AMDテクノロジーを使用したシャドウトレース：Riftbreakerでのシャドウの実装方法

Riftbreakerは、サバイバル、探索、ハックアンドスラッシュの要素を組み合わせたアイソメトリック戦略ゲームです。ExorStudios独自のSchmetterlingEngine 2.0を搭載したRiftbreakerは、ゲーム業界の最新の開発を活用しており、その1つがリアルタイムの光線追跡です。この記事では、ゲームにレイトレースを実装するときにスタジオで直面した問題と、それらに対して見つけた解決策について説明します。









動的に変化する時刻、さまざまな気象効果、および多くの探索可能なバイオームにより、リアルタイムのレイトレースはTheRiftbreakerに最適です。

レイトレースのクイックツアー

The Riftbreakerの世界は完全にダイナミックで、破壊可能です。環境内に存在するほとんどすべてのオブジェクトは、プレーヤーの影響を受ける可能性があります。植物は曲げたり、燃やしたり、溶かしたりすることができます。何千ものクリーチャーがプレイヤーの周りに群がり、画面を完全に埋めることができます。この種のゲームプレイには、完全に動的なシャドウをレンダリングするための特別なアプローチが必要です。



以前は、Schmetterling 2.0エンジンでシャドウを生成するために、リアルタイムのシャドウマップ方式を使用していました（事前に計算されたシャドウマップ自体は使用していません）。このソリューションは、シーンの完全に動的なジオメトリのために最適でした。ただし、事前に計算されたライトマップはこのジオメトリに適合しなかったため、使用できませんでした。そのため、ダイナミックシャドウマップが長い間唯一の実際のソリューションでした。それらは業界全体で広く使用されていますが、いくつかの制限があります。









ボス戦の断片。ボスに取り付けられているのは、シーンに視覚的な忠実度を追加するシャドウキャスティングポイントライトです。



最近の世代のGPUは、リアルタイムの光線追跡計算を実行するのに十分強力です。また、新しいグラフィックカードの登場により、スタジオは、従来のシャドウマッピング方法よりも優れた結果を提供するレイトレースシャドウを最終的に導入することができました。



シャドウトレースの基本原則は、シャドウマップで行われているように、光源の観点からシーンを見たり、すべての種類のシャドウキャストを探したりしないことです。レイトレースを使用すると、光線を光源に簡単に発射できます。ビームが障害物に当たった場合、そこから直接照明はありません。光源に到達した場合、影は追加されません。このアルゴリズムは非常に単純ですが、優れた結果をもたらし、一般的なシャドウレンダリングの問題に対する解決策を提供します。ただし、GPUのパフォーマンスについては非常に慎重です。









シーンの動的ジオメトリのすべての要素が影を落とす可能性があります。課題は、パフォーマンスを維持しながら、これらのシャドウを可能な限り正確に表示することでした。



まったく新しいレンダリングテクノロジーを独自のゲームエンジンに追加するのは簡単な作業ではありません。 The Riftbreakerの場合、スタジオとAMDのコラボレーションが大いに役立ちました。彼らは、レイトレースパスの結果をクリーンアップするためのレイトレースとノイズリダクションソリューションの両方を含む独自のGPUOpen RTShadowsライブラリを提供しました。ただし、このライブラリの使用を開始する前に、ゲームエンジン用のDirectX12レンダラーを開発する必要がありました。この理由は、DirectX 12Ultimate標準で導入されたDirectXRaytracing API（別名DXR）でした。このAPIは、最新のGPUの新しいシェーダーとハードウェアレイトレース機能を有効にします。









The Riftbreaker . .



AMDを使用するもう1つの利点は、ソリューションのオープンソースコードです。これにより、次世代コンソールなど、市場に出回っている最新のゲームプラットフォームと互換性のあるテクノロジーを実装できます。プラットフォームの互換性が選択とレンダリングAPIに影響を与えたことも注目に値します。 VulkanとDirectX12の2つのオプションが検討されました。Vulkanにはレイトレースが含まれていますが、このAPIはXboxまたはPlayStationでは使用できません。この記事の執筆時点では、NvidiaのみがPCでサポートしています。 DirectX 12に移行すると、XboxおよびWindows PCにネイティブのレイトレースサポートが提供され、どのメーカーのハードウェアも使用できるようになります。









気象条件が変化すると、部分的な色合いも変化します。この例では、雨が降ると影が柔らかくなり、太陽が輝くと影が鋭くなることがわかります。



レイトレースシャドウを実装する利点は、実装シナリオによって異なります。The Riftbreakerの場合、最も重要な機能は次のとおりです。

• 「無限の」シャドウ解像度：従来のシャドウマッピング方法とは異なり、シャドウの品質は被写体からカメラまでの距離に依存しません。画面上の各ピクセルには個別に計算されたシェーディングがあり、アーティファクトがちらつくことなく、より正確で安定したシャドウが得られます。
• 半影の移動：光線でトレースされた影は、雨の中の曇り空から明るい正午への移行などの状況を動的にシミュレートします。
• 影を落とす追加の光源を計算する低コスト。The Riftbreakerでのレイトレースシャドウの現在の実装では、パフォーマンスを大幅に低下させることなく、最大4つのシャドウキャスティングライトを同時に計算できます。シャドウマップの場合、ライトを追加するコストははるかに高くなります。

