【最终幻想15】中物理模拟的结构以及游戏业界的乐趣
发表于2016-11-30
11月2日是在日本兵库县神户会议中心召开的【SIGGRAPH ASIA 2015】的第一天，在游戏开发专门的研究会【R＆D in the Video Game Industry】上，展开了【FINALFANTASY XV】的物理模拟的解说会议【Physics Simulation R＆D at SQUARE ENIX】。
负责演讲的 Witawat Rungjiratananon（SQUARE ENIX 动画研发工程师）
Rungjiratananon，是从东京大学加入了SQUAR ENIX的第2商务事业部，现在是SE的自研游戏引擎LuminousStudio和FFXV的物理模拟的设计和开发人员。Rungjiratananon在东京大学时以物理模拟和动画技术的专门研究为主，即便是同样的主题，学术界和游戏行业里独特和不同的部分也很多。因此这次演讲，感觉也是加入从学术界跳入到游戏业界的感想的同时，介绍FFXV开发项目中携带的技术，以独特的结构展开。
学术界和游戏产业界研究文化的不同
首先，Rungjiratananon是从学术界与游戏产业界的【研究开发的方式】的不同方面开始话题。
学术界，是选择要研究和解决的主题 ，在把研究结果用沦为来发表的【动机驱动】的世界。
学术界，是以目的驱动来进行研究开发的
另外一方面的游戏业界，开发中的团队是以想要做的表现为主题，为了实现一边参考已有的论文一边开发新的技术，是在游戏和游戏引擎中加入【成果驱动】的世界。虽然也有游戏业界的研究成果的论文发表，但发布论文并不是目的，最终还是以在游戏里实现为目的的。
游戏产业界中，是以成果驱动来进行研究开发的
Rungjiratananon提出，作为游戏业界特有的研究开发特征之一的，就是【美术设计师的存在】。
游戏业界的情况是，无论开发出多么优秀的技术，都是要有美术师来制作成果物的，如果引擎团队开放的新技术，美术师并不方便使用的话，就无法把结果反映到游戏里。因此，为了可以使用开发的新技术也需要配置方便使用的UI，为了满足美术师的要求而努力。
开发的新技术，要由美术师使用才能生效
另外，物理不正确也可以，能表现出想表现的内容就是“正义”这点，也是和学术界不同的部分。
游戏的话，为了可以看到效果，加入欺骗或造假也是允许的，与必须是物理正确的学术研究领域想比，是非常大的差异，
对资源限制的严格这个问题， 在游戏技术里也存在。游戏中，需要实时的运行开发的技术，CPU和GPU的演算资源，并不能全提供给这个技术使用。AI和图形，以及其他要素要共用计算资源。总之，开发的新技术，必须要在和其他使用计算资源的游戏要素一起运动时，也可以使用。
游戏业界的【新技术开发】，并不要求物理的正确，而是要有说服力，看起来足够好。
这样听的话，游戏业界的新技术开发，必须在各种各样的限制中来解决。
FFXV的布料模拟和毛发模拟
接下来的话题是，FFXV中导入的物理模拟，首先，Rungjiratananon对FFXV中的【布料模拟】（Cloth Simulation）进行了说明。
布料模拟，是基于顶点还是基于骨骼来实现，FFXV选择了后者
布料模拟的实现方法是，通常是生成对象的布料模型（例如衣服）的低多边形版本的模型，在顶点单位上进行模拟的方法。但是在FFXV里，为了把角色运动会翻弄布料的举动，在牺牲一些物理正确的同时，可以按照美术师的想法来运动，采用了在布料里加入骨骼的【基于骨骼的模拟】的方法。
采用这种方法的理由，Rungjiratananon解释是“SQUARE ENIX的美术师更习惯在3D模型里配置骨骼”。
美术师想要运动的要素，也要预先准备好
实际的FFXV中，把物理模拟的真实的结果，通过美术师以演出为主导来做Fake，取得运动平衡来表现，导入了像【0.0:软】，【1.0 硬】这样的骨骼运动的控制的正规化参数。另外，也加入了把实现准备好的手工制作的动画，与基于骨骼的物理模拟的结果做合成的方法。
把模拟的结果，通过美术师手动修改来取得表现平衡的结构也被导入了
毛发模拟也是，导入了很容易反映美术师表演意图的结构
关于毛发模拟，实现了头发随风的飘动，激烈的战斗动作中的摆动，这样柔软的毛发运动。另外，因为也有"角色特有形象"的漂亮发型不能破坏的“维持发型”的要求，和布料模拟一样，实现了通过骨骼来模拟毛发的运动的结构。
