Como o Sony Santa Monica dominou a PlayStation 3
A história nos bastidores de God of War 3 e Ascension - e o que os entusiasma na PS4.
Ao chegarmos ao final da era das consolas de atual geração, podemos dizer que é a difícil, imperfeita, mas ambiciosa PlayStation 3 que oferece os jogos tecnologicamente mais avançados da era. O complexo equipamento pode ter exasperado nos seus anos iniciais até mesmo os melhores programadores de companhias externas, mas os donos de uma PS3 foram mimados com um leque de épicos de topo dos estúdios internos da própria Sony - na frente entre eles, o criador de God of War, o Sony Santa Monica.
God of War 3 foi um momento épico na história da PlayStation 3. Na altura, poucos acreditavam que Uncharted 2 da Naughty Dog poderia ser igualado ou ultrapassado em termos do puro feito tecnológico, mas a estreia de Kratos na PS3 subiu ainda mais a parada. Os momentos pré-concebidos nas lendárias lutas contra titãs no terceiro pareciam e jogavam-se com um nível de polimento quase ao nível CG, espantando muitos com a sua iluminação arrebatadora por pixel, detalhe rico e efeitos motion blur apurados. A pura escala da ambição apresentada aqui era simplesmente de cortar a respiração e mesmo hoje, GOW3 está entre um dos melhores exclusivos no mercado.
A evolução de GOW3 - especialmente desde a estreia na E3 2009 até ao lançamento em Março do ano seguinte - continua como uma das mais dramáticas transformações que vimos de versão de antevisão para a de lançamento, e permanece como um testamento de uma espantosa era na qual o desenvolvimento PS3 progredia em saltos colossais. Mas compreensivamente, a equipa no Sony Santa Monica olhou para esta altura um pouco mais pragmaticamente.
"Após a E3 tivemos um enorme catálogo de oportunidades para optimizações e ideias que queríamos tentar, e a optimização finalmente tornou-se no nosso foco primário. Também duplicamos a equipa de engenheiros gráficos na altura da E3," relembra o engenheiro gráfico Cedric Perthuis do Sony Santa Monica Studios.
Ben Diamand, engenheiro gráfico, também confirma que foi um período caótico para o estúdio após a apresentação e muitos ajustes na antecipação do jogo com o aproximar do lançamento. "Houve tantas melhorias técnicas importantes entre a E3 e o lançamento," diz ele. "Anti-aliasing morfológico(MLAA) foi adicionado que melhorou dramaticamente as arestas e poupou substanciais quantidades do rácio de fotogramas."
A tecnologia MLAA representou um avanço para os estúdios na altura. Desenvolvida pelo Advanced Technology Group (ATG) da própria Sony, é agora um popular processo de detecção de arestas que passou para as Unidades de Processamento Sinergético em redor do processador Cell. Crucialmente, para os artistas de efeitos do SMS, isto libertou ciclos de processamento e permitiu-lhes adicionar ao espectáculo de outras formas.
"Uma das maiores lições foi que os limites impostos pelo motor para assegurar boa performance estavam a restringir a criatividade artística, por isso tentamos remover ou quebrar esses limites tanto quanto possível."
"Na E3, o código SPU para as sombras foi literalmente activado na noite anterior - a sério - portanto foram feitas melhorias dramáticas na qualidade e performance até ser lançado. Muitos efeitos como campo de profundidade, motion blur, raios "solares" crepusculares e refracção foram ou adicionados ou melhorados em qualidade e velocidade," diz Diamand.
"Um número de melhorias de triagem foram feitas e porções do código foram movidas para os SPUs perto do final para facilitar a carga sobre o CPU. Também corremos uma passagem de ferramentas muito dispendiosas para muitos dos nossos shaders, tentando descortinar mais ciclos. Entre as coisas mais dramáticas na arte foi a adição de adequada - mais ou menos - high-dynamic range (HDR), brilho, e mapa de tons."
