Как работает графика PS1

Когда в середине 1990-х годов была выпущена приставка PlayStation 1, она не только ознаменовала собой выход Sony на рынок игровой индустрии, но и возвестила о начале новой эры 3D-игр. Несмотря на свой новаторский статус, PS1 не была лишена недостатков. Аппаратное обеспечение консоли, хотя и было передовым для своего времени, накладывало существенные ограничения, которые приводили к появлению уникальных графических артефактов - косяков, определивших целое поколение игр. Давайте поговорим о технической стороне графических возможностей PS1 и рассмотрим как ее ограничения привели как к визуальным недостаткам, так и к творческим прорывам. Исследуя тонкий баланс между аппаратными ограничениями и изобретательностью разработчиков, мы узнаем, как графика PS1 стала культовой, пусть и несовершенной и почему она продолжает влиять на игры и по сей день.

Исторический контекст

В годы, предшествовавшие выходу PlayStation 1, графика видеоигр в основном определялась двухмерными спрайтами и простыми фонами. В индустрии доминировали такие консоли, как Super Nintendo Entertainment System (SNES) и Sega Genesis, которые были ограничены 2D-изображениями. Для создания иллюзии глубины и движения эти системы в значительной степени полагались на пиксель-арт и базовые техники масштабирования и вращения. По мере развития игровой индустрии желание создать более захватывающее и реалистичное окружение подтолкнуло разработчиков к изучению возможностей 3D-графики, что послужило толчком к технологическому скачку, который вскоре совершила PS1.

В то время как домашние консоли все еще оставались в 2D, аркадная сцена начала экспериментировать с 3D-графикой. Такие игры, как Virtua Fighter и Daytona USA от Sega, познакомили игроков с возможностями трехмерной полигональной графики, даже если ранние реализации были несколько примитивными. В этих аркадных играх часто использовалось дорогостоящее оборудование, которое было недоступно для домашних консолей. Однако успех этих игр доказал, что 3D-графика способна увлечь игроков так, как не может 2D, и побудил производителей консолей задуматься о том, как перенести подобный опыт на домашний рынок.

Выход Sony на игровой рынок стал результатом неудачного сотрудничества с Nintendo по разработке CD-ROM для SNES. После того как сотрудничество провалилось, Sony решила самостоятельно заняться игровой индустрией, что привело к созданию PlayStation 1. PS1 была разработана с упором на 3D-графику, в отличие от своих конкурентов, таких как Sega Saturn, которые были разработаны с более гибридным подходом к 2D и 3D. Это решение позволило позиционировать PS1 как новаторскую консоль, которая перенесет 3D-игры в дома игроков и заложит основу для будущего игр.

Выпуск PlayStation 1 в 1994 году стал переломным моментом для игровой индустрии. PS1 стала успешной не только благодаря мощной 3D-графике, но и благодаря широкой привлекательности для разработчиков и геймеров. Разрабатывать под архитектуру PS1 было легче, чем под другие консоли, что привело к созданию обширной и разнообразной библиотеки игр, демонстрирующих потенциал 3D-графики. В результате PS1 стала катализатором перехода индустрии к 3D-играм, повлияв на дизайн будущих консолей и игр. Эта эпоха положила начало 3D-играм как стандарту, и это наследие продолжает формировать индустрию и сегодня.

Техническая сторона графики PS1

Графический процессор PlayStation 1 лежал в основе ее способности к рендерингу 3D-графики. GPU PS1 был способен рендерить около 360 000 полигонов в секунду, что было значительным достижением для своего времени. Однако такая мощь имела свои ограничения. В консоли отсутствовал специальный блок вычислений с плавающей точкой, поэтому все расчеты выполнялись с использованием целочисленной математики, что часто приводило к менее точному позиционированию вершин и вызывало дрожание полигонов, наблюдаемое во многих играх для PS1.

Наложение текстур на PS1 было еще одной областью, где аппаратное обеспечение как преуспевало, так и не справлялось. Хотя консоль могла накладывать 2D-текстуры на 3D-полигоны, создавая более детализированные и визуально привлекательные поверхности, в ней отсутствовала поддержка фильтрации текстур. Из-за этого текстуры могли выглядеть пикселизированными и искаженными, особенно если смотреть на них под косым углом. Кроме того, в PS1 не было аппаратной Z-буферизации - технологии, используемой для определения глубины объектов в 3D-пространстве, чтобы правильно отрисовывать перекрывающиеся объекты. Вместо этого разработчикам приходилось применять программные методы сортировки, которые были менее точными и приводили к таким визуальным артефактам, как искажение текстур и неправильное наложение объектов.

PS1 поддерживала базовые техники затенения, такие как затенение Гуро, которое сглаживало переход между цветами на поверхности полигона путем интерполяции цветов вершин по его граням. Это позволяло создавать более реалистичные эффекты освещения, чем плоское затенение, но все равно было ограничено неспособностью аппаратного обеспечения выполнять расчеты освещения по пикселям. В результате эффекты освещения на PS1 часто были грубыми, с заметными полосами и отсутствием динамического диапазона. Разработчикам приходилось в значительной степени полагаться на готовое освещение и статичные карты света, что ограничивало реалистичность и динамичность внутриигрового освещения.

Одной из самых характерных особенностей графики PS1 было отсутствие текстурирования с коррекцией перспективы. В PS1 использовалось аффинное наложение текстур, которое не корректировало координаты с учетом перспективы зрителя. Это приводило к искажению, когда при движении камеры текстуры плыли. Хотя это и было ограничением, оно также стало определяющей визуальной характеристикой игр PS1, способствуя их уникальной эстетике. Решение отказаться от коррекции перспективы было компромиссом для сохранения производительности, что позволило PS1 создавать больше полигонов при сохранении приемлемой частоты кадров.

