Grafika ve hrách a filmech

Prolnutí techniky a estetiky

Počítačová grafika ve hrách a filmech sdílí řadu principů – fyzikálně založené modelování světla, materiálů a pohybu – ale liší se v časovém rozpočtu, měřítku a výrobní pipeline. Zatímco hry musí renderovat interaktivně (typicky 30–240 FPS) a optimalizovat každou milisekundu, filmová VFX a animace mohou pro kvalitu obětovat čas díky offline renderingu na renderfarmách. Dnešní praxe se postupně sbližuje: hry adoptují ray tracing a neurální metody, film přebírá realtime nástroje pro previz, virtuální produkci a on-set vizualizaci.

Renderingové paradigma: rasterizace, ray tracing a path tracing

• Rasterizace – projekce trojúhelníků do obrazové roviny, rychlá a předvídatelná; doplněná screen-space technikami (SSAO, SSR, SSGI) a shadow mapami pro přiblížení globálního osvětlení.
• Ray tracing – sledování paprsků v akceleračních strukturách (BVH), přesné odrazy, stíny a kontaktní průsvity; v reálném čase často s hybridní raster/RT architekturou.
• Path tracing – Monte Carlo integrace světelné dopravy s vícenásobnými odrazy; ve hrách zatím selektivně (scény/porty), ve filmu standard pro fotorealismus.
• Pokročilé techniky – path guiding (učení směrových distribucí), bidirectional path tracing, MLT; v reálném čase nasazovány omezeně s podporou denoiserů.

Fyzikálně založené vykreslování (PBR) a materiály

PBR sjednocuje vzhled napříč enginy a médii pomocí energeticky konzistentních BRDF/BSDF.

• Modely BRDF – GGX/Trowbridge-Reitz pro drsnost, Smithova maskovací/odkrývací funkce, Fresnel (Schlick/originální) pro kov/nekov (metalness).
• Texturové kanály – albedo, normal, roughness, metalness, AO; pro filmy i specular-gloss workflow a sheen/subsurface komponenty.
• Mikrostruktury – detailní normály (detail maps), parallax/relief mapping; v offline renderu displacement a tesselace v subpix rozlišení.
• Objemové a podpovrchové rozptyly – SSS (BSSRDF) pro kůži, vosk; volumetrické scattering/absorpce pro mlhu, oheň, mraky.

Osvětlení a globální iluminace

• Realtime GI – lightprobes, irradiance volumes, voxel cone tracing, screen-space přiblížení; RTGI využívá ray tracing + denoising + temporální akumulaci.
• Stíny – shadow maps (CSM, VSM, ESM), RT stíny s soft penumbra přes ray-cone/PCSS, area lights.
• Offline GI – path tracing s MIS, caustics, photon mapping; fyzicky korektní sky & atmosphere modely.
• Baking – lightmapy, light fieldy, distance fields pro SDF stíny a ambientní term; klíčové pro konzole a mobil.

Denoising, temporální rekonstrukce a upscaling

• Denoisery – prostorové a temporální filtry, neuronové denoisery (OptiX, OIDN) pro RT/film; nutná správa variance a feature bufferů.
• Temporální akumulace – TAA, TSR; potíže s ghostingem, vyžaduje kvalitní motion vectors a history clamping.
• Upscaling – DLSS/FSR/XeSS, kombinují rekonstrukci detailu s anti-aliasingem; pro film se upscaling používá spíše ve výjimečných pipeline k previzu.

Geometrie, LOD a streamování

• Virtuální geometrie – hierarchické LOD, meshlet/cluster culling, mesh shaders; virtualized geometry pro masivní scény.
• Texturové formáty – BCn/ASTC, mipmapping, anizotropní filtrování; u filmu 16bit lineární textury a UDIM s masivními rozlišeními.
• Streaming – tile-based načítání světa, virtual texturing, readback budgety a prioritizace IO.

Animace, rigging a simulace

• Rigging – skeletální animace, blendshapes, dual-quaternion skinning, IK/FK; ve filmu pokročilé muscle systems.
• Mocap a retargeting – marker-based/markerless, optické i inerciální soustavy; facial capture s FACS mapováním.
• Simulace – látky (FEM/position based), vlasy/kožichy (guide hairs + instancing), tekutiny (FLIP, SPH), oheň/dým (Navier-Stokes, VDB); hry často používají approximate varianty v compute shaderech.

Compositing, color management a tone-mapping

• Lineární workflow – práce v lineárním prostoru, LUT pipeline; film standardně ACEScg/ACES 1.0/2.0, hry přebírají ACES tone-mapper.
• Compositing – deep compositing (deep EXR) pro parciální průhlednost a volumetriku, vícevrstvé AOV (albedo, normal, z, cryptomatte) pro flexibilní grading.
• HDR – PQ/HLG, scene-referred vs. display-referred rendering, mapování jasů a správa gamutů.

Pipeline a nástroje: hry vs. film

• Hry – game enginy (Unreal Engine, Unity, vlastní), asset pipeline s DDC (derived data cache), build cook deploy, profiling (RHI, GPU markers), hot reload.
• Film/VFX – DCC nástroje (Maya, Houdini, Blender, Katana), správci verzí (ShotGrid, ftrack), USD jako výměnný formát scén, renderfarmy se schedulerem (Deadline, Tractor).
• Společné prvky – proceduralismus (Houdini), Substance pro materiály, fotogrammetrie a LiDAR pro assety, grooming nástroje pro vlasy/srst.