No entanto, apesar de uma boa recepção na crucial conferência E3, nem todos na audiência ficaram enamorados com os resultados. Certamente que a luta com Helios era impressionante, mas opiniões menos espectaculares a algumas escolhas de design deixaram os programadores a pensar sobre como afinar ainda mais os visuais.
"Lembro-me de uma pessoa o descrever como se um ecrã tivesse sido regado com alguma vaselina, que foi um pontapé, fez-me redobrar os esforços nessa área," partilha Diamand. "Quando entrou a HDR, os artistas podiam ajustar verdadeiramente a exposição e podiam criar luzes com alcance real. E apesar dos artistas terem feito um bom trabalho, foi mesmo em God of War: Ascension que aperfeiçoaram o seu uso de materiais e iluminação."
Três anos depois, GOW: Ascension mostra como esta busca para continuamente adicionar novas ferramentas e quebrar barreiras passou directamente do desenvolvimento do terceiro. Para alargar a palete criativa dos muitos designers gráficos do estúdio, ferramentas mais avançadas para texturização dos ambientes receberam atenção especial.
O erguer de God of War: Ascension
"Uma das maiores lições [de GOW3] foi que os limites impostos pelo motor (para assegurar boa performance) estavam a restringir a criatividade artística, portanto tentamos remover ou quebrar esses limites até onde possível sem perder qualquer performance. Um exemplo é o número de conjuntos UV que permitimos. Forçamos até três conjuntos UV por mistura," diz Cedric Perthuis, referindo-se à forma como o mapa de texturas se envolvia em formas específicas sobre a geometria. Para modelos de personagem complexos como Kratos, texturas independentes eram precisas para partes corporais únicas a ele, cada embrulho em redor da cabeça, tronco e membros - todas formam um "conjunto UV" editável quando achatadas.
"[Ascension] também tem mais sistemas de jogo a competir por tempo do CPU e SPU. Uma tremenda quantidade de tempo foi investida 'nos bastidores', a optimizar sistemas e a passar ainda mais do motor para a SPU."
Permitir múltiplos conjuntos UV no ambiente em redor também torna possível desenvolver um aspecto mais rico, mais natural nas montanhosas paredes rachadas e nas paredes das cavernas. Segundo Pethuis, isto acaba por ser um pouco mais dispendioso em termos de tamanho de dados e largura de banda da inserção de vértices na PS3, mas os resultados claramente o merecem.
"Com isto podíamos adicionar agora camadas de destroços, lixo ou relva e fazer com que essas camadas se expandissem suavemente por várias geometrias, enquanto anteriormente tínhamos que adicionar misturas transparentes extra por múltiplas outras misturas, que nem sempre dava bons resultados e podia ser bem dispendioso também," diz ele.
"Basicamente todos os sistemas viam os seus limites puxados," adiciona Perthuis, realçando como outras mudanças no motor duplicaram ou triplicaram o número de objectos que o motor podia gerir. Ele também descreve como o aspecto orgânico dos ambientes tinha uma base na sua mais sofisticada "mistura processual de deformação para folhagem e ervas", influenciada pelo vento e colisão."
No entanto, mesmo com tais melhorias, a sensação de quebrar as barreiras da PS3 não se sentia tão pronunciado desta vez quanto no desenvolvimento de GOW3 - algo que a equipa admite prontamente.
"De uma perspectiva gráfica 'técnica', a grande nível Ascension era mais refinamento na frente gráfica," Diamand confirma, realçando que o seu foco nos últimos três anos foi "menos sobre melhorias gráficas arrebatadoras, e mais sobre montanhas de trabalho de optimização."
Ainda assim, a lista de mudanças além das de fundo é na mesma enorme, com "sombras, muitos mais modelos, mais geometria, e um uso muito mais significante de funcionalidades shader com várias camadas e efeitos" como as áreas chave de avanços.
"Pensei que fomos ao 11 em GOW, mas Ascension vai além disso. Ascension também tem mais sistemas de jogo a competir por tempo do CPU e SPU. Uma tremenda quantidade de tempo foi investida nos fundos, optimizando sistemas e movendo ainda mais do motor para SPU."
