Как сделать динамическую смену дня и ночи

Время на чтение: 7 мин.

Опубликовано: 30.08.2025 · Обновлено: 30.08.2025

Динамическая смена освещения и небесной картины придаёт сценам глубину и ощущение проходящего времени. Принцип состоит не только в повороте источника света, но и в синхронном управлении цветом неба, интенсивностью теней, атмосферной рассеянностью, появлением звёзд и поведением облаков. Важна не столько математическая точность, сколько визуальная правдоподобность и контролируемая производительность для конкретной платформы.

Цели и требования к системе

Определение целей позволяет выбрать подход: требуется ли астрономическая точность для симулятора или художественная, стилизованная смена для игры. Для симуляций важны широта, долгота, дата и время, положения солнца и луны, фазы и корректные времена заката и рассвета. Для игровых приложений важнее плавность переходов, управляемая цветовая палитра и минимальное влияние на производительность.

Сформулировать требования означает также определить масштаб времени: реальное, ускоренное или ступенчатое. Частые пользовательские сценарии — цикл 24 часа за 20 минут, синхронизация с системным временем, возможность заморозить момент суток. Наличие интерфейса для художника, где можно редактировать кривые интенсивности и цвета, значительно ускоряет настройку визуала.

Основные компоненты системы

Каждая продуманная реализация состоит из наборов взаимосвязанных модулей: глобальное время, вычисление положений светил, управление освещением и тенью, генерация неба и облаков, пост-обработка и оптимизации. Отдельная подсистема должна отвечать за события, привязанные ко времени суток: включение уличного освещения, изменение поведения NPC и звуковые переходы.

Архитектурно рекомендуется разделение логики времени и визуальных переключателей. Время предоставляется в нормализованном виде от 0 до 1, а визуальные модули подписываются на его изменения, применяя собственные кривые и правила интерполяции. Такой подход упрощает добавление новых эффектов и тестирование.

Система времени

В основе лежит счётчик, который преобразует внутреннюю метку в угол поворота светила. Принять формат: время суток в секундах, нормализованное значение dayProgress = (timeOfDaySeconds / secondsPerDay) mod 1. Значение dayProgress переводится в углы: угол от 0 до 360 градусов для полного оборота солнца. При необходимости учитывать сезонные изменения можно вводить наклон орбиты, влияющий на высоту солнца в небе.

Функции контроля должны предусматривать паузу, ускорение, синхронизацию с реальным временем и сохранение состояния. Для удобства добавляются редакторские инструменты: слайдер времени, кнопки перехода к утру и ночи, визуализация угла солнца.

Вычисление позиции солнца и луны

Для визуального эффекта достаточно вычислять направление окружающего источника света через сферические координаты. Примерный алгоритм: длина окружности соответствует 24 часам, азимут задаёт направление вдоль горизонтали, высота задаётся через отношение времени и наклона орбиты. Формулы в упрощённом виде: theta = dayProgress * 2π, высота = sin(theta) * maxElevation, направление = normalize(vec3(cos(theta) * cos(lat), sin(height), sin(theta) * cos(lat))). Для более точных результатов применяются астрономические формулы азимута и зенитного угла, зависящие от даты и географических координат.

Луна вычисляется отдельно, с учётом её фазы и смещения по отношению к солнцу. При художественном подходе фаза можно управлять кривыми и текстурами, а направление луны задаётся как противоположное солнцу с небольшим смещением по азимуту.

Интерполяция освещения и цветов

Освещение меняется не мгновенно, а по кривым. Для интенсивности направления света, цвета рассвета и цвета неба используются кривые зависимости от угла солнца или от dayProgress. Применяются экспоненциальные и кривые Эрланга для имитации быстрого роста света после рассвета и медленного погасания сумерек. Ключевые параметры: интенсивность солнечного света, цветовая температура, цвет рассеянного света, сила небесного купола и наличие контраста в тенях.

Рекомендуется использовать градиентные текстуры или 1D LUT, которые задают цвет неба в зависимости от высоты солнца. Такой подход экономичен и легко настраивается художниками.

Рендеринг неба и атмосферы

Небо — визуальный центр системы смены дня и ночи. Простая реализация — небо в виде градиента по высоте с добавлением солнца и звёзд. Более сложные решения используют модели атмосферного рассеяния для реалистичных оттенков при закате и рассвете.

Простые подходы: градиент и skybox

Самый экономный метод — экранный градиент, где верхняя и нижняя точки неба задаются цветами из кривой по углу солнца. Солнце отрисовывается как яркая точка с ореолом, а облака — плоские текстуры, проецируемые на купол. Для ночи используется другая палитра и звёздная карта, включаемая при падении яркости солнца.

