-модели, необходимо сначала получить необходимые фото, используя DSLR фотокамеру. Выезды за такими фото называют скаутингом, им лучше заниматься в дневное время суток и при плотной облачности. Так снимки будут обладать низкой контрастностью и более равномерной освещенностью, что необходимо для получения качественной текстуры.

Серию фотографий ствола дерева загружают в программу Photoscan или в Agisoft Metashape. На выходе получают 3D-скан ствола дерева, состоящий из текстуры и high-poly модели, которая затем зачищается в ZBrush. Полученный меш при помощи инструментария SpeedTree объединяют с верхней или нижней частью ствола, которая моделируется с нуля.

Процесс работы над low-poly 3D-моделью начинается с импорта high-poly 3D-модели из программы ZBrush в Maya, где используют инструмент Quad Draw для создания low-poly меша поверх high-poly меша.

После по low-poly мешу делают UV-развертку. Для проверки качества UV-развертки на low-poly модель накладывают шейдер «Checker Map». Он показывает, как будет лежать текстура на модели, как выглядят места соединения одного UV-кластера с другим, есть  ли растяжения текстуры в каких-то участках модели.

Далее запекают текстурные карты (именно ствола и больших веток), чтобы low-poly модель, имея существенно меньше полигонов, выглядела как high-poly. Так получают текстурные карты Albedo или Base Color, Normal, Roughness, Ambient Occlusion и Height, которые будут использоваться при создании материала в программах из набора Substance.

Материалы для коры создают с нуля в программах из набора Substance или используют фото, полученные при сканировании. В первом случае в качестве основы выступают готовые паттерны, состоящие из вытянутых прямоугольников примерно одинаковой формы.

В программе SpeedTree дорабатывают текстуры коры, кластеры карточек ветвей с листьями (созданные по технологии альфа-карточек) и собирают финальную модель. Карточки веток и листьев размещают по 3D-модели через вручную или с помощью системы частиц. Так можно легко управлять плотностью листьев или цветов, менять размер, поворот и наклон карточек, их текстуру (например, с листьев на цветы).

Самым массивным деревьям в сцене придают симметричную форму. На далеком от камеры расстоянии каждое дерево обычно изображают в виде одной карточки, обращенной к камере. Другими словами, для последнего LOD все текстуры, относящиеся к дереву, объединяют в одну карточку. Если профиль дерева несимметричен, результат будет неубедительным. Чтобы обойти эту проблему, ставят три разные карточки дерева под разными углами друг к другу и меняют их местами в зависимости от угла наклона дерева к камере.

Такими методами можно создавать деревья для любого биома: снежного, тропического, лесного, пустынного, болотистого и др. Это особенно удобно для игр жанра action/RPG со множеством различных биомов, растения в которых должны быть в единой стилистике. Стоит отметить, что на данный момент нет альтернативных способов создания фотореалистичных деревьев. Ведь деревья в реальной жизни имеют десятки тысяч листьев и сотни веток. Пока что разработчики не могут себе позволить добавить в игру даже несколько деревьев, в которых каждый лист и каждая ветка — это отдельные меши.

Часто для иллюстрации воздействия определенных внутриигровых факторов на растения необходимо создавать деревья с уникальным внешним видом. В данном случае делают упор на лукдев, скульптурирование и текстурирование 3D-модели.

Деревья в фэнтези сеттинге, как в игре Destiny 2 (2017), необычными делают причудливые силуэты и яркая цветовая палитра. Чтобы превратить обычное дерево в светящееся, для него создают шейдеры с эмиссией, прозрачностью, преломлением и более высокими значениями степени отражения света.

Стилизованные растения получают аналогичными методами, но артисты делают больший упор на стилизованный скульптинг. Например, в игре Immortals Fenyx Rising (2020) заснеженные ветви елей имеют по-настоящему трёхмерную геометрию. Они не являются лишь плоскими карточками, частично окрашенными в белый цвет, поэтому выглядят очень объёмно.

Бесшовные процедурные материалы для стилизованных растений создают с нуля в программе Substance Designer в технике hand paint (рисование от руки).

