3D: мир на кончике ствола


В 1993 году появился DOOM. С тех пор шутеры выросли и размножились, картинка расцвела и стала детальнее. В изменяющемся мире First Person Shooter (FPS) существует лишь одна константа — занимающий изрядную часть экрана — ствол. Нет ствола, значит, есть рука. Нет руки — будет хвост, как в Alliance vs. Predator. Игроки постоянно тратят деньги на оживление картинки. Однако справа и внизу она почти всегда неподвижна. Это не случайность. Более того, если ствол убрать, играть будет неудобно: так устроена человеческая психика.

Задумываться над механизмами зрительного восприятия окружающей действительности люди начали давно, но вкладывать серьезные средства — лет шестьдесят назад. Задача была поставлена приблизительно так: Америке нужно много очень хороших пилотов, таких, которым можно доверить стратегический бомбардировщик или палубный штурмовик (посадка — сложное дело, особенно, когда аэродром плывет и слегка покачивается). Проблема в том, что часть курсантов-добровольцев к летному делу не пригодна. Заранее их выделить при помощи медиков не получается, а учить всех подряд накладно. Если физически они одинаковы, а функционируют по-разному — наверное, все дело в душе? Начались поиски закономерностей восприятия реального мира. В результате спустя много лет после войны появился «Экологический подход к зрительному восприятию» Джеймса Гибсона.

«Экологический» — потому что роль зрения оценивается с точки зрения естественного отбора. Зачем оно возникло и существует? Потому что повышает приспособляемость: у слепого меньше шансов выжить. В чем уникальность зрения? Оно дает возможность на расстоянии, не вступая в непосредственный контакт, «ощупывать» и «пробовать» предметы и среду. Человек постоянно сканирует все вокруг в поисках новой информации. Световой поток на сетчатке непрерывно меняется. Как только форма границ световых пятен, соотношение их цветов, яркости и контрастности расценивается психикой как совпадающее с записанной в генетической памяти схемой (она называется «инвариант»), в субъективной картине мира появляется образ.

Гибсон создал подробную, логичную и готовую к использованию теорию. Наиболее массовое, последовательное и доступное ее приложение — First Person Shooter. Вот что мы имеем, держа в руке книгу и глядя на экран:

Инвариант неба [1] (картинка из DOOM, текст — из Гибсона) — текстура с размытым рисунком, неподвижная при продольных и поперечных перемещениях, но поворачивающаяся вместе с головой (цвет не важен). Если человек видит «это» над головой, он ведет себя так, как будто над ним действительно небо.

Самым главным является инвариант Присутствия [2]. В реальном мире — кончик носа. Он всегда занимает одну и ту же часть поля зрения. Движения видимого мира воспринимаются относительно этого расплывчатого пятна. В DOOM его роль выполняет конец ствола. Как только психика принимает его как инвариант, игрок попадает в мир First Person Shooter (FPS).

Это — [3, 4, 5] — инвариант удаленности: чем текстура дальше, тем она «серее». В реальном мире цвет объектов изменяют воздух и содержащаяся в нем пыль. Когда горожане попадают в горы (атмосфера разрежена и пыли почти нет), этот инвариант приводит к ошибке: горы кажутся ближе, чем они есть на самом деле. На рисунке видно семь градаций изменений цвета. Если прижать палец к экрану (прямо на серой полосе рядом с кончиком ствола) и потыкать кнопки «вперед-назад», то виртуальный мир будет двигаться, а оттеночная полоса — нет. В современных играх функцию инварианта удаленности выполняют еще и mip-уровни, да и цвет меняется более плавно.

На рисунках внизу — Unreal. Вдали и вблизи один и тот же источник огня имеет разный оттенок.

    

В реальном мире «жизнь цвета» еще более причудлива. Цвет экрана выключенного монитора заметно светлее, чем буквы этого текста. И как бы ни было это парадоксально с физической точки зрения, наш мир гораздо более психологичен, чем это кажется с первого взгляда.

Из чего именно построен образ: из инвариантов и излишней информации или только из инвариантов — в большинстве случаев не имеет практического значения. Главное, чтобы данный выбор инвариантов позволял удачно решать задачи текущей деятельности. Например, для нетребовательного меломана mp3 по качеству равен CD. А вот для студийной работы над альбомом нужно все как есть. Те же самые экономические причины, что заставляют менять CD на mp3, вынуждают изымать из 3D-мира не-инварианты. Реалистичность образа в игре во многом зависит от того, насколько художнику удается правильно собрать его из инвариантов.

Особенно это заметно на сложных объектах, таких, например, как пламя огня или поверхность воды. Впервые в 3D образ огня появился в «Hexen II» и «Quake». Источник огня был небольших размеров (факел). Смотреть на него полагалось издалека, снизу или сбоку. При ближайшем рассмотрении пламя оказывалось несколькими циклически сменяющими друг друга светлыми фигурами, похожими на четырехугольные пирамиды с изломанными кромками. Длительность цикла — около секунды.