"God of War: Ascension tem mais (e melhores) sombras, muitos mais modelos, mais geometria, e um uso muito mais significativo de funcionalidades shader multi-camadas e efeitos."
Estes novos sistemas de jogo pertencem à iluminação e animação do jogo - a recompensa quanto à jogabilidade vai além da nova habilidade de Ciclo de vida de Kratos. O Amuleto de Uroboros para lidar com estruturas gigantes pode ser recuperado ou decair a vários níveis, permitindo que o protagonista aceda a novas rotas de plataformas pelos níveis, e uma dinâmica única na manipulação do tempo para muitos quebra-cabeças. No entanto, a ideia de transformar terreno ao nosso redor pela manipulação do tempo posa um desafio particular para os designers, no que diz respeito a reverter muitos dos efeitos do jogo e a sua iluminação.
"A parte material não foi normal mas foi bem simples," diz Perthuis, descrevendo como a iluminação do SPU poderia ser "usada para revelar ou esconder camadas de materiais ou revelar objectos escondidos...estendemos isto às partículas, luzes, e a cada objecto. Depois adicionamos-lhe tempo o que foi um tremendo desafio. Por o nosso sistema de partículas a funcionar para avançar e recuar no tempo foi bem difícil. Sincronizar toda a cena com luzes, ligadas ou desligadas, físicas de destruição cozinhadas, animações de luz, e transições pós-efeitos foi extremamente consumidora de tempo."
Devido à iluminação direcional do sol nos exteriores, tendo estruturas - tais como o mecanismo do elevador no início da Ilha de Delos - despedaçar-se em pedaços e voltar a juntarem-se precisou de sombras dinâmicas, ao inv+es de pré-concebidas nos ambientes. Isto acabou por ser outra contra-partida desta mecânica. No entanto, ter a tecnologia ali para alcançar iluminação em tempo real em múltiplas peças voadoras de destroços tiveram mão para encorajar a equipa a implementar a mecânica de Ciclo de Vida em primeiro lugar.
"Tivemos a ideia de usar luzes especiais para transições entre camadas de certos materiais. Isto iria permitir-nos transições baseadas na posição do objecto no mundo, sem ter que o pré-inserir e criar um momento especial de geometria para aquele local. Também foi mais flexível e mais leve que a nossa forma tradicional de definir camadas para misturar materiais. Daqui, descobrimos que aquelas luzes poderiam ser dinâmicas, e subitamente tornou-se algo que pudemos explorar para a jogabilidade."
No que diz respeito aos efeitos de partículas em particular, Ascension permanece como um enorme salto sobre o que foi possível em GOW3. O combate está no centro de muita desta prequela, as faíscas de fricção, chamas que correm e golpes de relâmpago que os ataques das armas de Kratos demonstram vivamente. Ter tais efeitos de combate a este nível provou ser uma área vital da exploração para a equipa de arte - mas novamente, isto teve a sua génese no departamento de engenharia.
As partículas levadas ao 11
"O sistema de partículas foi imensamente melhorado, a ideia foi dar aos artistas mais controlo para conseguir melhores resultados com menos partículas." Acima disto, Perthuis revela colisão de luz e atributos de físicas são pesados nestes efeitos também. "Também adicionamos a emissão de misturas reais via sistema de partículas, que permitiram que os destroços sejam parte das reacções de destruição. Os nossos artistas estão no controlo da lista de objectos e efeitos a gerar, eles decidem quantos querem e asseguram que ficam no fotograma."
"A nossa equipa de efeitos fizeram um bom trabalho ao adicionar todo o tipo de novos e belos efeitos no jogo," adiciona Diamand, "e tivemos um novo programador, Ivan [Gavrenkov], que contribuiu imenso para assegurar que o aspecto e performance dos efeitos eram de topo."
"Se fixares nos 30...então nos combates corpo a corpo nunca tens a opção de uma experiência de combate com melhor resposta. Ao desbloquear o rácio de fotogramas, dás às pessoas do conteúdo...um grande dizer sobre como o jogo corre."