Преимущество простых методов — минимальная нагрузка и предсказуемость. Недостаток — меньше правдоподобности в узких углах света, нет эффекта рассеяния, придающего закатам глубину.

Продвинутые методы: атмосферное рассеяние

Полноценные модели атмосферного рассеяния, такие как модель Прита и её расширения, дают реалистичную окраску неба. Характерные параметры: коэффициенты Рэлея и Миера, масштаб высоты атмосферы, спектральная зависимость. Для реального времени используется упрощённая версия или предвычисленные таблицы (precomputed scattering), что позволяет получить реалистичную динамику при умеренной нагрузке.

При выборе модели учитывать платформенные ограничения; на мобильных устройствах предпочтителен гибридный подход: простая модель в пиксельном шейдере плюс LUT для коррекции цвета.

Облака и погодные эффекты

Облака формируют атмосферу сцены. Простые облачные слои реализуются с движущимися текстурами и альфа-прозрачностью. Более высокого качества результат достигается через двухслойные карты, с детальной верхней частью и тонким облачным низом, создающим дымчатую тень.

Инструменты для облаков

Генерация облаков возможна через шум Перлина или вороного вида Worley noise, комбинируемых в 3D- или 2D-текстуры. Для имитации объёмности используется глубокое смешение нескольких слоёв с различными скоростями и масштабами. На сильных платформах применяются настоящие объёмные облака с трассировкой света, на мобильных — шумовые карты и имитация объёма через multiple scattering в шейдере.

Контроль плотности, скорости движения, направления ветра и высоты слоя интегрируется в систему времени, чтобы облачность корректно изменялась в течение суток.

Освещение облаков

При положении солнца близко к горизонту облака окрашиваются в тёплые тона с яркими краями. Для этого применяется блендинг цвета и повышение яркости по нормали к солнцу. Тени от облаков на земле создаются через проекционные карты или с использованием shadow maps, если требуется точность.

Ночь: звёзды, Луна и искусственное освещение

Ночная сцена строится из нескольких слоёв: звёздное небо, Луна с фазами, слабое рассеянное свечение и локальные источники света. Переходы между сумерками и ночью должны быть плавными, с управлением экспозицией (exposure) и контрастом.

Звёздное небо

Звёздный купол формируется текстурой Milky Way и случайно распределёнными точками с разной яркостью. При появлении звёзд учитывать уровень яркости солнца: звёзды начинают появляться при отрицательной высоте солнца около -2° до -6° для постепенности. Дополнительный эффект — мерцание и плавное вращение звёздного купола с течением ночи.

Луна и её фазы

Для лунного освещения достаточно Directional Light с мягкой интенсивностью и текстурой луны в небе. Фаза вычисляется на основе разницы углов между солнцем и луной; для визуального эффекта можно менять альфа и освещённую часть текстуры. Дополнительный приём — реализация лунных тёплых оттенков и слабого блёра вокруг диска.

Искусственное освещение

Уличные фонари, окна и неон появляются в ночное время и влияют на окружение. Для производительности рекомендуется использовать смешение статических и динамических источников с возможностью LOD: дальние огни — имитация через билборды, ближние — полноценные point lights с затуханием. Включение/выключение огней должно быть связано с уровнем внешней освещённости и кривыми времени.

Тени, cascaded shadow maps и артефакты

Тени от солнца — важный элемент читаемости сцены. Для больших открытых миров применяются Cascaded Shadow Maps (CSM), делящие видимую сцену на зоны с разной детализацией теней. Выбор числа каскадов и резолюции балансируется между точностью и производительностью.

Проблемы: полосы теней, flickering, peter-panning. Решения: корректировка bias, стабилизация камеры теней, переходы между каскадами с мягким смешением и использование растворённых теней вдалеке.

Пост-обработка и цветокоррекция

Пост-эффекты существенно повышают качество смены суток. Коррекция экспозиции, белого баланса и применение LUT в зависимости от времени суток создают нужную атмосферу. Для сумерек выставляется повышенная насыщенность и контраст, для дневного времени — естественная экспозиция, для ночи — пониженная экспозиция и усиление локальных источников.

Эффекты bloom, glare и тональное сопоставление добавляют ощущение яркости солнца и лунного блеска. Важна адаптация экспозиции: быстрые изменения приводят к дискомфорту, слишком медленные — к потерянному эффекту. Параметры адаптации настраиваются под игровую механику.

Оптимизация и адаптация под платформы

Производительность требует компромиссов. В мобильных проектах предпочтительны упрощённые модели: градиентное небо, плагины для лёгкого облачного слоя и пост-эффекты с низким разрешением. На консоли и ПК доступны предвычисленные таблицы рассеяния, объёмные облака и высококачественные shadow maps.

