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Anti-aliasing, volume e exposição para jogos de PC e console

Este é o segundo de uma série de artigos que explica como desenvolvedores e artistas técnicos podem configurar e usar o High Definition Render Pipeline (HDRP) no Unity para obter realismo gráfico de alta qualidade. O HDRP representa um salto tecnológico na renderização em tempo real do Unity, para que você possa trabalhar com a luz exatamente como ela se comporta no mundo real.

Não deixe de ler os outros artigos da nossa série de instruções sobre iluminação de alta qualidade:

Configurações MSAA
Anti-aliasing

O caminho de renderização no modo Lit Shader afeta como você pode usar o anti-aliasing para remover bordas irregulares de suas renderizações. HDRP oferece diversas técnicas de anti-aliasing, dependendo de suas necessidades de produção.

Anti-aliasing multiamostra

Multisample Anti-aliasing (MSAA) é um método de anti-aliasing popular entre os jogadores de PC. Este é um método de hardware de alta qualidade que suaviza as bordas de polígonos individuais e só funciona com renderização direta no Unity. A maioria das GPUs modernas suporta amostras MSAA 2x, 4x e 8x.

Em seu Pipeline Assetativo, defina o Lit Shader Mode como Forward Only. Em seguida, selecione MSAA 2x, MSAA 4xou MSAA 8x para Multisample Anti-aliasing Quality. Valores mais altos resultam em melhor anti-aliasing, mas são mais lentos. Podemos ver isso mais claramente quando ampliamos a visualização da câmera.

Interface de sombreamento adiado
Limitações com MSAA

Existem algumas limitações com MSAA dignas de nota:

  • MSAA é incompatível com G-buffers de sombreamento diferido, que armazenam a geometria da cena em uma textura. Assim, o sombreamento diferido requer uma das técnicas de anti-aliasing de pós-processamento.
  • Como o MSAA lida apenas com o aliasing de bordas poligonais, ele não pode impedir o aliasing encontrado em certas texturas e materiais atingidos por iluminação especular nítida. Pode ser necessário combinar MSAA com outra técnica de anti-aliasing de pós-processamento, se isso for um problema.
Configurações FXAA, SMAA e TAA
Anti-aliasing pós-processamento

Para aplicar anti-aliasing como uma técnica de pós-processamento, use as configurações de pós-anti-aliasing:

  • O Anti-aliasing Temporal (TAA) combina informações de quadros anteriores e atuais para remover irregularidades do quadro atual. Você deve habilitar vetores de movimento para que funcione. O TAA geralmente produz ótimos resultados, mas pode criar artefatos fantasmas em algumas situações (por exemplo, um GameObject movendo-se rapidamente na frente de uma superfície contrastante). HDRP10 introduziu melhorias para reduzir artefatos típicos de TAA. A implementação do Unity reduz fantasmas, melhora a nitidez e evita oscilações encontradas em outras soluções.
  • Anti-aliasing aproximado rápido (FXAA) é um algoritmo de anti-aliasing de espaço de tela que combina pixels entre regiões de alto contraste. É uma técnica relativamente rápida que não requer grande poder computacional, mas pode reduzir a nitidez geral da imagem.
  • O Subpixel Morphological Anti-aliasing (SMAA) detecta bordas na imagem e, em seguida, procura padrões específicos para mesclar. Isso produz resultados mais nítidos do que FXAA e funciona bem com estilos de arte planos, tipo desenho animado ou limpos.

Observação: Ao combinar pós-processamento e anti-aliasing multisample, preste atenção ao custo de renderização. Como sempre, otimize seu projeto para equilibrar qualidade visual com desempenho.

Volumes com diferentes condições de iluminação
Volumes

HDRP usa uma estrutura de volume. Este sistema permite dividir sua cena e ativar certas configurações ou recursos com base na posição da câmera. Por exemplo, o nível de modelo HDRP contém três partes distintas, cada uma com sua própria configuração de iluminação. Como tal, existem diferentes Volumes que abrangem cada divisão.

Interface do Explorador Leve
Criando Volumes

Um Volume é apenas um objeto placeholder com um componente Volume. Você pode criar um através do menu GameObject > Volume selecionando uma predefinição. Caso contrário, basta criar manualmente um GameObject com os componentes corretos.

Como os componentes de volume podem ser adicionados a qualquer GameObject, pode ser difícil encontrá-los na hierarquia. O Light Explorer (Window > Rendering > Light Explorer > Volumes) pode ajudá-lo a localizar volumes em cenas carregadas. Use esta interface para fazer ajustes rápidos.

Interface de substituições de volume global
Modo Global

Defina o Modo do componente Volume como Global ou Local, dependendo do contexto relevante.