Para muitos dos estúdios de topo da Sony, por os SPUs do Cell a funcionar em várias tarefas é citado como a chave para conseguir os melhores resultados na PS3. No que diz respeito a títulos mais recentes nesta geração, tais como Killzone 3 e Ascension, o uso de MLAA é visto como integral neste processo. Como um dos métodos mais limpos, e mais eficientes no custo para remover arestas em escada de uma imagem, o contra do uso da MLAA são uns teóricos 20ms em torno dos SPUs da consola. Cedric Perthius confirma que a eficiência deste algoritmo de detecção de arestas melhorou aqui, dizendo que se tornou aproximadamente "cinco a dez por cento mais barato via optimizações adicionais, que chegaram logo após GOW3 ter sido lançado."
Outra escolha de design que passa para Ascension é a abordagem do estúdio à fixação do rácio de fotograma. Como antes, a prioridade é colocada no puxar por um jogo mais belo a correr num rácio de fotogramas livre, onde a forma habitual com outros é colocar o alvo nos 60 ou metade. Para aqueles cientes do efeito trepidante que pode surgir ao correr entre esses dois rácios pode em ecrãs a 60Hz - padrão para muitas casas - isto soa como uma decisão curiosa.
"Isto é na maioria sobre dar aos designers e artistas liberdade, e talvez alguma corda extra." Explica Ben Diamand. "Se fixas nos 30 - o nosso mínimo no alvo do rácio de fotogramas - depois nos combates corpo a corpo nunca tens a opção de maior resposta na experiência de combate. Ao desbloquear o rácio de fotogramas, dás às pessoas dos conteúdos, ao invés de aos programadores, um grande dizer em como o jogo se joga.É depois escolha sua carregar uma cena com arte linda mas potencialmente dispendiosa, ou se o combate exige um melhor rácio de fotogramas e resposta do comando."
Ao fixar nos 30FPS, Perthuis concorda neste aspecto: "Temos a opção no nosso motor, mas achamos que quanto maior o rácio de fotogramas melhor a sensação do jogo. Ao desbloquear o rácio de fotogramas podemos alcançar 35-45FPS em muitos pontos do jogo. A concepção geral é que um rácio de fotogramas irregular é perturbador para o jogador porque a animação se sente irregular e não muito suave."
"Esse seria o caso se o tempo de actualização do fotograma, que é o mesmo que o nosso tempo de animação, estivesse fixo no rácio de fotogramas irregular. Não está fixo em nada, está a flutuar em relação com a GPU, e acaba por ser bem aleatório. E isto por ter um tempo de animação de fotograma aleatório em redor do nosso tempo médio de GPU que faz com que o rácio de fotogramas desbloqueado funcione. O ruído ajuda a suavizar os visuais. Também temos motion blurs por câmara e objectos muito pesados que mistura tudo lindamente."
A sério, o uso de motion blur baseado na câmara e objectos define o aspecto cinemático da série God of War - frequentemente no seu melhor durante as aclamadas lutas contra bosses do jogo. O detalhe raramente diminui quando a câmara amplifica para uma imagem maior, tal como durante a espectacular abertura pré-concebida na cidade de Hecatonchires onde Kratos luta dentro de um bloco prisional rotativo.
"Quase tudo que vês à distância, se alguma veres amplificares, é a mesma exacta geometria. A alguns respeitos, isto é bem impressionante, mas noutros, existem algumas oportunidades falhadas para fazer com que o jogo consuma menos tempo de GPU."
Mas apesar dos resultados, Ben Diamand nota que a equipa ficou sem tempo para optimizar completamente todas as facetas do design do jogo. Por exemplo, a variação no nível de detalhe é usada em muitos jogos para reduzir a qualidade de um objecto ou textura assim que fica longe à distância. É um ajuste que vale a pena pois liberta recursos do equipamento, sendo frequentemente invisível para muitos jogadores quando implementado subtilmente.