В некоторых играх встречаются культовые деревья, играющие важную роль в сюжете. К ним относятся 10 огромных древ снов (тирны: Achiad, Eas, Fenn, Glayn, Kaithe, Marwol, Noch, Rowen, Scithe, Vaal), которые можно увидеть, посетив локацию «Арденвельд» в игре World of Warcraft: Shadowlands (2020). Самые великие из них — Tirna Achiad (Тирна Ачиад, первое древо) и Tirna Eas (Тирна Эас). Слово «тирна» является отсылкой на «Тир на Ног» (от ирл. Tír na nÓg) — остров вечной молодости в кельтской мифологии. Иронично, что леса в «Арденвельде» увядают.

В игре Elden Ring (2022) культовым является древо Эрд, а в игре God of War (2018) — древо Иггдрасиль. В отличие от Иггдрасиля, древо эрд занимает огромную область экрана игрока, его видно практически с любой точки на карте. Поэтому разработчики стремились создать запоминающийся силуэт, который бы гармонично сочетался с окружающими локациями. Дерево имеет цветовую палитру, состоящую только из оттенков желтого, и немного сливается с небом за счет полупрозрачности, так глаз игрока не перегружается обилием деталей и цветов. Внешний вид древа Эрд обусловлен его связью с миром Внешних Богов. В разных концовках игры древо может менять свой цвет или форму в зависимости от принятых игроком решений.

Существуют и процедурные способы создания мешей и карточек растений, данный метод начинает набирать всё большую популярность. Для этого в программе Houdini разрабатывают различные процедурные ассеты с настраиваемыми параметрами. Для игры God of War: Ragnarök (2022) использовали несколько таких ассетов. В основе всех инструментов лежит процедурное моделирование скелетов растений, состоящих из кривых и спиралей, вдоль которых расставляются карточки. Длина измеряется процедурно, так к каждой форме подбирается нужная длина, что облегчает расстановку карточек.

Card Sheet Tool (инструмент для создания карточек):

Это ассет для моделирования и лейаута (расположения), с помощью которого можно создавать растения. На выходе он дает цветную high-poly 3D-модель и сетку для запекания текстурных карт.

Configuration Tools (инструмент для создания конфигураций):

Используется для распределения карточек — создания кластеров из полученных low-poly карточек.

Grass Tools (инструменты для создания травы):

Состоит из двух инструментов, один из которых предназначен для моделирования high-poly 3D-моделей травы с различными вариантами внешнего вида и окраски. Другой — для запекания high-poly 3D-моделей в текстурные карты и создания кластеров из них.

Leaf Maker (инструмент для создания листьев):

С помощью данного ассета можно получить high-poly 3D-модели листьев разного вида с вариациями для карточек.

Также в игре применяли процедурные способы создания деревьев в программе Houdini. Ассет Ironwood Tree Tool (инструмент для создания деревьев) использовали для детализации черновых моделей деревьев. Сначала происходит создание грубого меша дерева в программе ZBrush. Далее он импортируется в программу Houdini, где генерируются кривые, определяющие длину или направление симуляции, и модель обретает большую толщину. Поверх обработанной модели запускается симуляция, после которой поверхность дерева детализируется, добавляются природные фактуры, поврежденные участки коры, изломы и т. д. После этого симуляция (меняющая только поверхность дерева) объединяется с внутренней частью модели. Также создается low-poly версия 3D-модели для использования в процессе детализации. На 3D-модели процедурно генерируются расслаивающиеся участки коры в виде чешуек.

Далее все процессы объединяются для получения на выходе high-poly 3D-модели с окраской вертексов, которая используется при создании различных материалов и запекании текстурных карт в программах Substance. Наконец, выполняется наложение шума по различным маскам и после этого создается low-poly меш.

Данный ассет позволяет получить уникальные, полностью процедурные 3D-модели стволов деревьев с очень реалистичными фактурами и необычными силуэтами.

В игре Assassin’s Creed Valhalla (2020) для корней дерева Иггдрасиля также был разработан ассет в программе Houdini. Меши коры, созданные на основе 3D-сканов, процедурно распределялись по поверхности корней. Для корней использовали 2 материала (коры и самих корней), созданные в программе Substance Designer, с плавными переходами от одного к другому.