毛发是物理模拟来实现真实的摇摆，角色的发型不能崩坏。FFXV里，也需要对应美术师方面手动调整的要求。
同时支持模拟的毛发运动和头发风格的维持，在毛发上，导入了可以灵活控制的【柔软毛发的约束条件】和【坚硬的毛发的约束条件】来对应
实现了可以让毛发变得柔软或坚硬的灵活的系统。
使用这个系统，当角色接近静止状态时，要维持头发风格，毛发变得很硬，要漂亮的运动时，头发风格崩坏，更容易受到毛发模拟的控制。现实中的话，毛发是根据负荷移动和风力，不用关心发型的来运动，而游戏的情况是要重视角色的形象，优先漂亮的毛发运动而无视物理法则是很合理的。
根据角色的情况，变成【维持发型的硬的头发】或是【摇晃的柔软头发】
FFXV实现的风和草木的表现
FFXV，因为是以开放世界为舞台的游戏，【风】也是重要的表现要素。在FFXV中，通过带有【影像范围】【3D方向】要素的Wave函数，实现了关卡设计师可以在游戏世界的任意场所设定吹风的结构。
FFXV XV，是看不出是程序化（Procedural）实现的风的表现为目标
【设定Wave函数】的话，美术师制作设定数据很难。最后的方法，是在引擎团队开发了可以在关卡编辑器上绘制吹风情况的UI，提供给美术师使用。
只是设定Wave函数的话，美术师很难工作。
开发出用绘画UI的方式让美术师直观的设定风参数的结构
这样，通过这种结构实现的随风飘动的草木，最初一看的话是有枝叶和茎的，而实际是在板型多边形上贴了草木Texture的Billboard。
Billboard如何实现了【随风飘动】的表现？Rungjiratananon说明，是制作了用颜色的浓淡来表示【受风的影像的弯曲程度】的UI，通过视觉的来进行设定。设定的单位是顶点单位，对顶点颜色做设定。具体的，设置深色的顶点，更容易受到风的影响运动。
还有，Billboard随风飘动时，在可以设定伸缩的上限。风到什么强度，草木就不会伸展，设定了控制过度伸长的结构。
板型多边形表现的草木Billboard的随风飘动的情况和伸展控制，也可以通过绘制来设定。
还有，因为风的运动太有规则的话，看起来像作假的，在通过Wave函数生成风的强弱和方向上，导入了增加Noise的结构，使用【不规则的Texture】来给予风的强弱。例如用【V字形状分布浓淡的Texture】给予广阔草原上吹风的效果。可以做出草原在V字型上随风飘动的表现。
在Wave函数里加入Nosie，就增加了吹风的不规则性，尽管如此，还是有不足的情况。
为了表现立体的风的强弱，用浓淡Texture来设定强弱。通过这个，可以使用Texture给予的体积形状来让草木随风飘动。
回过头来，因为草木是用Billboard来表现的，看到的枝叶也实际是板型的多边形。虽然倾斜的飘动，板型多边形也会倾斜摇动，但草木产生的阴影没有变化。FFXV里，在对受风倾斜的草木Billboard做光照时，旋转草木Billboard的法线向量，也加入了扰动的动画。
随风飘动的草木阴影的复杂变化的表现，是通过法线的扰动和旋转来实现的。
完全是Fake的手法，因为法线方向是随着随风摇动的来扰动的，这样草木Billboard的光照条件每次都会变化，阴影也跟着变化。远处看的话，枝叶是以复杂的方向变化的，是相当好的方法。
研究者看到的【游戏业界快乐的地方】
Rungjiratananon在会议的最后，通过SQUARE ENIX中FFXV的开发，总结了【游戏业界快乐的地方】
Rungjiratananon所认为的，游戏业界快乐的
一个是在各种混合环境中进行开发，最新的大作游戏，是由物理和数学，AI和光学等等，各种各种的计算机科学组合而成，作为研究主题非常的有挑战性
另外，虽然基础方面还是有强硬派的科学技术，但通过这种的Fake和Trick，超越现实的【作出有很高说服力的假想世界】这点，也是游戏开发才有的魅力。
除此之外，“使用顶级美术师制作的高品位角色3D模型，进行各种技术的实验也很有意思”，“各个领域的优秀人才，拿出各自专业领域的知识，协力同一个内容制作的过程也很有意思”等等，很热情的讲述了SQUARE ENIX中工作的快乐。
原文作者：西川善司
http://www.4gamer.net/games/075/G007535/20151104067/