"Testar, afinar, reescrever, repensar"
No entanto, para Ascension este nível de detalhe no céu é constante, e Diamand assegura-nos que poucos truques são usados para o reduzir.
"Aliás, a arte basicamente ficou sem espaço (e até certo nível, tempo para qualquer sério nível de detalhe,apesar de haver algum. Como resultado, quase tudo que vês à distância, se aproximares, é a mesma exacta geometria. Em alguns aspectos, isto é bem impressionante, mas noutros, houveram oportunidades perdidas para fazer com que o jogo consuma menos tempo de GPU."
Permanece então a questão, como fica a performance acima da marca dos 30FPS em muita da aventura de Kratos, e se alguma destas optimizações são mesmo necessárias tendo em conta o existente nível de performance nestas áreas.
"Geralmente quando a câmara se afasta vemos mais do céu, que tem um shader simples," clarifica Perthuis. "Portanto frequentemente temos uma redução no processamento fragmentado de shader e um aumento no processador de vértices que torna a performance bem equilibrada."
Afastar a câmara da acção é habitual durante as batalhas contra bosses, deixando que o jogador veja toda a escala da acção. Áreas tais como o Templo de Delfi demonstram estruturas colossais, o que frequentemente envolve o motor interno a mover-se muito rapidamente entre ambientes, com muitos dados de vértices e streaming de texturas. Dado que nenhuma instalação obrigatória é forçada de forma alguma sobre o disco PS3, o streaming em directo de elementos tem que ser cuidadosamente gerido para Ascension.
"Existem stream de níveis, e viajar na estátua não é muito diferente de ir de passar por quartos e corredores," diz Perthius, a respeito da cavalgada de Kratos nas três serpentes em redor do Templo de Delfi - outra das notáveis peças pré-concebidas do jogo. "Em GOW3 apenas tínhamos um streaming de nível completo, enquanto em Ascension corremos o stream de elementos individuais, e se pudesses medir a actividade do disco e do Blu-ray irias ver um permanente streaming de texturas, geometrias e objectos de jogo. Carregamos peças diferentes da estátua em níveis diferentes de detalhe baseado na tua posição."
Diamand relembra a experiência de programar esta sequência, reflectindo sobre "muitos testes, afinações, alguma reescrita, por vezes repensar um efeito ou uma perspectiva de câmara ou conjunto de elementos para melhor encaixar no que o motor é capaz."
"Não existe magia - apenas muitas pessoas realmente talentosas a trabalhar mesmo no duro para fazerem a melhor coisa que podemos imaginar."
"Surpreendente, um par de níveis multi-jogador na verdade desbravaram na performance gráfica bem mais do que alguns níveis do modo de um jogador. Foi um pouco um quebra-cabeças no final encaixar tudo."
Deixando por um momento o modo de um jogador, outra muito badalada adição ao pacote GOW em Ascension é o seu modo multi-jogador, o design central dele tem uma quantidade surpreendente em comum com a campanha a solo. De uma perspectiva do desenvolvimento, ter uma base de código partilhada para facilitar o processo de desenvolvimento - apesar de terem sido feitas mudanças específicas.
"É o mesmo motor," confirma Perthuis. ""Ao optimizar para o multi-jogador também ganhamos na performance para o modo de um jogador. Todos os nossos pós-efeitos podem ser activados ou desligados, ou a sua qualidade ajustada. Existem alguns pós-efeitos que nunca são ligados no multi-jogador, tais como campo de profundidade."
Até oito jogadores podem-se enfrentar ao mesmo tempo, outros compromissos foram inseridos para assegurar uma sobrecarga suficiente na performance. Existem bem mais variáveis neste modo, e a equipa preciso de contabilizar todos os jogadores a surgir na câmara ao mesmo tempo, ou a produzir efeitos concorrentes.
"Foi principalmente alcançado com geometria mais simples nos ambientes no nível. A quantidade de optimização feita pelos artistas para simplificar a sua geometria foi bem alta para estes níveis. Como resultado, a parte geométrica dos níveis multi-jogador podem geralmente ser gerados pelo menos duas vezes mais rápido que nos níveis para um jogador, que deixa tempo para gerar mais personagens e mais efeitos especiais," revela Perthuis.
