Red Dead Redemption 2グラフィック分析

私のお気に入りのゲームの1つであるRed Dead Redemptionは、コンソールの前編として2018年に戻ってきました。それは2019年にPC用にリリースされ、ついにプレイすることができました。私はすぐに彼女のグラフィックスに衝撃を受けました。しかし、私は動揺していました。デスクトップ1050Ti GPUで25 FPSの平均的な設定でほとんどプレイできませんでした。私のマシンはそれほど強力ではありませんが、中程度の設定で25 FPSですか？



今日は、ゲームからのショットのいくつかの例を見て、ゲームで使用されるグラフィック技術を分析します。

序文

これはゲームの非公式な分析です。RenderDocでフレームキャプチャを分析したところです。開発者自身からの情報を知りたい場合は、Fabian BayerによるSIGGRAPHでの講演のスライドをご覧ください。スライド（ページの下部）、ビデオ（1:58:00から開始）。Adrian Correzheによって実行されたGTA5 グラフィックス



の分析を読むこともできます[Habréに翻訳 ]。 RDR2とGTA5の両方が同じ会社で作成され、同じエンジンを使用しているため、GTA5のいくつかのトリックがここにも存在します。



もう1つの重要な点は、私は経験豊富なグラフィックプログラマではなく、この分野の初心者でもあるということです。したがって、私には理解できないことがたくさんあります。バグや改善できる点を見つけたら、私に書いてください。行こう！

フレームを解析する

分析のメインフレームは次のとおりです。





フレームは中程度の設定のPCでキャプチャされました。

RDR2のようなゲームでは、1つのフレームですべてのトリックを探索することはほとんど不可能です。彼らの作品はいくつかのフレームの間で転送されます。それで、いくつかのフレームをキャプチャしましたが、上に示したものがメインのフレームになります。これには、スポットライトとスポットライト、指向性照明（非常に小さいですが）、建物、NPC、馬、木、植生、雲など、多くのプロパティが含まれています。ゲームで使用されるほとんどのレンダリング手法を示しています。

RDR2はオープンワールドのゲームなので、ストリーミングデータのダウンロードが進行中です。したがって、フレーミングは、テクスチャの作成と削除、シェーダーリソースのスキャン、ランダムスキャン、記述子の更新、バッファーなどの一連のタスクから始まります。

地球/マッドマップ

汚れが大きな役割を果たします。汚れはゲームメカニックであることに加えて、環境をより現実的にします。ゲームは、馬車のトラックのテクスチャとともに、人間と馬のトラックのテクスチャをディスプレイスメントマップにレンダリングします。この蓄積されたテクスチャは、地形のレンダリング時に視差オクルージョンマッピングに使用されます。





マッドマップ：R16_UNORM2048x2048

空と雲

ダート計算パスの後、ゲームは多くのGPU計算作業を行います。彼らは主に空と雲を指します。雲、霧、ボリューム照明は、RDR2の最も顕著な効果の一部です。このステップの詳細については、Fabianのスライドをご覧ください。彼はこれらすべてを私よりもはるかに詳細に説明しています。

環境マップ

環境マップは、RDR2およびGTA5の反射の主なソースです。

GTA5と同様に、RDR2はカメラの位置から環境キューブマップを生成します。ゲームエンジンは、Far Cry 4で使用されているのと同様のシン環境マップGBufferを生成します。





立方体環境マップの面（アルベド）： RGBA8_SRGB





環境の3次マップの面（法線）： RGBA8_UNORM





環境キューブエッジ（深度）：D32S8



各フレームで環境キューブマップを生成することは、非常に面倒な作業になる可能性があります。 RDR2は最適化を使用して計算コストを削減します。たとえば、ゲームは静的で不透明なオブジェクトのみをレンダリングし、各面をレンダリングする前に錐台カリングを実行し、モデルのより低いLODバージョンをレンダリングします。しかし、地形マップの地形ポリゴンの数は依然として非常に多いことがわかりました。



