Fiat Lux – Unreal Engine 5 ed il ruolo della luce

Nuove tecnologie direzionano l’evoluzione del gaming

– Riccardo “CapRichard” Piccinini

Negli ultimi tempi, sta prendendo risonanza la nuova versione del motore grafico Unreal Engine, identificata con il numero 5, a simboleggiare la sua quinta iterazione principale. Quello al quale si sta assistendo è un balletto ciclico nel mondo dell’evoluzione tecnologia del gaming. L’evoluzione tecnologia è tale quando diventa alla portata di tutti, così diceva Henry Ford. Da un punto di vista più pratico, questo implica una riduzione di costi che ne facilitano l’adozione.

Le nuove generazioni di console sono oramai uscite da un anno e mezzo, ma le case di sviluppo ancora faticano a lanciare progetti ad esse dedicate, puntando spesso ad uscite ancora transgenerazionali. Uno dei colli di bottiglia è dovuto anche al dover ammodernare tutti gli strumenti di sviluppo per poter trarre vantaggio delle capacità hardware e software offerte dalle nuove piattaforme. Questo ha un enorme costo, sia in termini monetari che di risorse umane. Pertanto, quando nell’aria si respira una sorta di cambio di paradigma, ci si rivolge a terze parti che costruendo strumenti usabili da tutti, permettono alle diverse realtà produttive di partire con strumenti già pronti. Questo accadde durante la prima transizione alla grafica HD, con la generazione PlayStation 3 e Xbox 360 e sta accadendo di nuovo ora.

Come vi abbiamo anche noi riportato, Square adotterà questo motore per Dragon Quest XII, CD project lo farà per il nuovo progetto Witcher, ed altri come Tomb Raider, S.T.A.L.K.E.R. 2 (chissà se arriverà visto corrente clima geopolitico) adotteranno questa tecnologia. Perché c’è questa nuova ondata di progetti Unreal 5, che ricordiamo supporta la nostra amata Switch, quali sono le tecnologie next gen che questo progetto abilita?

Principalmente due. La prima, non oggetto di questo articolo, è la tecnologia Nanite. Questa permette di automatizzare tutto il processo di creazione delle LOD, che normalmente richiedeva numerose ore di lavoro. In sostanza prende un asset a qualità massima creata dall’artista, e pensa lui in automatico a scalarne la qualità visiva in base alle condizioni di gioco ed alle performance richieste. Se volete approfondire, vi lascio 155 pagine di documentazione.

La seconda è Lumen. Il nuovo passo avanti per il rendering dell’illuminazione. La luce è estremamente importante nel nostro processo creativo. Se nella vita reale non abbiamo limiti di sorta, in quanto la luce naturale guida come percepiamo il mondo, nei mondi simulati, siamo molto legati alla capacità tecnologica che c’è dietro. Lumen è il nuovo sistema di illuminazione globale completamente dinamico, in grado di calcolare riflessi con infiniti rimbalzi e riflessi speculari indiretti, in ambienti estremamente densi e dettagliati, in grado di scalare da chilometri a millimetri.

Perché Lumen è importante? Si tratta di una forma di ray tracing software che volendo può scalare sfruttando hardware dedicato. Il Ray Tracing è una tecnica di illuminazione nota da decenni ed il suo limite è sempre stata la pesantezza del calcolo matematico. Si parte dal risultato finale, i pixel da colorare dello schermo. Per ogni pixel vengono sparati raggi che invadono la scena. Questi si scontrano contro gli oggetti ed interagiscono con essi in base alle proprietà fisiche. Colore del corpo, riflettività, ruvidità superficiale. Questo processo si ripete fino a quando i raggi non incontrano un oggetto fonte di luce.