Стратегии оптимизации: отключение тяжёлых эффектов на дальних LOD, уменьшение разрешения теневых карт, использование texture atlases для звёзд и луны, предвычисление LUT для разных состояний погоды. Профилирование на целевых устройствах важно для выявления узких мест.

Сетевые и мультиплеерные аспекты

В мультиплеере состояние дня и ночи должно синхронизироваться между клиентами. Возможно централизованное управление временем на сервере с передачей только ключевых состояний или нормализованного dayProgress. Для локальных эффектов (например, искусственное освещение у игрока) допускается локальная интерполяция при сохранении общей временной метки.

При желании разные игроки могут иметь собственные циклы дня и ночи для индивидуальных сцен, но это осложняет совместимость аудио и поведения NPC. В большинстве сценариев синхронизация наносит минимальную нагрузку.

Интеграция в движки: практические примеры

Ниже представлены краткие схемы интеграции в несколько популярных движков, описанные без детализации API, но с указанием основных шагов.

Unity

В Unity для солнца используется Directional Light, его поворот привязан к dayProgress. Skybox может быть Procedural Skybox или пользовательский шейдер. Интенсивность Directional Light контролируется кривой, а цвет берётся из градиента или LUT. Параметры неба и освещения можно выставлять через ScriptableObject для удобства художников. Для теней подключается CSM через встроенные настройки или сторонние плагины.

Unreal Engine

В Unreal применяется Directional Light совместно с Sky Atmosphere и Sky Light. Поворот Directional Light управляет позицией солнца, настройка параметров атмосферы даёт красивые закаты. Для глобального освещения используются Lightmass при статической сцене и динамическое Skylight для ночи. Блюпринты упрощают настройку кривых и переключений.

Godot и лёгкие движки

В Godot создаётся DirectionalLight, Environment с sky и gradient_map. Пользовательский шейдер для неба может рисовать градиент и солнце. Оптимизация на мобильных платформах достигается уменьшением количества динамических источников и использованием простых LUT.

Отладка, тестирование и художественная настройка

Тестирование должно охватывать все ключевые моменты суток: рассвет, полуденное солнце, закат, ночь, глубокая ночь. Для отладки полезны визуализации: отображение направления солнца, карта интенсивности, графики кривых освещённости. Проверка в разных географических широтах и датах выявляет крайние случаи: полярные ночи, длинные сумерки.

Художественная настройка проводится через набор пресетов: тропический день, пасмурный вечер, высокий альпийский закат. Каждый пресет содержит значения кривых, текстур и параметров пост-обработки.

Типичные ошибки

Частые проблемы: резкие переходы в сумерках, слишком яркие или тёмные ночи, артефакты от теней при смене каскадов, плохо читаемые сцены при сильной облачности. Для устранения важны плавные кривые, адаптивная экспозиция и параметрическое управление плотностью облаков.

Дополнительные возможности и расширения

Система времени может дополняться погодной системой, имитацией цикла жизни флоры и фауны, синхронизацией звуковой сцены и динамическим поведением NPC. Добавление метеорных дождей, северного сияния и временных событий (например, фестивалей с ночной подсветкой) делает мир живым.

Вариант расширения — асинхронное предвычисление глобального освещения для ключевых моментов дня, хранение нескольких предвычисленных карт и плавное переключение между ними в реальном времени, что снижает нагрузку при сохранении качества.

Рекомендации по реализации и приоритеты

При проектировании системы следует определить первичные критерии: визуальное качество, управляемость художником, и производительность. В первую очередь реализуется базовый цикл времени и поворот солнечного света, затем добавляются градиент неба и простые облака. После достижения стабильной работы подключаются тени, пост-обработка и более детальные модели атмосферы.

Тестирование в ранних стадиях помогает выбрать компромиссы: если производительность критична, следует отказаться от тяжёлых объёмных облаков и перейти на 2D-шумы и LUT. Если задача требует высокой реалистичности, то инвестиции в предвычисления и более сложные шейдеры оправдаются.

Ещё один практический приём — разделение визуальной логики на слои, каждый из которых можно включать и выключать в зависимости от профиля устройства. Это упрощает портирование и настройку под конкретные целевые платформы.

Темы, описанные выше, позволяют последовательно создать надёжную и гибкую систему. Корректное планирование архитектуры, аккуратное управление кривыми и внимательное отношение к оптимизации обеспечат плавные и выразительные переходы между сутками, придающие сценам необходимую глубину и живость.



Важно! Сайт RobPlay.ru не является официальным ресурсом компании Roblox Corporation. Это независимый информационный проект, посвящённый помощи пользователям в изучении возможностей платформы Roblox. Мы предоставляем полезные руководства, советы и обзоры, но не имеем отношения к разработчикам Roblox. Все торговые марки и упоминания принадлежат их законным владельцам.