Wat is globale belichting in games?

Global illumination is een verlichtingstechnologie voor 3D-games die scènes realistischer probeert te maken door te simuleren hoe licht zich gedraagt wanneer het weerkaatst wordt door oppervlakken om nabijgelegen objecten te verlichten. Meer basistechnieken zijn gebaseerd op wat 'directe verlichting' wordt genoemd, waarbij een lichtbron alleen een object verlicht en niets anders, wat niet overeenkomt met hoe licht in de echte wereld werkt. Met globale verlichting, of 'indirecte verlichting', kan licht weerkaatsen op een object en ook nabijgelegen objecten verlichten, wat er veel realistischer en natuurlijker uitziet.

Stel je een zonnige dag buiten voor, maar je kijkt naar de binnenkant van een donkere kamer met ramen langs de muur, en die ramen zijn voorzien van verduisterende jaloezieën. Als je de jaloezieën omhoog doet, stroomt het zonlicht de kamer binnen. Als je basistechnieken voor verlichting zou gebruiken, zou het licht op de vloer vallen en harde hoeken vormen waar het alleen de vloer verlicht, en zou het eruitzien als een raam op de vloer zelf, of een rechthoek van licht.

Met globale verlichting zou dat licht weerkaatsen en zowel het plafond als de rest van de kamer verlichten. In deze situatie, en in de echte wereld, wordt de vloer een lichtbron als er voldoende licht is om door te geven aan nabijgelegen objecten. Je kunt je voorstellen dat het grootste deel van de kamer goed verlicht wordt door het licht dat door de ramen naar binnen valt, in plaats van dat het alleen de vloer verlicht. In de onderstaande video kun je zien hoe dat eruitziet.

Hoe het eruit ziet, hangt af van het spel en hoe de belichting is geïmplementeerd, dus de resultaten zullen sterk variëren. Wat je niet vaak zult zien, zijn echt harde schaduwen, omdat licht zich in de echte wereld meestal niet zo gedraagt. Hieronder staan drie voorbeelden van hoe het er in moderne games uitziet, zodat je zelf kunt beoordelen of je het realistisch vindt of niet.

Deze game biedt global illumination en ray tracing als optie om de game te verbeteren. Hieronder laten we zien hoe dat eruitziet.

Eerst hebben we ray tracing uitgeschakeld en het spel gespeeld met global illumination ingesteld op zowel LOW als HIGH. Zoals je hieronder kunt zien, is er praktisch geen zichtbaar verschil. De lamp werpt een zeer harde en onrealistische schaduw rond de voet, met een duidelijke lijn tussen waar het licht schijnt en waar niet.

Vervolgens hebben we volledige ray tracing ingeschakeld, ook wel Path Tracing genoemd, en de globale belichting op HIGH laten staan. Het verschil is opmerkelijk. Zoals u hieronder kunt zien, wordt het licht nu verspreid rond de voet van de pilaar waarop de lamp staat en is het zeer diffuus, in feite over het hele gebied, waarbij het licht weerkaatst wordt door de rotswanden en ook de vloer verlicht. De harde schaduwen die eerder aanwezig waren, zijn verdwenen en de rotswanden rondom de scène weerkaatsen het licht rondom.

Cyberpunk 2077 heeft path tracing die globale verlichting mogelijk maakt, en met path tracing ingeschakeld zien we een levendig voorbeeld van indirecte verlichting. De pilaren aan de rechterkant van het beeld zijn bijna pikzwart wanneer ray tracing is uitgeschakeld, en worden verlicht wanneer path tracing is ingeschakeld, omdat het bord aan de muur de vloer ervoor verlicht.

Deze game heeft ingebouwde global illumination, maar er is een optie om Ray Traced Indirect Diffuse Lighting in te schakelen, waarmee je wat lichtaccenten aan oppervlakken kunt toevoegen. Kijk in deze screenshots eens naar de pijp boven de lichtbron terwijl je heen en weer veegt. Je ziet dan hoe deze bijna volledig verlicht wordt als indirecte verlichting is ingeschakeld.

Het grootste nadeel is dat het meestal gepaard gaat met ray tracing, waardoor je een krachtige GPU nodig hebt om een game op 60 fps te spelen, hoewel upscalingtechnologieën en framegeneratie kunnen helpen. Het andere nadeel is dat deze technologie niet in veel games te vinden is, omdat er een krachtige GPU voor nodig is en, als deze is ingebouwd, veel werk van ontwikkelaars. Het is meestal alleen te vinden in AAA-games voor één speler, zoals Cyberpunk, Indiana Jones, Metro Exodus, Avatar: Frontiers of Pandora en soortgelijke titels.

De belangrijkste voordelen van Global Illumination zijn dat games er realistischer uitzien. Het berekent hoe licht zou weerkaatsen en nabijgelegen objecten in de echte wereld zou verlichten, wat er meestal erg goed uitziet.

Dat is niet zo, en een manier om erover na te denken is dat globale belichting het resultaat is van een renderingsproces, en ray tracing is slechts één manier om dat eindresultaat te bereiken, maar het is niet de enige manier. Kunstenaars en programmeurs kunnen dit nabootsen door vooraf enorm veel werk te verzetten om lichtreflecties te berekenen en die belichting vervolgens in de texturen en omgevingen van het spel te bakken. Als dat te veel middelen vereist, kunnen ze vertrouwen op ray tracing, dat dit in realtime in het spel kan doen, maar dit gaat gepaard met een flinke straf, aangezien de meeste gamers nog niet over hardware beschikken die ray tracing met 60 fps kan uitvoeren.