Capire come eseguire questo calcolo nel modo più efficiente possibile è la sfida matematica dei motoristi di questi anni. Centrale per Lumen è lo sfruttamento dei Signed Distance Fields e Mesh Distance Fields insieme alle Surface Cache. Le prime due sono delle rappresentazioni matematiche che semplificano la scena con l’obiettivo di alleggerire il calcolo ray tracing, andando a snellire il processo di attraversamento e scontro del raggio sulle superfici e sulle mesh rispettivamente. Invece di controllare una rappresentazione poligonale per vedere se il raggio ha colpito o meno un oggetto, si confrontano le sue forme spaziali generali. Se volete approfondire potete farlo qui. La Surface Cache invece è una zona dove vengono salvate le proprietà geometriche degli oggetti, così da avere un indice consultabile al volo senza dover rieseguire i calcoli ogni volta. Questo permette alla tecnologia di essere veloce e sufficientemente precisa senza richiedere hardware dedicato.

Al di là dei tecnicismi, che potete sempre approfondire nelle documentazioni ufficiali di Epic, il punto che mi piacerebbe passasse, è far capire l’importanza che l’evoluzione tecnica ha sull’espressività artistica dei creatori del videogioco. Pertanto, da buon ingegnere, non riuscirei nell’intento fino in fondo ed ho quindi chiamato aiuto dal mondo dell’arte, per presentare un excursus su come l’illuminazione ha influenzato le arti “che abbiamo già accettato”. Lascio la parola a Francesca, che i più attenti potrebbero ricordare aver contribuito su queste lande, tempo fa.

– Francesca “Hylia” Infanti

Prima di cominciare a parlare di luce e arti figurative, vorrei farvi riflettere sull’importanza della luce nella percezione visiva.

Arnheim ci spiega che la percezione visiva è un processo che nasce dallo stimolo luminoso sul sistema visivo, il quale viene poi decodificato dal sistema nervoso centrale; in altre parole, senza luce non ci sarebbero oggetti: non potremmo né acquisirli attraverso la vista, né rielaborarli mediante quei meccanismi cognitivi che accadono all’interno della nostra mente, né dunque identificarli, nominarli, riconoscerli e riprodurli.

Dato che fortunatamente questa esistenza lavora col favore della luce (semicit.), vediamo brevemente come essa si comporta e quali sono le sue caratteristiche principali:

• La luce è materia immateriale che si distribuisce sugli oggetti e permette a chi osserva di fissarne le forme;
• Attribuisce qualità e texture alle superfici;
• In base alla sua intensità fornisce un’illuminazione diffusa o concentrata;
• A seconda della sua posizione rispetto all’oggetto o all’ambiente rende possibile la percezione della profondità spaziale attraverso la creazione spontanea di ombre e punti luce;
• Tutti i colori che percepiamo nascono da essa (in realtà il discorso è molto più complicato di così, ma per oggi ce lo faremo bastare). C’è una frase di Itten, che, studiando un po’ di teoria dei colori, mi rimase particolarmente impressa: “I colori sono creature della luce e la luce è la madre dei colori.”;
• Con le sue dominanti cromatiche (calde nelle luci naturali, fredde in quelle artificiali) essa cambia radicalmente la percezione dei colori.

È dunque evidente che la luce è una componente essenziale dell’elaborazione artistica. Anzi, in un certo senso potremmo dire che con un singolo raggio di luce possiamo creare tutto.

Gli artisti si sono confrontati con il rapporto luce-ombra-oggetto sin da subito: dalla preistoria ai giorni nostri, essi hanno osservato, studiato, imparato, elaborato e poi perfezionato l’arte del costruire intorno alla luce.

In alcuni ambiti essa svolge un ruolo esterno: nella scultura ad esempio, poiché ogni superficie, ogni materiale ha una propria struttura e consistenza, e dunque risponde alla luce in modo diverso, l’artista modella superfici e volumi in modo da regolarne precisamente l’impatto con una sorgente luminosa, naturale o artificiale che sia.