O Volume Global funciona como um “capchall” sem limites e, portanto, afeta todas as câmeras na cena. Na cena de amostra HDRP, o VolumeGlobal define uma linha de base geral de configurações HDRP para todo o nível.

Interface de substituição de volume local
Modo local

O Volume Local define um espaço limitado onde suas configurações têm efeito. Ele usa um componente Collider para determinar seus limites. Habilite Is Trigger se você não quiser que o Collider impeça o movimento de qualquer corpo físico, como o controlador do seu player FPS.

Na cena de amostra (veja a imagem na seção Volumes), cada sala possui um volume local com um BoxCollider que substitui as configurações globais.

A Sala 2 possui um Volume pequeno e esférico para o centro luminoso próximo à caixa de vidro, e a Sala 3 possui Volumes menores em seu corredor de entrada e na área de estar abaixo das luzes pendentes.

No modelo, os volumes locais substituem o equilíbrio de branco, a exposição e/ou neblina. Qualquer coisa que não seja explicitamente substituída volta às configurações globais.

À medida que sua câmera se move pela cena, as configurações globais entram em vigor até que o controlador do player atinja um volume local, onde essas configurações assumem o controle.

Dica de desempenho:Não use um grande número de volumes. A avaliação de cada volume (mesclagem, espacialização, cálculo de substituição e assim por diante) acarreta algum custo de CPU.

Campo de perfil no editor
Perfis de volume

Um componente Volume não contém dados reais. Em vez disso, ele faz referência a um perfil de volume – um ativoScriptableObject no disco que contém configurações para renderizar a cena.

Use o campo Perfil para criar um novo perfil de volume com os botões Novo ou Clonar . Você também pode mudar para outro perfil que já salvou.

Usar o perfil de volume como um arquivo facilita a reutilização de configurações anteriores e o compartilhamento de perfis entre seus volumes.

Observe que as alterações feitas nos perfis de volume no modo Play não serão perdidas ao sair desse modo.

Exemplo de nevoeiro
Substituições de volume

Cada perfil de volume começa com um conjunto de propriedades padrão. Para editar seus valores, vá para Substituições de volume e personalize as configurações individuais. Por exemplo, use Substituições de volume para modificar Nevoeiro, Pós-processamentoou Exposiçãodo volume.

Depois de definir seu perfil de volume , clique em Adicionar substituição para personalizar as configurações do perfil. Veja a imagem para ver um exemplo de como seria uma Substituição de Névoa.

Cada uma das propriedades do Volume Override possui uma caixa de seleção à esquerda, que você pode usar para editar essa propriedade. Deixar a caixa desabilitada significa que o HDRP usa o valor padrão do Volume. Os objetos de volume podem ter diversas substituições. Edite quantas propriedades forem necessárias para cada uma. Você pode marcar ou desmarcar todos eles rapidamente com o atalho Todos ou Nenhum no canto superior esquerdo.

Recursos HDRP com substituições de volume
Substitui o fluxo de trabalho

Adicionar substituições é um fluxo de trabalho importante no HDRP. Se você entende o conceito de herança da programação, as substituições de volume lhe parecerão familiares.

As configurações de volume de alto nível são o padrão para volumes de baixo nível. Aqui, as configurações padrão do HDRP passam para o volume global, que por sua vez serve como “base” para volumes locais.

O Volume Global substitui as Configurações Padrão HDRP e o Volume Local substitui o Volume Global. Use Priority, Weighte Blend Distance (descritos na seção a seguir) para resolver quaisquer conflitos causados ​​pela sobreposição de volumes.

Para depurar os valores atuais de um determinado componente de Volume, vá para a guia Volume no Rendering Debugger.

Encontre uma lista completa de substituições de volume na documentação do HDRP.

Diferença e volume de mistura
Combinação e prioridade

Como muitas vezes você precisa de mais de um volume por nível, o HDRP permite combinar volumes. Isso torna as transições entre eles menos abruptas.

No tempo de execução, o HDRP usa a posição da câmera para determinar quais volumes afetam as configurações do HDRP.

Blend Distance determina onde, ou a que distância fora do Colisor do Volume, o fade deve ser ativado ou desativado. Um valor 0 para Distância de mesclagem significa uma transição instantânea, enquanto um valor positivo significa que as substituições de volume somente se mesclam quando a câmera entra no intervalo especificado.

A estrutura de Volume é flexível e permite misturar e combinar volumes e substituições conforme achar necessário. Se mais de um Volume se sobrepõe ao mesmo espaço, o HDRP depende da Prioridade para decidir qual Volume tem precedência. Valores mais altos significam prioridade mais alta.

