Геометрия скорости: как строят идеальные дороги в играх

В каждой игре есть элемент, который вы видите постоянно, но никогда не замечаете сознательно. Он направляет ваше внимание, формирует темп игры, создаёт ощущение пространства — и при этом остаётся невидимым. Речь о дорогах.

Когда вы несётесь по трассе в Forza Horizon на скорости 300 км/ч, асфальт под колёсами выглядит настолько реалистично, что можно разглядеть отдельные камушки в текстуре. Когда в Death Stranding вы строите дорогу через горы вместе с другими игроками, она идеально огибает препятствия и вписывается в рельеф. Когда в GTA V вы сворачиваете с шоссе на грунтовку, меняется физика управления машиной, звук шин, визуал покрытия — и всё это работает бесшовно.

За этой невидимой магией стоит целая инженерная дисциплина, объединяющая математику кривых, процедурную генерацию, UV-хирургию и агрессивную оптимизацию. Создание дорог в играх — это не "взял плоскость и натянул текстуру". Это искусство, где технические ограничения встречаются с творческим видением, а результат должен быть одновременно красивым, производительным и функциональным.

Три фундаментальные проблемы игровых дорог

Начнём с базовой задачи: у вас есть прямой участок дороги длиной 100 метров. Вы берёте текстуру асфальта разрешением 2048×2048 пикселей и натягиваете её на полигональную плоскость. Всё выглядит отлично. А теперь дорога поворачивает — и вдруг текстура на внутреннем радиусе поворота сжимается в гармошку, а на внешнем растягивается в размытое месиво. Первая проблема — UV-координаты.

В 3D-графике UV-развёртка определяет, какая часть двумерной текстуры соответствует какому участку трёхмерной модели. Для прямой дороги это тривиально: U идёт поперёк (от левого края к правому), V идёт вдоль (от начала к концу). Но для извилистой горной трассы с постоянно меняющимся радиусом кривизны правильная UV-развёртка становится математической задачей.

Вторая проблема — стыковка сегментов. Если вы строите дорогу из префабных кусочков (а именно так делает большинство игр), швы между сегментами должны быть абсолютно невидимыми. Иначе игрок увидит геометрическую "лесенку", а текстура будет "прыгать" на каждом стыке. Представьте белую разделительную полосу, которая обрывается каждые 10 метров — иммерсия разрушена.

Третья проблема — производительность. Открытый мир размером с Los Santos из GTA V содержит сотни километров дорог: автобаны, городские улицы, грунтовки, тропинки. Если каждый метр будет представлен уникальной высокополигональной моделью, движок просто не справится. Нужна система, которая масштабируется без линейного роста затрат на рендеринг.

Все современные техники построения дорог — это попытки решить эти три проблемы одновременно.

Модульный подход: конструктор Lego

Самый древний и интуитивно понятный метод — модульная система. 3D-художник создаёт набор готовых сегментов: прямой участок длиной 10 метров, поворот на 15 градусов, поворот на 45 градусов, поворот на 90, Т-образный перекрёсток, круговая развязка. Затем левел-дизайнер расставляет эти элементы в редакторе как детали конструктора.

Главное преимущество — простота и предсказуемость. Не нужно программировать, не нужны сложные алгоритмы. Художник полностью контролирует внешний вид каждого элемента, может добавлять уникальные детали. Недостаток — органичных плавных изгибов таким способом не получить. Дороги выглядят "квадратными", составленными из прямых линий и резких углов.

Вспомните ранние части GTA (до San Andreas) — именно модульный подход создавал эту характерную угловатую геометрию улиц. Не потому что разработчики не умели моделировать, а потому что технология накладывала ограничения.

Ключевой технический трюк здесь — безупречный UV-mapping. Текстура асфальта должна быть tileable (бесшовной при повторении). Художник создаёт её так, чтобы левый край идеально стыковался с правым, а верхний — с нижним. Затем UV-развёртка каждого модуля настраивается с точностью до пикселя: если сегмент имеет длину 10 метров, то V-координата на конце должна быть ровно 10.0 в мировом масштабе.

При правильной настройке текстура продолжается без разрыва на стыках — вы можете составить дорогу из 20 сегментов, и она будет выглядеть как единое полотно.

Но остаётся проблема разметки. Белая разделительная линия посередине дороги должна быть непрерывной, а если просто повторять текстуру, она будет "прыгать" на каждом стыке сегментов. Решение — использовать второй UV-канал специально для разметки. В этом канале координаты растягиваются на всю длину дороги, а не повторяются циклически. Шейдер смешивает базовую текстуру асфальта (из UV-канала 0) и текстуру разметки (из UV-канала 1), получая непрерывные линии.

