Влияние технологии рендеринга на развитие VR-тренажёров

Технологии рендеринга в реальном времени позволяют отображать сложные сцены и динамические эффекты с высокой степенью детализации и реализма, что ранее было недостижимо. Развитие этих технологий не только повысило качество визуальной составляющей VR-тренажеров, но и расширило границы возможного в дизайне, позволяя создавать все более сложные и интерактивно обучающие простран- ства. Начиная от простой растеризации и доходя до сложных техник, таких как трассировка лучей в реальном времени, разработчики ПО теперь могут воссоздать виртуальное пространство с невероятным уровнем реализма, при этом, сохраняя высокую производительность и доступность для широкой аудитории [7].

Современные VR-тренажёры – это высокотехнологичные продукты, на переднем крае которых находится рендеринг в реальном времени. Этот процесс включает в себя конвертацию трехмерных графических данных в двумерные изображения, которые затем отображаются на экране [5].

Эффективность рендеринга влияет не только на качество визуальных эффектов, но и на общую производительность игры, что критически важно для создания захватывающего игрового опыта. Растеризация и трассировка лучей показана на рисунке 1.

Растеризация преобразует 3D-модели в 2D пиксели, в то время как трассировка лучей имитирует путь света для создания реалистичных изображений. Растеризация быстра и подходит для обучающих VR- тренажёров, но менее точна в освещении, в отличие от трассировки лучей, которая более реалистична, но требует больше вычислительных ресурсов.

Рис. 1. Растеризация и трассировка лучей [1]

Слева растеризация показана как процесс, где лучи света проецируются прямолинейно из одной точки, пересекая сцену и отображаясь на экране, что представляет объекты как плоские изображения. Справа трассировка лучей иллюстрирована множеством лучей, исходящих от глаза наблюдателя, которые отражаются и преломляются объектами в сцене, создавая более реалистичное изображение с учетом световых взаимодействий. Оба метода направлены к экрану, на котором формируются итоговые изображения.

С целью визуализации используются шейдеры. Это небольшие программы, созданные на специальном языке программирования, который используется для описания визуальных эффектов в компьютерной графике. Они позволяют создавать и выводить на экран компьютера красивые, реалистичные и динамичные изображения, анимации и эффекты [1].

Вершинные и пиксельные шейдеры определяют положение вершин и окончательный цвет пикселей, соответственно, позволяя создавать сложные эффекты и детализированные сцены в играх без потери производительности.

Для лучшего понимания различных типов шейдеров и их возможностей, обобщим их в виде таблицы 1. Как можно видеть, каждый тип шейдера играет свою роль в графическом пайплайн, и способен выполнять различные задачи. « Пайплайн (от англ. pipeline – трубопровод) – это последовательность действий или процессов, которые выполняются для достижения заданной цели [1].

Таблица 1. Возможности шейдеров

Тип Шейдера	Описание	Возможности	Примеры применения
1. Вершинный (Vertex Shader)	Обрабатывает вершины модели, выполняя трансформации и другие вычисления на вершинах.	Трансформация координат, освещение по вершинам, анимация скина.	Изгиб травы под действием ветра, анимация лицевой мимики персонажей.
2. Пиксельный (Pixel/Fragment Shader)	Определяет цвета и другие характеристики пикселей на основе фрагментов.	Текстурирование, тени, отражения, постпроцессинг.	Реалистичные блики на воде, гладкие тени в играх.
3. Геометрический (Geometry Shader)	Принимает примитивы, такие как точки, линии и треугольники, и может выводить другие примитивы.	Добавление деталей, тесселяция, управление сложностью объектов.	Генерация травинок на поле, детализация поверхности воды.
4. Тесселяционный (Tessellation Shader)	Управляет детализацией геометрии модели в реальном времени.	Увеличение геометрической детализации, сглаживание поверхностей.	Детализированные ландшафты, реалистичная кожа персонажей.
5. Вычислительный (Compute Shader)	Используется для общих вычислений, не связанных непосредственно с рендерингом.	Физические расчёты, процедурная генерация, обработка данных.	Симуляция ткани, процедурная генерация уровней.

Вершинные шейдеры, например, могут манипулировать геометрией сцены, позволяя создавать динамические эффекты, такие как ветер или волны. Пиксельные шейдеры, с другой стороны, используются для создания детализированных и реалистичных текстурных и осветительных эффектов.

Вычислительные шейдеры используют GPU для задач за пределами графики, как физические симуляции и машинное обучение, расширяя возможности рендеринга и создания реалистичных виртуальных миров, чему способствует GPGPU. GPU – это специализированный процессор, который работает исключительно с графикой [1].

Рассмотрим архитектуру графического процессора и вычислительных шейдеров, которая приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Архитектура графического процессора и вычислительных шейдеров [6, 7]

Схема демонстрирует взаимодействие центрального процессора (CPU) с графическим процессором (GPU) для обработки данных. CPU посылает задачи на GPU, который состоит из блоков SIMD, объединенных в стриминговые мультипроцессоры. Каждый мультипроцессор включает в себя стриминговые ядра, детализированные как стриминговые процессоры с отдельными исполнительными элементами (PE), способными параллельно обрабатывать множество потоков данных [1].