Корни Иггдрасиля были слишком огромными, поэтому для их создания использовали нестандартный пайплайн, который предполагал процедурное создание геометрии корней. Для игры Assassin’s Creed Valhalla: Dawn of Ragnarök (2022) использовали доработанную версию ассета.

По готовности альфа-карточек в SpeedTree (или в 3ds Max, Maya) создают LOD — несколько видов скоплений карточек каждого определенного растения с уменьшающимся количеством трисов и разрешением текстур от нулевого к последнему LOD. Они будут переключаться у модели растения по мере его отдаления от игрока (камеры). От нулевого к последнему LOD всегда уменьшают полигонаж и качество текстур.

Для создания текстур разных LOD применяют одну из двух технологий — Diffuse flooding или MIP flooding. В их основе лежит использование нескольких копий одной текстуры с разной детализацией.

Diffuse flooding: Изображение расширяется по краям альфа-канала и размывается, оригинальное изображение ставится сверху. Процесс процедурно повторяется до заполнения всей области изображения. В целом результат очень качественный, скачки между LOD почти не заметны. Однако генерация происходит крайне медленно, цвета контуров искажаются, что портит внешний вид растений.

MIP flooding: Изображение, обрезанное по альфа-каналу, на каждом этапе процедурно масштабируется до половины его размера. Так повторяется до тех пор, пока текстура не станет шириной или высотой в один пиксель. Затем процесс идет обратно по цепочке MIP. MIP с более высоким разрешением ставится сверху и весь путь вверх повторяется. Вместо масштабирования может использоваться размытие изображения — нулевой LOD имеет резкую текстуру, а у последующих LOD постепенно увеличивается степень размытия текстуры. Это оптимальный подход с точки зрения визуала и оптимизации. Переход между LOD не резкий, ведь LOD выше нулевого слабо от него отличаются. Генерация происходит быстро, текстура хорошо масштабируется за счет логарифмической составляющей и сложности алгоритма. Большие области пикселей одного и того же кода цвета (кода RGB) улучшают качество и скорость сжатия, тем самым повышая скорость рендера.

Альфа-канал должен весить максимально мало, поэтому его копии с разной детализацией также создаются методом MIP flooding. При создании LOD могут использовать метод, основанный на постепенном удалении деталей растения с карточек, например, листьев, веток, цветов, от нулевого к последнему LOD. В данном случае, чтобы сохранить изначальный объём растения, с возрастанием LOD увеличивают размер оставшихся деталей. Необходимо к последнему LOD достигнуть как можно более малого количества деталей, достаточного для заполнения исходного объёма растения. Это самый не затратный способ, но эффект «скачков» между LOD заметен довольно сильно.

Для травы в среднем создают 3 LOD: LOD0 — самый высокополиганальный low-poly меш. LOD1 — количество трисов уменьшается примерно на 40-60% по сравнению с LOD0. LOD2 — количество трисов уменьшается примерно на 10-20% по сравнению с LOD1.

Деревья имеют около 4-5 LOD: LOD0 — самый высокополиганальный low-poly меш. LOD1 — количество трисов составляет 2/3 от LOD0. LOD2 — количество трисов составляет 50% от LOD1. LOD3 — количество трисов составляет 50% от LOD2. LOD4 — всё дерево является плоской карточкой.

Для примера, в игре Far Cry 5 (2018) нулевой LOD дерева состоит из 10 тысяч трисов, куста — около 2 тысяч трисов, трёхметрового кластера травы — около 600 трисов. Деревья в игре имеют только 2 разных материала: для листьев и для коры. В современных играх нулевой LOD каждого дерева обычно состоит из 13-30 тысяч трисов.

Также последним LOD могут быть импостеры (imposters). Технология создания импостеров заключается в захвате 3D-объекта камерой с разных углов обзора и сохранении каждого вида в текстурных картах.

В зависимости от расположения камеры относительно растения отображается та или иная текстура: если камера находится над растением, то отображается текстура, снятая сверху, а если камера видит справа, то отображается текстура, снятая справа и так далее. Такой способ дает убедительный результат для дальних планов и позволяет значительно увеличить производительность за счет уменьшения полигонажа.