Spline-революция: математика в помощь художникам

В начале 2010-х произошёл переход к spline-based системам, которые изменили подход к созданию дорог. Сплайн — это математическая кривая, заданная набором контрольных точек. Вы расставляете точки на карте мира, а система автоматически генерирует плавную кривую между ними.

Современные движки (Unreal Engine, Unity) имеют встроенные инструменты для работы со сплайнами. Художник или левел-дизайнер указывает опорные точки, настраивает ширину дороги, профиль поперечного сечения — и система процедурно строит геометрию.

Вот где начинается настоящая математическая магия. Алгоритм разбивает сплайн на короткие сегменты (обычно каждые 2-5 метров). Для каждой точки на кривой вычисляется Frenet frame — локальная система координат:

• Tangent (тангенс) — вектор направления кривой
• Normal (нормаль) — вектор "вверх"
• Binormal (бинормаль) — вектор "в сторону", перпендикулярный первым двум

Представьте, что вы едете по дороге с тремя линейками в руках: одна смотрит вперёд по ходу движения, вторая — вертикально вверх, третья — строго вправо. На каждом метре пути эти линейки плавно поворачиваются, следуя за изгибом дороги. Это и есть Frenet frame.

Используя эти векторы, система выполняет экструзию (выдавливание) дорожного профиля вдоль кривой. Если профиль представляет собой прямоугольник шириной 6 метров, то в каждой точке сплайна система размещает этот прямоугольник перпендикулярно направлению движения, формируя полосу дорожного полотна.

В нашем видео мы покажем практическую демонстрацию работы spline-системы в Unreal Engine — как несколько контрольных точек превращаются в километры идеальной дороги за секунды.

UV-координаты для процедурных дорог

Самая интересная часть — как натянуть текстуру на процедурно сгенерированную геометрию. Здесь используется хитрый подход:

V-координата привязывается к длине вдоль сплайна (distance along spline). Если точка находится на расстоянии 37 метров от начала кривой, её V-координата равна 37.0 в мировых единицах. Текстура повторяется с определённым шагом — например, 4 метра (соответствует физическому размеру текстуры асфальта). В шейдере применяется операция modulo: UV.v = fract(distance / 4.0), что даёт бесшовное циклическое повторение.

U-координата идёт поперёк дороги и является фиксированной: 0.0 на левом краю дорожного полотна, 1.0 на правом. Это обеспечивает равномерное растяжение текстуры по ширине независимо от того, насколько круто дорога поворачивает.

Результат — текстура "течёт" вдоль дороги естественным образом, без искажений на поворотах. Камушки в асфальте не сжимаются и не растягиваются, белая разметка идёт ровной линией, а стыки сегментов абсолютно невидимы.

Процедурная генерация в Death Stranding

Death Stranding демонстрирует следующий эволюционный шаг — коллективное строительство дорог. Игроки размещают точки строительства, а система автоматически прокладывает оптимальный маршрут через сложный горный рельеф. Как это работает под капотом?

Kojima Productions использовали pathfinding-алгоритмы (поиск пути). Когда игрок размещает конструкцию, сервер запускает алгоритм A* (A-star) или Dijkstra, который ищет оптимальный маршрут между точками с учётом множества факторов:

• Уклон рельефа — избегать слишком крутых подъёмов и спусков
• Препятствия — обходить крупные камни, реки, структуры
• Существующие дороги — соединяться с ними, а не пересекать

Найденный путь преобразуется в сплайн, а дальше работает стандартная процедурная генерация. Но появляется дополнительная сложность: дорога должна вписаться в ландшафт.

Если путь проходит через холм, система выполняет terrain deformation — опускает или поднимает землю под дорогой, создавая насыпь или выемку. Это называется "conform to terrain" режим. Сплайн имеет параметры:

• Max slope angle — максимальный допустимый угол наклона дороги
• Banking — наклон виража в поворотах (как на гоночных трассах)
• Elevation offset — на какой высоте над поверхностью должна идти дорога

В реальном времени система трассирует лучи вниз от каждой точки сплайна, определяет высоту ландшафта и подгоняет высоту дороги с плавным переходом. Если рельеф резко обрывается, дорога начинает "парить" над пропастью — там автоматически добавляются опорные конструкции моста (ещё один слой процедурной генерации).

Детализация через декали и вертексный пейнтинг

Идеальная геометрическая дорога с правильным UV-маппингом — это хорошо, но выглядит она скучно. Чистое серое полотно не создаёт ощущения реальности. Как добавить:

• Трещины и выбоины
• Масляные пятна и следы торможения
• Люки и дренажные решётки
• Дорожную разметку (стрелки, зебры, надписи)

Ответ — decals (декали). Это проецируемые текстуры, которые "приклеиваются" к поверхности без изменения геометрии. В Unreal Engine это Deferred Decals, в Unity — Projectors или Decal System.