Em geral, defina seus valores de Prioridade explicitamente para eliminar qualquer suposição. Caso contrário, o sistema utilizará a ordem de criação como “desempate” de Prioridade, o que pode levar a resultados inesperados.

Imagens superexpostas, subexpostas e equilibradas
Exposição

HDRP usa modelos de iluminação do mundo real para renderizar cada cena. Como tal, muitas propriedades são análogas às suas contrapartes na fotografia tradicional.

Compreendendo o valor da exposição

O valor de exposição (EV) é um valor numérico que representa uma combinação da velocidade do obturador e do número f (que determina o tamanho da abertura ou abertura da lente). Você precisa definir a exposição corretamente para atingir o brilho ideal e capturar altos níveis de detalhes nas sombras e nos realces. Caso contrário, a superexposição ou subexposição da imagem leva a resultados abaixo dos desejáveis.

A faixa de exposição em HDRP normalmente fica em algum lugar ao longo do espectro acima.

Diagrama de faixa de exposição
Valor de exposição

Valores de exposição maiores permitem a entrada de menos luz na câmera, o que é apropriado para situações com maior iluminação. Aqui, um valor EV entre 13 e 16 é adequado para um exterior ensolarado durante o dia. Em contraste, um céu noturno escuro e sem lua pode usar um EV entre -3 e 0.

Você pode variar vários fatores nas configurações reais de uma câmera para modificar seu valor de exposição:

  • A velocidade do obturador: A quantidade de tempo que o sensor de imagem fica exposto à luz
  • O número f: O tamanho da abertura ou abertura da lente
  • A ISO: A sensibilidade do filme/sensor à luz

Os fotógrafos chamam isso de Triângulo de Exposição. No Unity, assim como em uma câmera real, você pode chegar ao mesmo valor de exposição usando diferentes combinações desses números. HDRP expressa o valor de exposição em EV100, que fixa a sensibilidade ao filme 100 da International Standards Organization (ISO).

Fórmula de exposição
Fórmula do valor de exposição

A fórmula acima calcula o valor de exposição.

Observe que está em uma escala logarítmica de base 2. À medida que o valor de exposição aumenta uma unidade, a quantidade de luz que entra na lente diminui pela metade.

HDRP permite combinar a exposição de uma imagem real. Basta tirar uma foto digital com uma câmera ou smartphone. Pegue os metadados da imagem para identificar o número f, a velocidade do obturador e o ISO.

Use a fórmula para calcular o Valor de Exposição. Se você usar o mesmo valor em Substituição de exposição (consulte a seção a seguir), a imagem renderizada deverá estar alinhada com a exposição do mundo real.

Você pode usar fotos digitais como referência ao iluminar seu nível. Embora o objetivo não seja necessariamente recriar uma imagem perfeitamente, combinar uma fotografia real pode eliminar as suposições nas configurações de iluminação.

Exposição em modo fixo no editor
Substituição de exposição

No HDRP, a exposição é uma substituição de volume. Adicione-o a um volume local ou global para ver as propriedades disponíveis.

No menu suspenso Modo , selecione um dos seguintes: Fixo, Automático, Histograma Automático, Mapeamento de Curvase Câmera Física.

A compensação permite alterar ou ajustar a exposição. Você pode usar isso para aplicar pequenos ajustes e “parar” ligeiramente a imagem renderizada para cima e para baixo.

Modo Fixo

O Modo Fixo permite definir o Valor de Exposição manualmente. Siga as marcas de graduação no controle deslizante Exposição fixa para obter dicas. Embora o ícone à direita tenha uma lista suspensa de predefinições (por exemplo, 13 para cena iluminada pelo sol até -2,5 para cena sem lua), você pode definir o campo diretamente para qualquer valor.

Tenha em mente que o Modo Fixo é bastante simples, mas não muito flexível. Só tende a funcionar se você tiver um volume ou cena com iluminação relativamente uniforme, onde um valor de exposição possa funcionar por toda parte.

Modo automático
Modo automático

O Modo Automático define dinamicamente a exposição dependendo da faixa de níveis de brilho na tela. Isso funciona da mesma forma que o olho humano se adapta a vários níveis de escuridão, redefinindo o que é percebido como preto.

Embora o Modo Automático funcione sob muitas condições de iluminação, ele também pode superexpor ou subexpor involuntariamente a imagem ao apontar a câmera para uma parte muito escura ou muito clara da cena. Use Limit Min e Limit Max para manter o nível de exposição dentro de uma faixa desejável. Playtest para verificar se os limites permanecem dentro da exposição esperada ao longo do nível. Em seguida, use o Modo de medição, combinado com as opções de Máscara , para indicar em quais partes do quadro aplicar a exposição automática.