К недостаткам карточек можно отнести активное использование альфа-канала. Из-за наличия прозрачности при плотном заполнении участка травой или пересечении карточек ветвей дерева, шейдеру приходится выполнять больше вычислений. В местах наложения нескольких прозрачных объектов или текстур друг на друга происходит overdraw (переписовка). Один и тот же пиксель просчитывается несколько раз подряд для одного и того же кадра, то есть один и тот же пиксель пересчитывается для разных слоев изображения. Такая ситуация приводит к очень сильному снижению производительности, частоты кадров. Поэтому необходимо уменьшать количество карточек и не располагать их параллельно друг другу. Из-за данных ограничений деревья в играх не обладают плотной листвой и не выглядят натурально. Ещё один большой недостаток — при взгляде на растение вниз плоские карточки явно видны. Но эту проблему можно немного сгладить, если настроить карточки так, чтобы их плоскости были всегда немного направлены в сторону игрока (камеры).

Преимущества технологии альфа-карточек заключаются в производительности, в гибкой системе настройки текстур растений и размеров отдельных карточек внутри кластера, а также в наличии небольшого количества полигонов. Альфа-карточки широко используют для создания травы, цветов, кустов, малых ветвей и листвы деревьев. Они позволяют получить любое растение, красивое и «пушистое», а также сократить время на переделку мешей и их оптимизацию.

Individual blades of grass, 3D-grass blades (отдельные сетки или индивидуальные меши каждой травинки) позволяют добиться эффекта 3D-травы. Технологию можно увидеть изнутри, разобрав процесс создания травы для игры Ghost of Tsushima. Другие растения в игре разработаны по технологии альфа-карточек.

Отдельные меши травинок процедурно генерируются и рендерятся на GPU. Процедурная генерация в данном случае основана на нескольких техниках. Изначально пространство игры разделяют на большие квадратные тайлы. Они содержат в себе набор текстур, определяющих высоту рельефа, материал для его рендера и, самое главное, тип травы и её высоту на данном рельефе. Впоследствии тайлы подразделяют на более малые, которые идут на рендер. Полученные тайлы производят выборку из подсекций текстур в родительских тайлах. Каждый тайл, который уходит на рендер, проходит через compute shader (вычислительный шейдер). Он определяет позицию травинки на сетке внутри тайла и после этого случайным образом смещает её для придания вариативности.

Индивидуальные меши травинок можно получать не только с помощью compute shader, но и через geometry shader (геометрический шейдер), который генерирует травинки из каждой вершины входящего меша. Он выполняется после vertex shader (вершинного шейдера) или шейдера тесселяции, если она используется, и до того, как вершины обрабатываются для фрагментного шейдера. Геометрический шейдер получает на входе одиночный примитив и может сгенерировать ноль, один или множество примитивов. Чтобы создать 3D-травинки подойдет любая real-time (в реальном времени) процедурная генерация мешей.

Для исключения из вычислений геометрии, находящейся вне поля зрения игрока (камеры), применяются две технологии: Distance Culling и Frustum Culling. Distance Culling убирает из рендера все объекты, которые находится слишком далеко от камеры, а Frustum Culling отсекает геометрию, не видимую на экране (отсечение по пирамиде видимости). Таким образом достигается оптимизация, потому что GPU не рендерит огромное количество лишних полигонов и текстур.

Потом происходит выборка геометрии травы из назначенных текстур в каждом тайле, так определяется тип и высота травы в зависимости от её положения в тайле. Тайлы с нулевым типом травы или с нулевой высотой отбрасываются. Далее применяют Occlusion Culling — функцию, отключающую рендеринг тех объектов, которые в данные момент не видит камера, потому что они закрыты другими объектами.

Текстура каждого тайла имеет разрешение 512  на 512 пикселей, на её основе каждая позицию тайла сопоставляется с типом травы, хранящимся в виде 8-битного индекса в массиве параметров травы. Случайным образом, на основе положения относительно центра четырех соприкасающихся тайлов, из массива данных выбирается один из созданных типов травы. Это позволяет получить более плавный переход от одного типа травы к другому, чем при использовании точечной выборки. Так менее заметно, что тип травы образуется из текстуры низкого разрешения. Геометрия травинок не создается артистами вручную в 3D-программах, вместо этого каждая травинка образуется процедурно методом GPU instancing (через instanced index draw call, по одному draw call на тайл).