В последнее время индустрия видеоигр и VR-тренажёров стала свидетелем значительных технологических прорывов, особенно в области рендеринга. Эти инновации не только переопределяют визуальные стандарты игр и игровых тренажёров, но и оказывают глубокое влияние на их разработку, игровую механику и взаимодействие с участниками.

Улучшение визуального качества VR-тренажёров, благодаря технологиям трассировки лучей и DLSS, играет важную роль в создании погружающей атмосферы в процессе обучения, делая виртуальное пространство более реалистичными и вовлекающими. Это особенно важно для тех направлений использования игр, где ключевое значение имеют атмосфера и детализация пространства [6].

Однако существуют технические вызовы, такие как необходимость баланса между качеством графики и производительностью, для обеспечения доступности игр и игровых тренажёров на различных платформах. «Cyberpunk 2077» служит примером использования современных технологий для создания убедительных виртуальных сред. Для расширения возможностей визуального качества и его доступности необходимы дальнейшая оптимизация и развитие аппаратного обеспечения [1].

Повышение визуального качества и сложности в новых поколениях видеоигр и VR-тренажёров ставит перед аппаратным обеспечением вызовы, связанные с производительностью и доступностью, особенно для технологий трассировки лучей и DLSS, требующих высокопроизводительных GPU. Производительность ограничена требованиями к вычислительным мощностям, что заставляет пользователей обновлять оборудование для игр с максимальными настройками графики, увеличивая затраты. Доступность становится проблемой из-за разрыва между технологическими возможностями и доступностью оборудования, исключая пользователей с устаревшими системами из погружения в новинки [6, 7].

Оптимизация и масштабируемость игр через прогрессивное улучшение, облачные технологии и AI-оптимизацию представляют собой стратегии решения этих проблем. Будущее индустрии зависит от способности разрабатывать и делать доступными новые технологии для всех пользователей, поддерживая баланс между инновациями и потребностями игроков [1].

Современные технологии рендеринга расширяют творческие возможности в разработке игровых тренажёров , позволяя создавать проекты с неосуществимыми ранее визуальными и игровыми элементами. Эти инновации вдохновляют на эксперименты с жанрами и механиками, приводя к появлению новых типов игровых опытов, делая возможным более глубокое погружение и эмоциональное воздействие.

Инди-разработчики, используя доступные современные инструменты, могут конкурировать с крупными студиями в визуальном качестве, демократизируя игровую разработку. Технологические инновации, такие как AI и облачные технологии, открывают путь к созданию динамически меняющихся игровых миров, предлагая игрокам уникальный опыт при каждом прохождении. Несмотря на вызовы адаптации к новым технологиям, перспективы этих инноваций обещают ещё более впечатляющие и погружающие в виртуальную реальность в будущем [6].

Прогресс в области графических технологий неизменно ведет к развитию игровой индустрии, предоставляя игрокам и разработчикам новые возможности для исследования и творчества. Игровые тренажёры имеют применение в различных сферах и областях (рис. 3).

Рис. 3. Игровые тренажёры и их применение в различных сферах и областях

Очень удобно применять игровые тренажёры для с ОВЗ (ограниченными возможностями здоровья. Для этого педагоги-логопеды используют компьютерные программы. Они подбираются индивидуально от имеющихся ресурсов: от времени занятий удобного для ребенка (некоторые дети активны в первую половину дня, другие лучше усваивают материал во второй половине дня); от необходимого (специального) оборудования; от программного обеспечения; от квалификации специалиста [4].

Если говорить о применении игровых тренажёров в промышленности, то как отмечают специалисты, процесс обучения новичка занимает от полугода и более, отвлечь опытного рабочего на столь долгий срок практически невозможно. Тренировки на тренажерах, разработанных к настоящему времени в России, в основном предполагают, что человек уже обучен и ему нужно просто отработать действия. Сложность состоит в том, что промышленности нужен тренажер, который будет учить, а не только помогать закреплять знания [11]. Процесс постоянного обучения и развития помогает приспосабливаться к новым требованиям и непрерывно повышать уровень компетенций [2].

Тем, кто занимается разработкой игровых тренажёров, есть над чем работать в ближайшее время.

Задача, поставленная руководством страны до 2030 года, состоит в быстром развитии производства и технологий, по- вышении производительности труда, а это предполагает процесс оптимально короткого периода обучения молодежи и тех, кто желает пройти переподготовку или получить новую профессию. Нужны новые методики, позволяющие получать новые компетенции за небольшой отрезок времени. И в этом, в том числе могут помочь VR-тренажёры, и это укладывается в концепцию технологической трансформации, предполагающей такое преобразование в национальной экономике, которое позволяет внедрить в ведущие отрасли новые современные технологии с опорой на опыт предыдущих поколений и на этой основе создать новые конкурентоспособные товары, как для национальной экономики, так и для экспорта [9]. Важно, что развитие цифровых навыков и выстраивание диалога между государством, бизнесом, научным сообществом и гражданами позволит стимулировать внедрение инноваций [8].

Таким образом, подводя итоги данного исследования, очевидно, что инновации в технологиях рендеринга, и связанные с ними разработки, продолжают трансформировать индустрию видеоигр и VR-тренажёров, открывая новые горизонты для разработчиков и участников. От трассировки лучей и ИИ-ускоренного улучшения изображений до облачного гейминга и экологически ответственных практик, эти технологии вносят значительный вклад в эволюцию игрового дизайна, повышение доступности и устойчивого развития отрасли.