Следующий уровень — «Unreal». Здесь использован целый набор разных инвариантов. Образ свечи создает неподвижная светлая треугольная пирамида. Источник огня покрупнее — факел образуют четыре вертикально ориентированные тонкие плоские фигуры. Они имеют одинаковую форму, близкую к прямоугольному треугольнику. Одним катетом (перпендикулярным полу) они соприкасаются. Другой катет каждого «треугольника» лежит в параллельной полу плоскости. Если смотреть на факел сверху, то он выглядит как крест из светящихся линий. Когда факел расположен у стены, крест уплощается, становясь похожим на букву «Х». Более крупный источник огня составлен из шести «треугольников», самый крупный — из восьми, сверху они выглядят как Мальтийский крест.

По поверхности «треугольников» обычно поднимаются снизу вверх волны, иногда они расходятся веером от прямого угла. Приближаясь к гипотенузе, волны становятся прозрачными, невидимыми.

Цвет пламени может быть почти любым: красным, желтым, синим, фиолетовым. Оттенок зависит от расстояния между точкой наблюдения и источником огня. Белый и зеленый цвет не используются: белый огонь человек воспринимает как пар, зеленый делает пламя похожим на воду.

Воду (поверхность жидкости) обычно создают сложные подвижные узоры на плоскости (по Гибсону). От скорости перемещения узоров зависит тип жидкости, которую увидит игрок (вода, спирт или масло). Мелкие лужи наиболее реалистичны. Когда площадь поверхности становится больше, образ иногда теряет устойчивость.

Собственно говоря, в статике или под непривычным углом зрения образ вообще мало убедителен. Кажется странным, что человек эти причудливые сооружения может принять за огонь или воду. Тем не менее это уже происходило сотни миллионов раз.

Следует добавить, что первоначально разговор об инвариантах возник задолго до Гибсона. В конце девятнадцатого — в начале двадцатого века многие художники экспериментировали с цветом и формой. Графический авангард — это серьезно. В 1918 году Малевич участвовал в оформлении Красной площади к параду. Сегодня то, что тяготеет к классике, намного проигрывает по коммерческой стоимости авангарду. При всей условности данного деления тенденция очевидна. Отказ от фотографического сходства в пользу психологического наиболее полно проявился в мире 3D.

Человек воспринимает только те события, которые связаны с выживанием. В видимом мире нет законов сохранения вещества. Вода из лужи в солнечный день просто исчезает, как и кусок сахара в чашке горячего чая. В виртуальном мире боеприпасы с тихим звяканьем исчезают из поля зрения, когда игрок подходит достаточно близко — и это не вызывает потерю чувства реальности, потому что именно так мы видим окружающий нас мир.

Человек редко рассматривает что-либо неподвижно. Обычно в этом процессе участвует все тело: человек подходит ближе, отходит дальше, наклоняет голову, поворачивает предмет в руках («вычерпывает» инварианты). Чем полнее в виртуальной действительности можно использовать сложившиеся в реальном мире навыки его построения, тем правдоподобнее будет виртуальный мир.

Первоначально чувство реальности виртуального мира создавалось при помощи Системы виртуальной реальности («шлем» и «перчатка» Джарона Ланье). Затем (по экономическим причинам) подвергся редукции датчик положения шлема в пространстве. Сначала — до клавиатуры. В 1998 году к ней прибавилась «мышь» («Quake II», «Unreal»). В основе этого решения лежит принцип блочного устройства психики и мозга. Оказалось, что игрока проще научить заменять один блок (управляющий мышцами шеи и глаз) на другой (контролирующий движения кончиков пальцев), чем заставить его купить шлем.

Психологический метод замены блоков был впервые опробован в военном госпитале на Урале чуть больше полувека назад. Надо было возвращать к нормальной жизни раненных в голову солдат. Нейрохирург может извлечь осколок или пулю, но он не может вернуть утраченный участок мозга. Однако его можно эмулировать. Например, после черепно-мозговой травмы человек не может ходить, хотя с ногами у него все в порядке. Тогда его учат наступать на разбросанные по полу бумажки. Это другой блок. Если он уцелел, то таким образом двигать ногами человек сможет. Затем его учат мысленно представлять эти бумажки на полу. Через какое-то время он перестает это осознавать и начинает просто ходить. Главное, точно знать, что на что можно менять. Война дала для этого достаточно данных. До сих пор время от времени ученые со всего мира съезжаются в Москву на чтения, посвященные памяти одного из основателей этой теории — Александра Романовича Лурия.