GPU instancing — технология, появившаяся в начале 2000-х годов, позволяющая эффективно рендерить огромное количество одинаковых или идентичных объектов. За один подход создается множество копий одного меша. Обычно CPU (центральный процессор) берет все существующие данные сетки объектов и переносит их в GPU. Эти данные копируются из CPU в GPU каждый кадр, такой процесс передачи данных называется draw call. Идея состоит в том, чтобы сохранить данные только на GPU. Для этого создается массив данных о позиции травинок, затем GPU использует этот массив для поиска правильной позиции каждой травинки в каждом кадре, а не копирует эти позиции в CPU. Таким образом, всего, что инстансируется GPU, технически не существует для CPU. Для одного лота геометрии достаточно лишь одного процесса draw call вместо нескольких. Данные о геометрии при дублировании одинаковы, но каждая копия может иметь различными другие параметры. Всё это позволяет существенно сэкономить ресурсы системы и повысить реалистичность сцены в целом.

Уникальная травинка получается на основе cubic Bezier curve (кубической кривой Безье) и параметров определенного типа травы. Контрольные точки Безье размещаются следующим образом. Для начала определяют положение вершины относительно основания и среднюю точку, которая управляется параметром bend (изгиб). Если точка изгиба равна нулю, то средняя точка лежит вдоль линии между основанием и вершиной. Значения, превышающие ноль, сдвигают её вверх и в сторону от этой линии. Когда известно положение контрольных точек, можно определить положение вершины (кончика травинки) в мировом пространстве. Для этого берется значение от нуля до единицы, определяющее положение вершины на травинке, и вводится в функцию кривой Безье. Вершина перемещается в направлении нормали и масштабируется в зависимости от положения точки вдоль травинки. Чтобы вычислить нормаль вершины, находят производную кривой Безье в конкретной позиции и пересекают её с полученной нормалью. В итоге получается процедурно изогнутая травинка, сужающаяся к кончику.

Меши травинок имеют 2 LOD: low-LOD (низкополигональный), состоящий из 7 вершин, и high-LOD (высокополигональный), состоящий из 15 вершин. Для ослабления эффекта «скачков» между LOD при их переключении в любую сторону, по мере приближения к точке перехода между LOD они смешиваются друг с другом за счет смещения вершин геометрии каждой отдельной травинки. Так получается гораздо более плавный переход, особенно на траве, сильно изогнутой ветром. Тайлы low-LOD вдвое больше тайлов high-LOD, но они содержат в себе одинаковое количество травинок. Это означает, что в тайлах low-LOD расстояния между травинками больше. Чтобы сделать переход между тайлами плавным, перед приближением к low-LOD тайлам в high-LOD тайлах процедурно удаляется по 3 травинки из каждых 4 ячеек травы.

В игре используется технология оптимизации, благодаря которой поля короткой травы кажутся более густыми. Если нужен достаточно короткий меш травы, было  бы расточительно для его получения удалять часть геометрии из длинного меша, поэтому вместо этого геометрия каждой травинки складывается посередине, создавая две травинки из одной. Так при нулевых затратах зоны с короткой травой кажутся вдвое плотнее.

Для шейдера травы используют 4 текстурные карты: Gloss — 1D-текстура, растянутая по ширине травинки и повторяющаяся по длине. Diffuse — две текстуры. Первая — 1D-текстура, которая работает аналогично gloss и дает прожилки, идущие по травинке. Вторая — 2D-текстура, содержащая информацию о цвете. V координата отвечает за цвет, изменяющийся с длиной травинки. Это обеспечивает плавный переход между темным основанием травинки и светлым кончиком. U координата зависит от того, к какому скоплению принадлежит травинка, и позволяет получить участки с разнообразием цветов по всему полю. Translucency — абсолютное значение. Прозрачность увеличивается от основания травинки к её кончику. AO — абсолютное значение. Градиент от темного основания к светлому кончику.

В реальной жизни травинка представляет из себя не ровную плоскость, а слегка изогнутую. Обычно для воссоздания этого нужно добавить мешу дополнительные вершины, чтобы изогнуть травинку по центру, но это буквально удвоит количество вершин, которые должен рендерить GPU. Чтобы обойти данную проблему, в игре используют изогнутые нормали для придания каждой травинке естественного округлого вида.