G-Bufferパスの後、放物面の空のマップと雲のテクスチャを使用して、空の環境の立方体マップが生成されます。次のステップは畳み込みです。画像ベースの照明の場合、RDR2エンジンはスプリットサム近似を使用します。この方法では、事前にフィルター処理された環境マップとLUT BRDF環境を使用します。フィルタリングの場合、ゲームは環境キューブを折りたたみ、折りたたんだバージョンをキューブミップテクスチャレベルに格納します。



キューブの放射照度マップのライトパスを実行する前に、RDR2はベイクされた大規模なアンビエントオクルージョンを別のキューブテクスチャにレンダリングします。ゲームは画面空間アンビエントオクルージョンを使用しますが、SSAOは小規模でのみ役立ちます。ベイクされたアンビエントオクルージョンは、テラスやインテリアを暗くするなど、より大きなスケールで暗くするのに役立ちます。





環境キューブファセット（ベイクドAO）：R8_UNORM



ゲームは遅延タイルレンダリングを使用して、環境マップの照明を計算します。ライトカリングとライティングは、環境マップの各面の計算シェーダーの1つのパスで一緒に計算されます。 （そのヒントを提供してくれた@benoitvimontに感謝します。）ベイクされたライティングについても、ゲームはAssassin's Creed IIIで使用されているのと同様のトップダウンワールドライトマップテクニックを使用します。



立方体マップの各面について、RDR2は空の環境テクスチャの上に最終的な色をレンダリングします。次に、ゲームは、空の環境の3次マップと同じ方法で環境の3次マップをフィルタリングします。





環境キューブマップのファセット（最終）：R11G11B10_FLOAT



また、プレーヤーが建物の近くにある場合、RDR2は建物の内部にある環境マップを読み込みます。ディスクからストリーミングされるキューブマップのGバッファもあります。





キューブ環境マップのベイクドフェース（アルベド）：（BC3_SRGBベイクドAOはアルファチャネルに保存されます）





3次環境マップのベイクされた面（法線）： BC3_UNORM





環境キューブベイクドエッジ（深度）：R16_UNORM



ゲームはこれらのマップのライティングを計算し、以前のマップと同様にフィルタリングします。一度に1つのベイクされた環境マップのみを計算し、時刻が変更されたときにのみ再計算します。すべての環境マップは、テクスチャキューブマップの配列に格納されます。三次マップから二重放物面マップへの変換は行われません。

G-Buffer Pass

このステージは、テレインデプスの予備パスから始まり、ゲームはシーンをG-バッファでレンダリングします。

• RGBA8_SRGB-このバッファには、RGBチャネルのアルベド（ベースカラー）が含まれています。アルファチャネルデータの用途がよくわかりませんが、アンチエイリアスの段階で使用されます。

• RGBA8_UNORM：RGBチャネルには法線が含まれ、アルファチャネルにはファブリックとヘアに関連するものが含まれます。

• RGBA8_UNORM：このターゲットは材料特性に使用されます。
  
  
  • R：反射率（f0）
  • G：滑らかさ
  • B：メタリック
  • A：シェーディングが含まれています（このチャネルは後続の手順でシャドウマスクとして使用されます）

• RGBA8_UNORM：赤いチャネルにキャビティが含まれています。青いチャネルには、不思議なデータが再びあります。アルファチャネルには、髪に関連するデータが含まれています。緑のチャンネルでは何も見つかりませんでした。

• RG16_FLOAT：このバッファーには、モーションブラー実装の画面スペース速度が含まれています。

• D32S8：GTA5と同様に、RDR2は深さの逆zとステンシルバッファーを使用して、特定のメッシュグループに値を割り当てます。

別のターゲットがベイクされたデータから生成されます。





このバッファには、環境マッピングステージと同じように、赤チャンネルに同じベイクされたアンビエントオクルージョンが含まれています。しかし、このテクスチャには他のチャネルもあります。緑のチャネルには、GBuffer 3の青のチャネルのデータに似たデータが含まれています。ここでも、このデータの用途がわかりません。キャプチャされたフレームでは、青とアルファチャネルにデータが見つかりませんでした。これについて詳しく調べます。