Virtuální produkce a LED volume

Realtime enginy mění natáčení: LED stěny s parallax-správnou projekcí prostředí, synchronizace kamery (tracking, lens distortion), fyzicky věrné osvětlení herců podle prostředí a in-camera VFX. Výhody: méně greenscreenu, realistické odrazy, iterace on set. Požadavky: nízká latence renderu, přesná kalibrace barev a expozice, robustní asset pipeline (často USD).

Neurální grafika: NeRF, Gaussian splatting a diferenciální rendering

• NeRF – neurální pole hustoty a emisivity rekonstruující scénu z fotografií; film využívá pro previz, sken lokací; v hrách zatím experimentálně pro statické části.
• Gaussian Splatting – rychlejší projekce 3D Gaussians s vysokou kvalitou detailu; vhodné pro interaktivní prohlížení a hybridní pipeline.
• Neural denoising a upscaling – NN odhadují chybějící frekvence a potlačují šum; klíčová je stabilita v čase.
• Diferencovatelný rendering – optimalizace parametrů scény (materiály, světla) gradientní metodou; použití v inverzních problémech a vědecké vizualizaci.

Postavy a realismus: kůže, oči, vlasy

• Kůže – multilayer SSS, micro-geometry (poréznost), dynamické oil/spec, microshadowing pro póry a vousy.
• Oči – cornea s IOR, iris displacement, caustics, přesná vlhkost; drobné lomy a stíny dávají „živost“.
• Vlasy/srst – víceodrazové BSDF (Marschner/Disney Hair), dual scattering, shadowing; realtime s využitím guide curves a cards.

GPU programování a moderní grafické API

• API – Vulkan/DX12/Metal s explozí explicitního řízení; asynchronní compute, barrier management, bindless zdroje.
• Programovatelné stupně – compute shadery pro culling, klastry světel, tiled/clustered/forward+; mesh/task shadery pro generování geometrie.
• RT jádra – hw akcelerace BVH traversal/intersekcí; any-hit/closest-hit programy, instancing, motion blur v BVH.
• GPGPU – fyzika, AI inference, post-procesy; nutná optimalizace paměťových přístupů a occupancy.

VFX disciplíny: matchmoving, matte-painting a FX

• Matchmoving – rekonstrukce trajektorie kamery a objektů pro integraci CG do záběru; využití markerů, solve s distorzí objektivu.
• Matte painting a environmenty – 2.5D projekce na geometrii, parallax; kombinace s volumetrickou mlhou a světelnými „gobos“.
• FX – destrukce (rigid/soft body), tekutiny, pyro; řetězení solverů (Vellum/FLIP/Pyro) a cache optimalizace (VDB, USD).

Optimalizace pro interaktivitu: profilování a rozpočty

• Rozpočet snímku – CPU (culling/anim), GPU (geometrie, světla, RT, post); přísná priorizace ms budgetů.
• Profiling – GPU timing (markers), pipeline statistics, cache misses; CPU flamegrafy, lock contention.
• Stabilita – determinismus, frame pacing, minimalizace přepínání kontextů a alokací za běhu.

Přenositelnost a cílové platformy

• Konzole – jednotná architektura, pevný výkon; důraz na data-oriented design a kompaktní layouty.
• PC – široké rozpětí GPU/CPU; škálovatelné kvality, adaptivní RT efekty, robustní fallbacky.
• Mobil/VR – omezené TDP; tiled deferred, foveated rendering, reprojekce (ASW/ATW), přísné limity šířky pásma.

Etika, realismus a odpovědné použití

• Digitální dvojníci – souhlas a kontrakty, ochrana identity; transparentní označení syntetického obsahu.
• Přístupnost – barvoslepé varianty, nastavitelné UI, foto-citlivé efekty s limity frekvencí.
• Udržitelnost – energetická efektivita renderingu, rozumné datové objemy, reuse assetů.

Workflow doporučení: od prototypu k masteru

• Definujte obrazovou bibli – referenční materiály, metrologii světel (lux, CCT), standardy expozice.
• Stanovte color pipeline – lineární pracovní prostor, ACES nebo přesně definované OETF/EOTF, konzistentní tone-map.
• PBR disciplína – měřené IOR, správné albedo/metalness rozsahy, validace materiálů pod různými světly.
• Automatizace – build-farmy, testy vizuální regrese (SSIM/LPIPS), validace LOD a kolizí.

Budoucí trendy: konvergence realtime a offline

• Full-scene realtime path tracing – s agresivní rekonstrukcí detailu a adaptivním vzorkováním.
• Neurální komprese a materiály – NN textury/BSDF, kompaktní reprezentace světelných polí.
• USD-centrická produkce – jednotná scéna sdílená hrou, filmem i virtuální produkcí.
• Procedurální světy – generativní systémy řízené pravidly a ML, s fyzikálně konzistentním obsahem.

Závěr

Počítačová grafika ve hrách a filmech se rychle sbližuje. Realtime technologie přebírají fyzikální přesnost (RT, path tracing, neurální metody), zatímco film prostřednictvím virtuální produkce a USD přebírá interaktivní iteraci. Úspěch závisí na disciplíně v PBR, robustním color managementu, efektivním renderingu a chytré pipeline, která propojí umělecké cíle s technickými limity. V další dekádě bude vizuální věrnost i rychlost stále více stavět na kombinaci fyziky a neuronových aproximací – a hranice mezi „engine“ a „renderer“ se definitivně setře.