これらの利点はすべて、パフォーマンスが大幅に低下するという犠牲を払って実現されます。ハードウェアで高速化されたレイトレースをサポートする最新のGPUを使用しても、レイトレースなしで同じシーンを比較すると、すべてのレイトレース効果が有効になっているFPS値が最大で半分になる可能性があります。

レイトレースシャドウの実装

レイトレースされたシャドウをシーンに追加することは複雑なプロセスであり、その結果、明るいピクセルと明るいピクセルの非常に詳細なマップが作成されます。レイトレースの最初のパス中に、画面の可視領域内のすべてのピクセルの位置を復元し、これらのピクセルからそれらに影響を与えるすべての光源に光線を向ける必要があります。これらの座標は、深度バッファーから取得されます。ビームが光源に到達すると、表面が直接照らされます。ビームがその経路内の障害物に当たると、表面がシェーディングされます。さらに、プロセスを最適化するために、すべての表面光線は、光源とは反対の方向を向いた通常のマップでキャストされます。次のパスは、光線とサーフェスの交点に適用されるシェーダーのタイプを定義します。 DXR APIは、処理にシェーダーを使用します。レイトレースの結果に基づいて、既存のシェーダーテーブルと照合します。













レイトレースを使用したサンプルゲームシーン-ソフトシャドウとアンビエントオクルージョンを有効にするRiftbreakerでレイトレースを開発するために使用されるRadeonRX 6000シリーズグラフィックカードは強力で、毎秒数百万のレイを発射できます。ただし、ゲームの世界で光がどのように動作するかを正確に把握するには、より多くの情報が必要です。オフラインレンダリングの場合、これは通常、すべてのピクセルに対してすべての方向に数千の光線をキャストすることを意味します。 1秒間に60回実行することは言うまでもなく、これらの計算をリアルタイムで実行できる最新のハードウェアはありません。したがって、不完全なデータを使用して、何らかの方法で正確なシャドウマップを作成する必要があります。









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正確なデータが不足していると、多くの問題が発生し、シーンの視覚的品質が低下する可能性があります。オブジェクトのレンダリングに必要な情報のほとんどはありますが、パス、エッジ、ソフトシャドウなどの詳細はぼやけて互いに混ざり合います。フレームあたりのビーム数が限られているため、シャドウにノイズが発生します。次に、別のオープンソースGPUライブラリが登場します。AMDのFidelityFXDenoiserです。ノイズの除去は複雑なプロセスであり、過去のフレームを分析して新しいフレームに結合する時間的手法が広く使用されているために可能になりました。AMDノイズリダクションを使用すると、利用可能なデータの平均と、特定のピクセルに適用するプロパティをすばやく決定して、目に見える妥協なしに鮮明な画像を取得できます。









ノイズを取り除いた後の同じシーン









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もちろん、レイトレースシャドウの実装は、いくつかの既製のライブラリの使用に限定するほど簡単な作業ではないことが判明しました。 Riftbreakerは、特定のソリューションを必要とする独自の課題を提示します。



最初のそのような問題は、ゲームの世界に存在する膨大な数の動的オブジェクトでした。リフトブレイカーでは、多くの外来種の動植物が生息する外惑星を探索する科学者の役割を果たします。プレイヤーは時折、何千ものエイリアンの生き物の大群に襲われます。それらのそれぞれが独自の影を落とさなければなりません。風、衝撃波、他の物体から加えられる曲げ力に反応する動的植生システムと組み合わせると、これは主要な最適化の問題になっています。









何千ものエンティティがリアルタイムで相互作用します



。主な問題は、レイトレースの上部加速フレームワークがデータを処理する方法が原因でした。この構造は、レイトレースパス中に使用されるシーン内のオブジェクトに関する情報を格納します。このデータは、オブジェクトの頂点に関する情報を含む、プリベークされた低レベルの加速構造としてのみ保存できます。これは岩や建物に関しては問題ではありませんが、骨格の動的にブレンドされたアニメーションと動的な植生を備えたすべてのユニットは、事前に焼き付けられたデータの仮定と完全に一致していません。









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アクセラレーションフレームワークに必要なすべてのデータを提供するには、いくつかの重大な手順を実行する必要がありました。シーン内の各動的オブジェクトは、レイトレースパス中に処理できる完全に新しい静的モデルに個別にベイクされます。精度を維持するには、このプロセスをフレームごとに繰り返す必要があります。このタスクの複雑さは、リフトブレーカーが動的な気象システムを備えているという事実によって追加されます。このため、光源が斜めになっている可能性があります。そのため、オブジェクトは直接見えずにフレームに影を落とします。つまり、ベーキングプロセスでは、画面の表示部分だけでなく、画面の外側のオブジェクトも考慮する必要があります。









加速フレーム全体が1つのレンダリングフレームでレンダリングされます。



加速構造を準備するプロセスは、CPU計算の点で非常に面倒であり、レンダラー全体のボトルネックになりがちです。 Schmetterling Engine 2.0は、レイトレース用のシーンを準備するために必要なすべてのプロセスを集中的に並列化することにより、中央処理ユニットの負荷を軽減します。 CPUとGPUの間で操作を分散することにより、すべてのフレームでこれらすべての操作を実行するために必要な処理能力を見つけることができました。プレイヤーのベースを攻撃する約6,000のクリーチャーを含むテストシナリオの場合、CPU依存タスクを並列化することでレンダリング時間を60ミリ秒から17ミリ秒に短縮することができました（AMD Ryzen 9 3900XCPUとプレリリースバージョンのRadeon6800XTを使用）。

The Riftbreaker. , , , .