シャドウマップの生成

G-Bufferステージの後、ゲームはシャドウマップのレンダリングを開始します。点光源のシャドウマップには2Dテクスチャ配列を使用し、スポットライト光源のシャドウマップには3次テクスチャ配列を使用します。



一部のシャドウマップゲームは、シャドウのアトラスの大きなテクスチャを使用します（たとえば、DOOMで）。この方法の利点の1つは、シャドウマップのサイズが距離によって大きく異なる可能性があることです。テクスチャ配列を使用する場合、配列内のすべてのテクスチャは同じサイズでなければならないため、この柔軟性は失われます。RDR2には、さまざまな品質レベルの3つの異なるテクスチャ配列があります。たとえば、サーチライトソースには次のものが含まれます。

• 遠いソースの場合は512x768 D16
• 1024x1536 D16 ( — )
• 2048x3072 D16 ( / )

ポイントソースは、すべての方向に影を落とします。このタスクに対処するために、ゲームでは全方位シャドウマッピングと呼ばれる手法を使用しています。この手法では、シーンはカメラの位置から3次深度マップにレンダリングされます。このテクニックを使用して、火の影とアーサーのランタンの影がレンダリングされます。スポットライトと同様に、スポットライトには、品質設定が異なる3つの異なる配列があります。



ゲーム内のほとんどの静的ポイントソースには、ベイクされた3次シャドウマップがあります。

したがって、ゲームは可能な限りベイクシャドウを使用し、プレーヤーが光量に近い場合にのみシャドウマップを生成します。しかし、実際にはさらに興味深いです。



壁のライトのほとんどはスポットライトですが、ゲームはそれらの全方向シャドウマップを生成しません。代わりに、シャドウマップを生成し、そのシャドウマップのメモリをポイントソースシャドウマップのキューブ配列にコピーします。





左側は1024x1536のスポットライトシャドウマップで、右側は512x512キューブテクスチャ形式の同じ画像データです

線形zはローカルシャドウマップに格納されることに注意してください。

これは、開発者がスポットライトに正方形のシャドウマップを使用しなかった理由を説明しています。サーチライトソースのシャドウマップと点光源の3次マップのピクセル数は同じでなければなりません。右の画像が断片にスライスされていることがわかります。これは、スポットライトとポイントシャドウマップの幅が異なるためです。



また、このテクスチャは360度をカバーしていません。ただし、幸いなことに、通常、建物のソースには背面に壁があり、ベイクされたシャドウマップで覆われています。



別の興味深い点は、プロセスが逆になっていることです。たとえば、ゲームで最大の都市の1つであるセントデニスを見てみましょう。ゲームはスポットライトの全方向のシャドウマップを生成し、このデータをスポットライトのシャドウマップの配列にコピーします。RDR2でシャドウイングがこのように行われる理由がわかりません。私はインターネットでそのようなトリックを見つけることができませんでした。



RDR2における方向シャドウイングは、のようにほぼ同じ方法で実装されGTA5。これは、4つのカスケードを持つカスケードシャドウマッピングです。カスケードとして、テクスチャ1024x4096のサイズ1024x1024の各タイルが使用されます（平均的なグラフィック設定）。





スポットライトシャドウアトラス： R16_UNORM

照明ステージ

最後に、これらすべての環境マップ、gバッファ、シャドウマップ、およびaoバッファを組み合わせる時間です。



このステージは2つのパスで構成されます。1つはグローバルイルミネーション（太陽/月）、2つ目はローカルソースのパスです。

グローバルライティングパス

ゲームは、指向性照明を計算するためにフルスクリーンの四角形をレンダリングします。これは、フレームでは月光です。ベイクドライティングは、前述の「トップビューの世界のライティングマップ」からも使用されます。