Обычно для разнообразия внешнего вида процедурной травы ей можно задать случайные значения высоты. Но настоящие травинки не отличаются друг от друга лишь высотой. Если посмотреть на траву в реальной жизни, то она растет, образуя скопления. Более высокие из них — просто результат большего содержания азота в почве, что может повлиять и на цвет травы. Игра имитирует это, используя procedural Voronoi algorithm (алгоритм процедурного шума) для сбора травинок в определенных зонах в скопления и влияния на их различные параметры (например: высота, поворот, цвет и направление). Каждый тип травы имеет ряд параметров, доступных для настройки артистами: высота, ширина, наклон, цвет и др. Набор параметров для каждого типа травы разный. Так, процедурность обеспечивает разнообразие внешнего вида, положения, изгиба и анимации каждой травинки, её взаимодействия с игроком, ветром или другими объектами.

За большую часть анимации травы отвечает ветер. Он приводится в движение простой 2D-текстурой Perlin noise (шума Перлина), перемещающейся в том направлении, в котором дует ветер. Шум определяет силу ветра в каждой точке пространства и влияет на изгиб травы. Если с помощью синусоиды добавить простую анимацию покачивания травы и смешать её с анимацией ветра, то получится очень реалистичное колыхание. На сдвиг фазы синусоиды влияют параметры позиции травинки. Поскольку трава создается процедурно, анимация для каждой травинки и каждого участка травы немного отличается, что добавляет разнообразия и реализма.

Иногда, если смотреть на травинки под «правильным» или «неправильным» углом, в играх трава выглядит слишком тонкой и редкой. В игре Ghost of Tsushima артисты стремились сделать поля визуально более насыщенными. Для этого использовали технологию, при которой травинки, расположенные перпендикулярно камере, слегка поворачиваются лицом к ней, что визуально немного утолщает травинки с угла зрения игрока.

Различные другие виды растений, например, паучьи лилии, цветы и пышная трава, распределялись по тайлам процедурно аналогично обычной траве, чьи параметры определяются ячейкой, на которой создается каждый ассет.

В отличие от травинок, создающихся процедурно на основе кривой функции Безье, другие виды растений артисты моделировали вручную, используя технологию альфа-карточек. Затем растения распределяли по миру игры через GPU instancing, как это делают почти во всех играх.

Одной из самых больших трудностей при создании травы было то, как поступать с LOD на очень больших расстояниях. На острове в игре есть несколько мест, откуда можно увидеть весь остров сразу, но рендеринг каждой травинки на расстоянии в несколько километров является чрезвычайно затратным. Поэтому, вместо рендеринга миллионов травинок и других растений, все самые далекие от камеры растения удалялись и заменялись авторской текстурой, созданной артистом. Она, вместо самих мешей, рендерится на больших расстояниях, имитируя большие поля травы и любых других растений, существующих в конкретной области.

Технология создания «3D-травы» по сравнению с альфа-карточками позволяет достичь гораздо большей реалистичности, вариативности и плотности травы на лугах и полях, а также более плавных переходов между LOD. Взаимодействие «3D-травы» с ветром, игроком или любым другим объектом смотрится намного более натурально, так как оно уникально для каждой травинки. При этом, меши можно отлично оптимизировать для комфортной плавной игры. На данный момент таким способом возможно сделать только простые растения вроде травы. В перспективе им будут пользоваться для создания деревьев, в которых каждый листик и каждая ветка будут являться отдельными мешами, по-своему взаимодействующими с ветром.

С помощью всех описанных методов получают любые game-ready растения. В последние годы использование фотограмметрии и разработка процедурных ассетов в программе Houdini обретают всё большую популярность. Как раньше, так и сейчас, разработчики AAA-игр, приближенных к фотореализму, вносят какие-либо новшества за счет модификации и оптимизации двух существующих технологий. Возможности для этого открываются по мере роста вычислительных мощностей. Развитию методов создания растений также способствует нахождение разработчиками неожиданных возможностей применения технологий или инструментов, изначально предназначенных для других задач.