Художник размещает декаль-бокс вдоль дороги. Бокс работает как проектор: всё, что находится внутри него, получает наложенную текстуру. В шейдере происходит блендинг (смешивание) базовой текстуры дороги и декали с учётом альфа-канала — прозрачные участки декали не влияют на финальное изображение.

Важный момент: декали должны быть ориентированы правильно. Трещина должна идти вдоль направления дороги, а не перпендикулярно ему. Для этого декаль привязывается к сплайну — её forward-вектор автоматически берётся из тангенса кривой в ближайшей точке.

Второй метод детализации — vertex painting (раскраска вершин). На меше дороги художник буквально "рисует" кистью в редакторе, назначая каждой вершине цветовые веса. Красный канал = чистый асфальт, зелёный = грязный асфальт, синий = трещины, альфа = мокрые участки. В шейдере эти каналы используются как маски для смешивания разных текстур.

Результат — плавные переходы от новой дороги к потрёпанной, от сухой к мокрой, от асфальта к грунту на обочине. При этом не требуется вручную расставлять тысячи декалей.

Гонки на грани фотореализма: случай Forza Horizon

Гоночные симуляторы — отдельная лига сложности. Скорость 300+ км/ч, низкая камера, игрок видит текстуру асфальта буквально в упор. Любое искажение, любая размытость будут замечены мгновенно.

Playground Games (разработчики Forza Horizon) используют технологию mega-textures или virtual texturing. Идея: вся трасса покрывается единственной гигантской текстурой — например, 32768×32768 пикселей (1 гигапиксель). Но в видеопамять загружается только видимая область.

Как это работает? Огромная текстура разбита на плитки размером 256×256 пикселей. На диске хранится полный атлас, но движок в реальном времени стримит (подгружает) только те плитки, которые видны камере. Это называется sparse texture или tiled texture streaming.

DirectX 11+ и Vulkan поддерживают это нативно: вы создаёте виртуальную текстуру огромного размера, но физически в GPU загружены только активные плитки. При движении камеры старые плитки выгружаются, новые подгружаются асинхронно.

Преимущество — возможность иметь уникальные детали на каждом участке трассы длиной в десятки километров. Конкретная трещина на конкретном повороте, следы от шин в конкретном месте, индивидуальная разметка на каждом перекрёстке. Это невозможно сделать с повторяющимися текстурами.

Недостаток — колоссальный размер данных. Полная virtual texture трассы может занимать 50-100 ГБ на диске. Именно поэтому современные AAA-гонки требуют столько места.

Дополнительная техника для реализма — parallax occlusion mapping. Это шейдерная техника, создающая иллюзию объёмного рельефа на плоской поверхности. Мелкие камушки в асфальте, текстура зернистости — всё это выглядит трёхмерным, хотя геометрия остаётся плоской.

Работает через ray marching: луч от камеры "шагает" по height map (карте высот), встроенной в текстуру, пока не найдёт точку пересечения с поверхностью. Результат — реалистичные тени, окклюзия, даже эффект самозатенения мелких деталей.

Физика дороги: коллизия и материалы

Визуал — половина дела. Дорога должна иметь физическую поверхность, по которой едет машина. Коллизионный меш (collision mesh) обычно создаётся упрощённым, но для дорог важны нюансы.

Если дорога имеет бордюр, коллизия должна точно повторять его форму. Иначе машина будет "подпрыгивать" на невидимой ступеньке или, наоборот, проезжать сквозь видимое препятствие. В гоночных играх collision mesh генерируется процедурно вместе с визуальным — spline-система выдавливает сразу два меша: render mesh (высокая детализация) и collision mesh (упрощённый контур).

Также на дорогу накладываются физические материалы. В Unreal Engine это Physical Materials: асфальт имеет friction (коэффициент трения) 0.7, мокрый асфальт — 0.4, грунт — 0.5, лёд — 0.1. Когда шина касается поверхности, физический движок берёт значение из материала и применяет к расчёту сцепления.

В продвинутых симуляторах (Assetto Corsa, iRacing) трение неоднородно. Центр гоночной траектории (racing line) имеет больше сцепления из-за отполированного резиной асфальта. Это симулируется через vertex painting: художник рисует маску, а физика в runtime читает значение под каждым колесом и корректирует трение динамически.

Оптимизация: LOD, culling и чанкирование

Открытый мир — это тысячи километров дорог. Как не убить производительность?