局所的な光の通過

この一節では、点光源のボリュームには低ポリゴンの球形の図形が、サーチライトソースのボリュームには八面体がレンダリングされます。照明は、加法混合を使用して背面から前面にレンダリングされます。



不必要なシェーダーコールを回避するために、ゲームは深度制限テストを使用しています。これは、Vulkan / D3D12でネイティブになったOpenGL / D3D11の追加機能です。彼女はまた、ステンシルテストを使用して、ウィンドウペインなどの半透明のオブジェクトによって吸収されるピクセルを破棄します。これらのオブジェクトはダイレクトパス中にレンダリングされます。

水のレンダリングと反射

この投稿では、別の投稿に値するので、水のレンダリングについては触れませんが、反射について少し説明します。

• 上記のように、環境マップは反射の主なソースです。標準的な反射。たとえば、ウィンドウの反射の場合、ゲームはそれらを使用します。
• ミラーは、平面反射でレンダリングされ、反射の方向からシーンを再レンダリングします。このプロセスも、遅延レンダリングによって行われます。
• 水の反射は、フレームの開始時に生成された反射マップと組み合わせて画面スペースの反射を使用します。

直接遮光ステージ

遅延レンダリングパイプラインの欠点の1つは、GBufferを使用して半透明のマテリアルを適切にレンダリングできないことです。この問題を解決するために、ゲームでは、ほとんどの遅延レンダリングと同様に、直接シェーディングを使用して半透明のマテリアルを前面から背面にレンダリングします。



ただし、直接アクセスはコストがかかる可能性があります。

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トリミングの前端と後端を切り替えられるようにするには、コンベヤーの状態を変更する必要があります。そして、そのような変更はコストがかかる可能性があります。

この段階で、ブルームエフェクト用に生成された別のレンダーターゲットがあります。このターゲットはブルームの明るさを格納します。画像でわかるように、半透明のオブジェクトは明るくなります。





ターゲット輝度ブルーム： R8_UNORM

霧の領域を明るくするために、ブルームは遠距離では明るくなります。

後処理

この段階で、一時的なアンチエイリアシング、ブルーム、モーションブラー、視覚の深度効果などの効果が実行されます。私はポスト処理に別のポストを捧げるつもりです。したがって、ここではあまり説明しませんが、ブルームについて少しお話しします。ボリュームライティングのおかげで、メインのレンダーターゲットにはすでに光源の輝きがあります。



RDR2でのブルームの実装は、Call of Duty：Advanced WarfareのNext Generation Post Processingで説明されている実装と非常に似ています。

• しきい値のないターゲットが入力として使用されます。
• レンダリングターゲットR11G11B10_FLOATレベル7-mip、
• ダウンサンプリング用の13次のバイリニアフィルター、アップスケーリング用の3x3テントフィルター。

次に、ゲームは、ブルームエフェクトのこのフィルター処理されたターゲットを、ブルームのターゲットの明るさだけでなく、メインターゲットと組み合わせます。

結論

言うべきことはまだたくさんありますが、この投稿が長くなりすぎないようにしたいと思います。このすべてに関する私の発見と、分析中に発見したいくつかの奇妙さを共有したいと思います。

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• : ( ) . SSAO, SSR, . target SSAO ?

誤解しないでください。私は誰かを非難していません（ただし、フレームレートが低いことに少し気が動転しています）。そのような決定がどのように行われたかを理解しようとしているだけです。結局、多くの人が汗をかいてこのゲームに取り組みました。彼らはおそらくゲームをさらに最適化するのに十分な時間を持っていませんでした。

あとがき

それで全部です！RDR2は、グラフィックスが優れているだけでなく、アートや照明が優れているため、見栄えの良いゲームです。すべてが驚異的に見えます。このゲームのカラーパレットに夢中になりました。特に夜になると、臆病なロバート・フォードがジェシー・ジェームス、老人の国がないこと、その他の35mm西洋人を殺したのを思い出します。