Emblematica è l’Estasi di Santa Teresa del Bernini, concepita espressamente per trasmettere, appunto, questo moto interiore travolgente, teatrale della santa. Capite dunque quanto sia importante il ruolo della luce che, scontrandosi con il bianchissimo marmo e i raggi bronzei, crea un impatto visivo molto forte.

Quanto all’architettura, pensiamo ad esempio al Pantheon, eretto per ricordare e celebrare tutte le divinità dell’Antica Roma. La monumentale cupola presenta un’apertura circolare che permette l’illuminazione interna dell’edificio, e vi dirò di più: ogni anno, precisamente il 21 aprile a mezzogiorno, in occasione della celebrazione del Natale di Roma, da questa apertura entra un grande fascio di luce: una simbolica, gloriosa presenza divina.

O, ancora, pensiamo alle splendide cattedrali gotiche, le cui leggere e slanciate pareti permettono alla luce di entrare maestosa attraverso vaste vetrate e rosoni, conferendo anche in questo caso un’aura mistica all’ambiente.

Nella pittura, invece, la luce diventa un elemento interno alla composizione, in cui possono apparire sorgenti luminose più o meno intense, effetti luministici come riflessi o riverberi, palette cromatiche di diversa luminosità e saturazione.

Nel XIV secolo, Cennino Cennini, celebre pittore e autore di un importante trattato sulla pittura che studiai per l’esame di Storia della Critica d’Arte, scriveva: “Analizza accuratamente la luce, scopri da dove viene; seguila, altrimenti la tua opera sarà piana”.

Luci e ombre, infatti, prima della definizione di vere e proprie regole che ne permettessero una raffigurazione corretta, sono state rappresentate in maniera approssimativa e incoerente per molto tempo.

Sarà la pittura fiamminga, nella prima metà del XV secolo, a rappresentare per la prima volta con straordinaria precisione e realismo la fonte di illuminazione nella scena dipinta: i fiamminghi infatti introdussero la tecnica della pittura a olio, un nuovo utilizzo del colore che conferiva incredibile luminosità alle opere. Per rendere l’idea, osservate come brillano i dettagli ad olio della veste della Madonna del cancelliere Rolin di van Eyck.

Anche nel Rinascimento italiano le novità non mancarono: le ombre di Masaccio, la tridimensionalità di Piero della Francesca e in particolar modo lo sfumato di Leonardo, cioè una tecnica che tende, appunto, a sfumare i contorni delle figure rendendoli meno netti e pronunciati creando così un effetto di delicata dissolvenza.

Come possiamo vedere in Sant’Anna, la Vergine e il Bambino con l’agnellino, lo sfumato è visibile nei soggetti in primo piano e anche nei monti sullo sfondo. Il maestro dosa la luce sapientemente attraverso una raffinata applicazione del chiaroscuro, che modella i volumi in modo molto soffuso e naturale.

Nel secolo successivo sarà Caravaggio a dipingere con straordinario realismo gli effetti di luce, facendo emergere i suoi personaggi da sfondi scuri che isolano ma allo stesso tempo risaltano le figure.

Osserviamo ad esempio nella Vocazione di San Matteo quella luce intensa che, provenendo da un punto esterno della composizione, taglia diagonalmente la scena e illumina come un riflettore le figure sedute intorno al tavolo.

L’influenza dello stile pittorico del Caravaggio genererà una vera e propria corrente artistica in cui la luce, protagonista assoluta della scena, assume un significato simbolico. Nelle opere di de La Tour ad esempio, spesso compare un’unica fonte di luce artificiale (candele, lucerne) che consente di esibire incredibili giochi di luce e contrasti molto forti, scenici.

Il simbolismo della luce troverà la sua maggiore espressione pittorica nelle opere di Rembrandt e Veermer, dove l’effetto di illuminazione delle figure è talmente potente che esse stesse sembrano emanare luce.

Bisogna comunque tenere conto che anche nella pittura la luce esterna svolge un ruolo importante per la percezione dei colori e per i riflessi sulle superfici.