A exposição automática muda conforme a câmera transita entre escuridão e luz, com opções para ajustar a velocidade. Assim como acontece com os olhos, mover a câmera de uma área muito escura para uma área muito clara, ou vice-versa, pode ser brevemente desorientador.

Modos Spot e Center Weighted
Opções do modo de medição

Automático, Histograma Automáticoe Mapeamento de Curva usam o Modo de Medição para determinar qual parte do quadro usar ao calcular a exposição. Você pode definir o modo de medição para:

  • Mediano A câmera usa todo o quadro para medir a exposição.
  • Ver: A câmera usa apenas o centro da tela para medir a exposição.
  • Centro de gravidade: A câmera favorece os pixels no centro da imagem e se espalha em direção às bordas do quadro.
  • Máscara ponderada: Uma imagem fornecida (Weight Texture Mask) indica quais pixels são mais importantes para controlar a exposição.

Máscara Processual: A Câmera avalia a exposição com base em uma textura gerada processualmente. Você pode alterar as opções de centro, raio e suavidade.

Histograma Automático
Histograma Automático

O Modo Histograma Automático leva o Modo Automático um passo adiante. Em última análise, ele calcula um histograma para a imagem e ignora os pixels mais escuros e mais claros ao definir a exposição.

Ao rejeitar pixels muito escuros ou muito brilhantes do cálculo de exposição, você poderá obter uma exposição mais estável sempre que pixels extremamente brilhantes ou escuros aparecerem no quadro. Dessa forma, superfícies emissivas intensas ou materiais pretos não subexporão ou superexporão sua saída renderizada de forma tão severa.

Use as configurações de porcentagem do histograma no modo de histograma automático para descartar qualquer coisa no histograma fora do intervalo determinado de porcentagens (imagine recortar os pixels mais brilhantes e mais escuros das partes mais à esquerda e à direita do histograma). Em seguida, use o Remapeamento de curva para remapear a curva de exposição (veja mais na seção a seguir).

Mapeamento de curvas
Mapeamento de curvas

O Mapeamento de Curvas é outra variante do Modo Automático.

No modo de mapeamento de curva, o eixo x da curva representa a exposição atual e o eixo y representa a exposição alvo. O remapeamento da curva de exposição pode refinar a precisão.

Propriedades físicas da câmera
Câmera Física

Aqueles familiarizados com fotografia podem achar o Modode Câmera Física útil para definir os parâmetros da Câmera.

Mude o modo de substituição de exposição para câmera físicae localize a câmera principal. A partir daí, você pode ativar a Câmera Física. Veja na imagem as propriedades mostradas no Inspetor.

Importantes para a exposição são o ISO (sensibilidade), abertura (ou número f) e velocidade do obturador, localizados em Câmera física. Se você estiver combinando fotos de referência, copie as configurações corretas dos dados Exif da imagem. Caso contrário, esta tabela pode ajudá-lo a estimar o valor de exposição com base no número f e na velocidade do obturador.

Diagrama de configurações de abertura
Parâmetros adicionais da câmera física

Embora não estejam relacionadas à exposição, outras propriedades da Câmera Física podem ajudá-lo a combinar os atributos das câmeras do mundo real.

Por exemplo, normalmente usamos o campo de visão no Unity (e em muitos outros aplicativos 3D) para determinar quanto do mundo uma câmera pode ver de uma só vez. Em câmeras reais, entretanto, o campo de visão depende do tamanho do sensor e da distância focal da lente.

Em vez de definir o campo de visão diretamente, as configurações físicas da câmera permitem preencher o tipo de sensor, o tamanho do sensore a distância focal a partir dos dados reais da câmera. O Unity calculará automaticamente o valor do campo de visão correspondente.

Confie nos metadados da câmera incluídos nos arquivos de imagem ao tentar corresponder a uma referência de foto real. Tanto o Windows quanto o macOS podem ler os dados Exif de imagens digitais. Você pode então copiar os campos correspondentes para sua câmera virtual.

Observe que pode ser necessário pesquisar as dimensões exatas do sensor no site do fabricante depois de derivar a marca e o modelo da câmera a partir dos metadados. Este artigo inclui uma estimativa de formatos comuns de sensores de imagem. Vários dos parâmetros inferiores influenciam o volume da profundidade de campo.

No Unity 2021 LTS, você pode controlar a distância do foco do inspetor da câmera. No componente Volume de profundidade de campo , defina o Modo de foco e o Modo de distância de foco como Câmera física.

Use Blade Count, Curvaturee Barrel Clipping para alterar o formato da abertura da câmera. Isso influencia a aparência do bokeh resultante do componente Volumede profundidade de campo .

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