A respeito da conveniência de ter ambos os modos a partilhar a mesma base de código, Diamand confirma que as mudanças são mesmo "radicais de uma perspectiva de jogabilidade, pois muitos sistemas foram actualizados ou até reescritos, mas graficamente é o motor idêntico."
"Surpreendente, um par de níveis multi-jogador forçou mesmo a performance gráfica bem mais do que alguns níveis de um jogador," diz ele, talvez como uma referência do exigente nível Labirinto de Daedalus construído em redor de blocos prisionais suspensos. "Foi um pouco um quebra-cabeças no fim encaixar tudo, tanto em termos de memória como performance."
Os desafios da PlayStation 4
Olhando para o futuro, é tudo sobre as plataformas de nova geração e tendo em conta os resultados que o Sony Santa Monica alcançou na PS3, apenas podemos começar a imaginar o que uma das melhores equipas no negócio podem conseguir na sua sucessora. Com a PS4 da Sony agora uma quantidade conhecida tanto para o estúdio como para o consumidor, tanto Perthuis como Diamand são rápidos a aplaudir os detalhes anunciados - como habitual, são 8GB de GDDR5 de RAM que se destacam em particular.
"Definitivamente tem a sua quota de desafios interessantes - preencher tanta memória do disco demora algum tempo. De uma perspectiva técnica, a parte DDR5 é talvez a mais interessante para mim. Mas a parte de 8GB deixa-me muito contente também, pois penso que é uma forte declaração para os RP," diz Diamand.
"A nossa abordagem não é mesmo 'até ao metal'...nunca foi...sim, optimizamos, por vezes muito, mas tentamos ser espertos quanto ao quando e onde."
Com as remasterizações em alta definição da série já um sucesso comprovado na PS3, o potencial de uma versão deluxe 1080p60 da série na PS4 é apelativo. Os primeiros dois jogos de Kratos adaptaram-se espantosamente bem para 720p e é fácil ver o quão bem o detalhe rico nos jogos GOW da actual geração iriam traduzir-se a 1080p para a próxima geração. Mas seria fácil tal versão, tendo em conta o quão de perto o Sony Santa Monica ajustou os seus códigos para a arquitectura única da PS3?
"A nossa abordagem não é mesmo 'até ao metal'," clarifica Ben Diamand. "Nunca foi realmente, e as pessoas ficam surpresas sempre que dizemos isto. Sim, optimizamos, por vezes muito, mas tentamos ser espertos quanto ao quando e onde. Quanto a GOW e a PS4, não podemos possivelmente comentar sobre qualquer coisa 'futura'..."
Perthuis dá a sua opinião:
"Podia ser feito. O equipamento PS4 é um tal tão grande em frente em termos de poder gráfico comparado com a PS3 que provavelmente não precisaríamos ir assim tão longe. A maioria senão todas as técnicas SPU que desenvolvemos e usamos na PS3 estavam lá para reduzir a carga sobre o RSX. Com a GPU PS4 provavelmente não precisaríamos dessas técnicas."
Com God of War: Ascension já disponível, o futuro é uma tela em branco para o Santa Monic Studio da Sony - agora livre para trabalhar em novos projectos se quiser. É todo um novo mundo de oportunidades: barreiras técnicas vão mover-se drasticamente com a nova geração devido à arquitectura mais amigável dos estúdios da PS4. No entanto, alguns poderiam sugerir que a espantosa apresentação visual dos jogos GOW da PS3 deveram muito ao complexo, alguns podem dizer enraivecer esquema do equipamento da actual plataforma Sony. Ao passar para ambientes de codificação mais confortáveis da arquitectura x86. irá o Sony Santa Monica sentir falta de trabalhar com os lendários exóticos SPUs?
"Sim? Conclui Diamand. "Posso dizer isso?"
"Sentes sempre falta dos que mais amas," adiciona Perthuis.