Для понимания того, почему аффинное наложение текстур более вычислительно эффективное чем наложением с коррекцией перспективы, нужно записать формулы обоих преобразований:

Аффинное наложение:

Это упрощенный подход, при котором координаты текстуры масштабируются линейно по отношению к глубине. Этот метод не учитывает перспективу зрителя, а значит, не корректирует искажения, возникающие при наложении текстур на полигоны, которые не перпендикулярны линии зрения зрителя. Главное преимущество этого подхода - простота вычислений: поскольку он требует только базовых арифметических операций (деления и умножения), его можно быстро выполнить даже на ограниченном оборудовании, таком как GPU PS1.

Наложение с коррекцией перспективы:

Тут мы корректируем координаты текстуры, более точно учитывая глубину , обеспечивая правильное отображение текстур под любым углом. Этот метод включает в себя более сложные вычисления, в частности операции деления, которые необходимо выполнить для каждого пикселя, что делает его вычислительно затратным. На старом оборудовании это потребовало бы значительно большей вычислительной мощности, что могло бы замедлить процесс рендеринга или уменьшить количество полигонов, которые можно было бы отобразить в режиме реального времени.

Переход на 3D как промышленный стандарт

PlayStation 1 сыграла важную роль в утверждении 3D-графики в качестве нового стандарта для видеоигр. До появления PS1 большинство игр были ограничены 2D-графикой из-за аппаратных ограничений. Успех PS1 продемонстрировал жизнеспособность 3D-графики на домашних консолях, подтолкнув индустрию к созданию полноценных трехмерных окружений. Этот сдвиг не только изменил подход к созданию игр, но и изменил ожидания игроков, сделав 3D-миры нормой. Технологии и проблемы рендеринга 3D-графики на PS1 заложили основу для будущих консолей, которые развивали и совершенствовали эти ранние инновации.

Графические приемы и ограничения PS1 оказали непосредственное влияние на дизайн последующих консолей, включая PlayStation 2 и последующие. Разработчики извлекли уроки из аппаратных ограничений PS1, таких как отсутствие Z-буферизации и коррекции перспективы, и попытались решить эти проблемы в будущем оборудовании. В PS2, например, были реализованы более совершенные возможности обработки графики, включая поддержку текстурирования с коррекцией перспективы и улучшенное управление памятью. Уроки, полученные в эпоху PS1, повлияли на разработку более мощных графических процессоров и более эффективных методов рендеринга, которые используются и по сей день.

Помимо технического влияния, PS1 оказала глубокое культурное влияние на игровое сообщество. Визуальные артефакты, которые когда-то определяли графический стиль PS1, стали знаковыми символами ушедшей эпохи в играх. В результате эти визуальные причуды теперь с нежностью вспоминаются поколением геймеров, выросших на PS1. Культурное наследие графики PS1 проявляется в том, как современные разработчики иногда намеренно воссоздают их в своих играх.

В последние годы на сцене инди-игр наблюдается заметное возрождение графики в стиле PS1. Разработчики намеренно используют визуальные артефакты и ограничения эпохи PS1, используя такие мощные современные движки, как Unreal Engine и Unity. Для этого разработчики используют сочетание низкополигональных моделей, ограниченного разрешения текстур и специфических шейдеров, которые имитируют визуальные особенности PS1. Например, они намеренно используют низкое количество полигонов, обычно около 300-500 штук, что в разы меньше, чем может обрабатывать современное оборудование. Кроме того, разработчики имитируют отсутствие в PS1 текстурирования с коррекцией перспективы путем написания собственных шейдеров, которые выполняют аффинное наложение текстур.

Еще одним важным аспектом воссоздания графики в стиле PS1 является использование дизеринга (добавления шума) и уменьшенных цветовых палитр для имитации ограниченной глубины цвета оригинального оборудования. Разработчики могут программно уменьшить глубину цвета в современных движках путем квантования цветов, происходит это примерно так:

Здесь (размер шага) определяет количество цветов, доступных в палитре, при этом меньший шаг приводит к уменьшению количества цветов. Кроме того, разработчики могут реализовать дизеринг, чередуя значения пикселей в текстуре для имитации дополнительных оттенков, что напоминает визуальный стиль PS1.

Заключение

PlayStation 1 стала поворотным моментом в истории игр не только благодаря своей роли в популяризации 3D-графики, но и благодаря уникальным визуальным артефактам, определившим ее эстетику. Аппаратные ограничения PS1 были не просто недостатками, а неотъемлемыми аспектами ее индивидуальности, которые сформировали целое поколение игр. Эти особенности, изначально воспринимавшиеся как технические проблемы, впоследствии стали знаменитыми особенностями, вызывающими ностальгию и продолжающими влиять на дизайн современных игр.

Оценив графику PS1 через призму современных технологий, мы видим, как разработчики сегодня стремятся воссоздать эти характерные визуальные стили с помощью таких передовых движков, как Unreal Engine и Unity. Такое постоянное признание графики эпохи PS1 подчеркивает долгосрочное влияние эстетики консоли и говорит о том, что то, что когда-то считалось недостатками, может стать источником вдохновения и инноваций.

Если вам интересны такого рода посты, можете подписаться на мой telegram, там я пишу посты поменьше. В основном я затрагиваю темы применения математики (от базовой до нейросетей) в видеоиграх, но также уделяю внимание видеоиграм как области искусства.