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The Riftbreakerで光線追跡技術を実装するときにエンジニアが解決しなければならなかったもう1つのユニークな課題は、わずかに異なる方法ではありますが、植生システムに関連していることが判明しました。葉で使用されるテクスチャは通常アルファテストされており、多くの場合透明な領域があります。ただし、ライカストの場合、これは問題ではありません。光線がテクスチャの透明なピクセルに当たるとすぐに、通常の「ヒット」を返します。これは、光線を生成するピクセルが影で覆われている必要があることを必ずしも意味しません。これは、ヒットしたテクセルが透明である場合、光線は光源に向かって移動し続ける必要があるためです。ゲームにはそのようなテクスチャがたくさんあるので、この問題の解決策を見つけて、AnyHitシェーダーでアルファテストのサポートを追加する必要がありました。









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スタジオのアプローチは、従来のレンダリング手法で使用されているのと同じソリューションを使用することでした。表面に当たると、交点での三角形のバリーセントリック座標が得られます。これらの座標は、光線が当たったテクスチャのピクセルを決定するのに十分ではなく、三角形の交点の位置を見つけることしかできません。ただし、この段階で、どのピークを考慮する必要があるかを判断できます。三角形の各頂点には、テクスチャリング中にグラフィックデザイナーによって割り当てられたUVW座標のセットがあります。どの三角形に陥ったか、この三角形の内側の交差点の座標、およびテクスチャのどの部分がそれをカバーする必要があるかがわかっているので、アルファテストを実行できます。









植生テクスチャの下のポリゴンは光線に対して不透明です。それらが本当に不透明なテクスチャの場所に落ちるかどうかをチェックする追加の方法を導入する必要がありました。



ただし、上記のすべてが発生する前に、加速構造はテクスチャとその位置に関する情報を渡す必要があります。このためには、基本的にGPUのデータバンクであるシェーダーテーブルが必要です。シーンで使用されているテクスチャと、インデックスバッファおよび頂点バッファでそれらに割り当てられている値が一覧表示されます。シェーダーテーブルを使用すると、後続のシェーディング手順を完了するために必要なすべてのモデルおよびテクスチャデータをすばやく取得できます。









リフトブレイカーは無人のエイリアンの世界で行われるため、ここには多くの野生動物がいます。



結果が「不透明」の場合、シェーディングデータが適用され、その特定の光線のプロセスが終了します。不透明なヒットの場合、アルファテストが実行されます。すでに述べたように、光線が表面を横切るとき、ここから、光線が衝突した三角形の点のバリーセントリック座標を取得できます。これらの座標を知り、インデックスバッファを参照すると、指定した三角形の頂点のインデックスを取得できます。これにより、UVW座標が取得されます。インデックスバッファによって提供されるデータを使用して、これらの頂点がテクスチャのどこにあるかに関する情報を頂点バッファで見つけることができます。これらすべてのアクションの後でのみ、光線が不透明な表面と透明な表面のどちらに衝突したかという質問に対する答えが得られます。交点のアルファ値が透明度のしきい値を下回っている場合、光線は引き続きシーンと交差します。

このようにして、すべてのフレームで正確な結果を取得します。画像をクリックすると拡大表示されます。



アルファテストは、従来の方法よりもレイトレースシャドウ計算の観点から材料コストを増加させるため、可能な限りそれらを回避することが最善です。ジャングルのシナリオでは、このようなビームを送信するコストは、不透明なオブジェクトに当たるビームのコストよりも約20％高くなります。透明な表面に当たる光線の数を減らすには、すべての透明なオブジェクトの表面積を制限して最適化する必要があります。The Riftbreakerのカメラビューは等尺性であるため、同時に表示されるポリゴンの数は当然制限され、GPUのパフォーマンスに影響を与えることなく、ほとんどのオブジェクトのポリゴンレンダリング時間を簡単に増やすことができます。

結論

Riftbreakerによるレイトレースの使用は、メリットがあるだけです。ゲームの世界はより信頼できるものになり、より良い没入感に貢献しています。レイトレースで追加された細部は、間違いなく知覚の向上に役立ちます。空の明るい彗星が地球上のダイナミックな物体に影を落とすのを見るのは本当に美しい光景です。曇りの日は、柔らかい影とより落ち着いたカラーパレットでプレーヤーを迎えます。リフトブレイカーは、次世代ゲームのラインナップの中で間違いなくその当然の位置を占めるでしょう。









Riftbreakerは2021年にPCとコンソールに登場します。