Второй этап редукции шлема — отказ от стереоизображения. Если сопоставить угловое разрешение сетчатки, ограниченное размерами составляющих ее клеток («колбочек» и «палочек»), и расстояние между глазами, то выясняется, что человек видит мир плоским уже в трех-четырех метрах от своего лица. Если объект отодвигается еще дальше, различия в его проекциях на сетчатку обоих глаз становятся меньше размеров клеток-фоторецепторов. Оптическое различие по-прежнему существует, но изменить состояние сетчатки оно уже не может, поэтому человек его не воспринимает. Вклад стереозрения в «объемность» видимого мира невелик. У него другая роль — повышать четкость изображения, увеличивать угол обзора и компенсировать «слепое пятно» каждого глаза («слепое пятно» — место, где из глаза выходит зрительный нерв, здесь зрительное восприятие внешнего мира полностью отсутствует).

В результате современный путешественник по виртуальному миру неподвижно смотрит на монитор, слушает звук из колонок, одновременно манипулируя обеими руками. Кисть правой руки движется в горизонтальной плоскости с амплитудой 1-2 см, кончики среднего и указательного пальцев нажимают на левую и правую кнопки «мыши». Левая рука лежит на клавиатуре, кончики среднего, указательного и безымянного пальцев большую часть времени нажимают одни и те же три кнопки. Как только скорость создания изображения превышает 25-30 кадров в секунду, игрок начинает ощущать реальность виртуального мира. При этом роль кончиков пальцев не настолько уж меньше роли глаз.

Чувство реальности возникает не только на основе визуальной информации. Весомый вклад вносят ощущения тела. Блочное строение психики позволяет их эмулировать за счет других каналов восприятия. Функциональное состояние тела (готовность к определенной деятельности) часто передается с помощью визуального канала информации.

Первоначально эта задача решалась при помощи процентного индикатора. Он сохранился и сейчас, но теперь, если резко меняется функциональное состояние, индикатором становится весь экран.

Речь идет в первую очередь о нанесении ущерба игроку. В этот момент в любой популярной FPS экран вспыхивает. Огнестрельные ранения со времен DOOM кодируются красным цветом. Недостаток кислорода — белым (Unreal). Отравление — зеленым (Daikatana).

Временную «неубиваемость» в DOOM II давал вот такой артефакт (см. рис. справа). После соприкосновения с ним виртуальный мир становился черно-белым. Защитный скафандр окрашивал виртуальный мир в зеленый цвет.

Технически более сложная кодировка — не цветом, а «качанием» поля зрения.

    

На рисунке слева нормальное состояние игрока (Half-Life), справа — сразу после повреждения. По сравнению с цветовым это более грубый и мощный метод. Им сложно передать тип повреждения, но эффективность выше. Особенно это заметно в эпизоде с рыбами.

В норме, как бы человек ни крутил головой, он знает, что реальный мир остается в покое. Он даже довольно точно представляет, что именно происходит сзади. Сильное отравление (алкоголем, например) — и мир начинает «штормить». Это не человек падает. Это асфальт встает на дыбы. Как правило, в этот момент человек испытывает большой дискомфорт.

В целом тенденция к усложнению характерна для кодировки не только функционального состояния, но и информации об окружающей среде.

Смена воздушной стихии на водную раньше тоже обозначалась только цветом (скорее, сине-зеленым оттенком). Вероятно, одно из самых эргономичных решений — Unreal. Затем к цвету добавились движения поля зрения. После погружения в воду в Quake III Arena изображение на мониторе начинает ритмично (период — 1-2 секунды) на несколько процентов сжиматься и растягиваться в вертикальном и горизонтальном направлениях. Эти пульсации менее заметны, чем «качание» в Half-Life, поэтому проиллюстрировать их в данной статье не удалось.

Подводя итог всему вышесказанному и возвращаясь к стволу на экране First Person Shooter, следует заметить, что как бы ни менялись графические движки и видеоускорители, часть экрана, чуть справа и внизу, по-прежнему будет неподвижна. А вот от X-Box следует ожидать «утолщения» визуальной нити данных между экраном и человеком. Появятся в широком пользовании новые ресурсоемкие инварианты. Судя по скрин-шотам Unreal-2 — новые источники огня. Если говорить не о количественном, а о качественном росте, ожидается появление новых игровых событий и сред.

Сила «стрелялок» — в их «первоперсонности». Одно дело — наблюдать за персонажем со стороны, совсем другое — влезть в его шкуру. Это дает много преимуществ перед любыми другими языками культуры. Данная статья посвящена описанию механизмов, обеспечивающих психологическую идентификацию с героем игр. Зачем, отчего и почему люди отправляются в виртуальные миры, вы узнаете из следующих.




Дополнительно

iXBT BRAND 2016

«iXBT Brand 2016» — Выбор читателей в номинации «Процессоры (CPU)»:
Подробнее с условиями участия в розыгрыше можно ознакомиться здесь. Текущие результаты опроса доступны тут.

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.