Pensiamo ad esempio agli Impressionisti e al loro dipingere en plein air: qui la luce acquisisce fondamentale importanza, l’ambiente è percepito chiaro e luminoso, ed è per questo motivo che essi utilizzano colori puri, senza mescolanze, con risultati di grande brillantezza e luminosità.

In Bordighera di Monet ad esempio, osserviamo che i contorni degli elementi dipinti non sono netti e chiaramente tracciati: le cose non sembrano avere materia e la luminosità sembra fluire dall’interno del quadro in tutte le direzioni, come se ogni singola pennellata fosse una sorgente di luce.

Ora vorrei farvi riflettere su un altro punto fondamentale: l’importanza della luce per l’osservazione e la contemplazione delle opere.

Chi progetta l’illuminazione deve innanzitutto definire cosa illuminare, in funzione del significato, e come illuminare in funzione della costruzione narrativa. La risposta alla richiesta di una buona e corretta illuminazione dipende da due concetti fondamentali che sono la quantità e la qualità della luce. Inoltre, per esporre dei quadri, sarebbe necessario un ulteriore passaggio che consenta di avvicinarsi il più possibile al “clima luminoso” originario in cui sono stati realizzati i dipinti, questo perché è bene evitare che l’illuminazione distorca i colori e le intenzioni dei loro creatori.

Per rendere l’idea, osservate la  Maddalena penitente di Donatello: la scultura è illuminata da un faro di luce calda che crea un forte contrasto tra ombre e punti luce, mettendone in risalto i volumi scavati e sofferenti.

E quale miglior modo per chiudere il pezzo se non proponendovi un esempio di videogioco firmato Nintendo in rapporto con la luce? E non di certo un videogioco qualunque, si tratta della mia saga preferita e di uno dei titoli più importanti non solo di essa, ma dell’intera storia dei videogiochi. Sto parlando di The Legend of Zelda: Ocarina of Time.

Il video mette a confronto il titolo originale, uscito su Nintendo 64 nel 1998 e il suo remake per Nintendo 3DS, uscito nel 2011.

Quello su cui vorrei farvi riflettere non riguarda il mero miglioramento grafico, il mio intento è farvi notare come l’ambiente, gli oggetti e i volumi sono stati costruiti intorno alla luce e come questi ultimi rispondono ad essa, grazie al progresso delle tecniche creative, in modo decisamente più realistico.

Per concludere, amici, vi lascio questa perla: Ocarina of Time in Unreal Engine 5.

Sperando che, prima o poi, questo sogno diventi realtà.

– Riccardo “CapRichard” Piccinini

Grazie Francesca per l’excursus. Tutti questi ragionamenti e miglioramenti che gli artisti “classici” eseguono nel realizzare le loro opere e la loro evoluzione nel tempo è molto similare al processo che gli artisti degli ambienti, livelli, personaggi e cinematiche devono affrontare nella realizzazione di un videogioco.

Con questo per dire che siamo forse finalmente ad un miglioramento su larga scala per i giochi di nuova generazione, dove l’ideale artistico potrà trovare una migliore realizzazione pratica nel mondo virtuale. Per fare questo, nuovi strumenti software sempre più flessibili ed universali devono essere implementati, come il Lumen di Unreal e non chiusi e proprietari come la prima ondata di Ray Tracing marchiata Nvidia ha mostrato nel mondo PC.

Questi strumenti devono essere supportati dall’hardware, serve potenza. Nintendo ora come ora sembra molto contenta nel suo mondo di derivazione mobile e se si manterrà su questa strada potremmo aspettarci adozioni “in ritardo”, anche se la nuove architetture portatili stanno mostrando muscoli non da poco come su Steam Deck. Vedremo quando Nintendo deciderà di fare il salto tecnologico, sapendo che i loro artisti lavorano sempre dannatamente bene.