LOD (Level of Detail) — классическая техника. Дорога вдали не нуждается в детализации. Spline-система генерирует несколько версий mesh'а:

• LOD0: 1 метр сплайна = 4-6 сегментов (плавный изгиб)
• LOD1: 1 метр = 2 сегмента
• LOD2: 1 метр = 1 сегмент (почти прямые линии)
• LOD3: вся дорога = единый упрощённый mesh с минимумом вершин

Движок переключает LOD на основе расстояния до камеры. На расстоянии 500 метров разница между 6 и 1 сегментом на метр незаметна, но нагрузка на GPU падает вдвое.

Frustum culling — не рендерить то, что за кадром. Но если дорога представлена одним длинным mesh'ом, а камера видит только часть, всё равно рисуется весь объект (потому что его bounding box пересекает frustum камеры).

Решение — chunking (разбивка на чанки). Дорога делится на сегменты по 50-100 метров, каждый — отдельный mesh с отдельным bounding box. Теперь culling работает точечно: невидимые чанки полностью исключаются из рендеринга.

Occlusion culling — если дорога за холмом или зданием, её не нужно рисовать вообще. Unreal Engine использует Hierarchical Z-Buffer occlusion: GPU рендерит упрощённую depth-карту сцены, и на CPU проверяется видимость каждого объекта через эту карту.

Будущее: адаптивная тесселяция и Nanite

Современные движки (Unreal Engine 5, Unity HDRP с последними версиями) поддерживают hardware tessellation — динамическое добавление полигонов на стадии GPU. Дорога вблизи автоматически получает больше геометрии, дорога вдали упрощается.

Работает через специальные шейдеры: hull shader решает, сколько нужно полигонов; domain shader вычисляет их позиции. Для дорог тесселяцию комбинируют с displacement mapping: height map физически "выдавливает" детали (камни, трещины) из плоскости, создавая настоящую геометрию.

Но есть подвох: тесселяция дорого стоит на консолях. В AAA-играх используется выборочно — только для hero assets (объектов, которые игрок видит в упор в сюжетных сценах).

Революционная альтернатива — Nanite в Unreal Engine 5. Виртуализированная геометрия позволяет импортировать mesh с миллиардами полигонов (например, фотограмметрию реального асфальта), а движок сам решает, какие треугольники рендерить в данном кадре.

Для дорог это означает возможность использовать сканированные реальные поверхности без оптимизации — движок справится автоматически. Но пока мало игр применяют Nanite для дорог: физика не работает с виртуализированной геометрией, нужен отдельный collision mesh.

Практические советы для разработчиков

Если вы создаёте игру с дорогами, вот чек-лист проверенных практик:

1. Используйте spline-систему даже для маленьких проектов. Инвестиция времени окупится гибкостью.

2. Текстура асфальта обязательно tileable. Проверяйте швы в Photoshop через Filter → Other → Offset.

3. UV по длине дороги привязывайте к world-space координатам, а не локальным. Иначе на стыках чанков текстура "прыгнет".

4. Разметку (линии, стрелки) выносите в отдельный material layer с UV, растянутым на всю дорогу, а не повторяющимся.

5. Vertex color используйте для blend'а состояний асфальта (новый/старый/мокрый/грязный).

6. Decals для уникальных деталей — но не злоупотребляйте. Больше 100-150 на экране = просадка FPS из-за overdraw.

7. Генерируйте collision mesh одновременно с render mesh, не полагайтесь на автоматическую генерацию движка — она слишком груба.

8. Если дорога идёт по terrain, используйте conform режим spline + terrain deformation для плавного прилегания к рельефу.

9. LOD обязателен даже для небольших локаций. Дальняя дорога не нуждается в плавных изгибах.

10. Тестируйте на целевой платформе. На PC может быть 120 FPS, а на консоли — 25 из-за overdraw от декалей.

Заключение

Дороги в играх — это точка пересечения математики, искусства и инженерной оптимизации. От примитивных модульных систем начала 2000-х до интеллектуальной процедурной генерации открытых миров — эволюция была колоссальной.

Сегодня технологии вроде Nanite, virtual texturing и hardware tessellation позволяют достигать фотореализма без традиционных компромиссов. Но в основе всё равно лежат те же принципы: правильная математика кривых, грамотный UV-mapping, умная LOD-стратегия.

Если вы разработчик окружения, не недооценивайте дороги. Игрок проводит на них огромную часть игрового времени — иногда больше половины. Плохо сделанная дорога незаметно портит впечатление. Хорошо сделанная дорога остаётся невидимой, но игрок интуитивно ощущает "качество" продукта.

В конце концов, в геймдеве дорога действительно важнее пункта назначения — в самом буквальном смысле.