Seminar Echtzeit-Rendering SS 2008 Games Sandra

Fachbereich 4: Informatik
Seminar
Echtzeit-Rendering
SS 2008
Games
vorgelegt von
Sandra Jakob und Stefanie Zittlau
Betreuer:
Prof. Dr. Stefan Müller
(Institut für Computervisualistik, AG Computergrafik)
Koblenz, 23. Juli 2008
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung
4
2
Klärung der Grundbegriffe
2.1 Spiel“ . . . . . . . . . . . . . . . .
”
2.2 Game“ . . . . . . . . . . . . . . .
”
2.3 Gameaufbau“ . . . . . . . . . . .
”
2.4 Middleware“ . . . . . . . . . . . .
”
2.5 Game-Engine“ . . . . . . . . . . .
”
2.5.1
Grafik-Engine“ . . . . . .
”
2.5.2
Physik-Engine“ . . . . . .
”
2.5.3
Sound-Engine“ . . . . . .
”
2.5.4
Künstliche Intelligenz - KI“
”
2.5.5
Zustandsspeicherung“ . . .
”
2.5.6
Steuerung und Eingabe“ . .
”
2.5.7
Netzwerk“ . . . . . . . . .
”
2.5.8
Skripting“ . . . . . . . . .
”
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17
17
Spiele: Status quo und Visionen
5.1 Crysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Far Cry 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Sadness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
21
21
22
3
4
5
Rückblick
3.1 Damals... . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Pong und Space-Invaders . .
3.1.2 Adventures und Rollenspiele
3.1.3 Strategie . . . . . . . . . .
3.1.4 Action . . . . . . . . . . . .
3.1.5 Sport . . . . . . . . . . . .
3.1.6 Simulation . . . . . . . . .
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Aktuelle kommerzielle und Open Source Game-Engines
4.1 Kommerzielle Engine: CryEngine 2 . . . . . . . . .
4.1.1 Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 Graphik-Engine . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3 Physik-Engine . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.4 Character-Animation-System . . . . . . . .
4.1.5 KI-System . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.6 Integrierter CryEngine Sandbox 2 Editor . .
4.2 Open Source Engines . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Blender Game Engine . . . . . . . . . . . .
1
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6
Ausblick
6.1 Arbeitswelt - Spielewelt - Lernwelt . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Spielesysteme im Wandel der Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
23
24
7
Fazit
25
2
Abbildungsverzeichnis
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Abstrakter Aufbau eines Spiels. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Übersicht über Game-Middelware Komponenten. . . . . . . . . .
6
Screenshots des Remakes Maniac Mansion Deluxe [Hen08] . . . 10
Screenshots The Ancient Art Of War“ [Mob08a] . . . . . . . . . 11
”
CryEngine 2: Lichstrahlen [Cry08] . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Terrain 2.5D Ambient Occlusion Maps [Cry08] . . . . . . . . . . 14
Subsurface Scattering [Cry08] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
CryEngine 2: Darstellung einer Seilbrücke [Cry08] . . . . . . . . 15
Beispiele für Parametric Skeletal Animation und Procedural Motion Warping [Cry08] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Gerendertes Bild des Modells. [Dok08a] . . . . . . . . . . . . . . 18
Anwendung der Bump Map. [Dok08b] . . . . . . . . . . . . . . . 18
Anwendung der Normal Map, betrachtet senkrecht von oben.[Dok08c] 19
Anwendung der Normal Map betrachtet von der Seite. [Dok08d] . 19
Anwendung einer Environment Map. [Wik08] . . . . . . . . . . . 20
Simulation von Wasser und Haaren mit dem Partikelsystem. [Fou08] 21
Vergleich Real-Life-Fotos und Graphiken des Spiels Crysis [CZ08] 22
Far Cry 2: Advanced Indirect Lighting [THD08] . . . . . . . . . . 22
Sadness [Nib08] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Das Spiel: In Memoriam. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Neuronales Headset:Epoc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3
1
Einleitung
Sie sind kaum mehr wegzudenken. Spiele. Es gibt sie in den verschiedensten Formen: Gesellschafts-, Brett-, Video-, Computerspiele oder auch Arcade-Automaten.
Diese Ausarbeitung behandelt vor allem die Entwicklung der Computerspiele von
1980 bis 2008, sowie aktuelle und zukünftige Spieletrends.
Zunächst werden die grundlegenden Begriffe der Spiele und Spieleprogrammierung geklärt, sowie ein Überblick der Entwicklung der verschiedenen Genres gegeben. Weiterhin wird ausführlich auf den aktuellen Stand der Technologien sowohl von kommerziellen als auch Open-Source Engines eingegangen und
an anschaulichen Beispielen verdeutlicht. Wie sich Spielesysteme immer weiter
verändert haben und auch weiterhin verändern werden, wird im Ausblick betrachtet.
2
Klärung der Grundbegriffe
2.1
Spiel“
”
Der Begriff Spiel“ (v. althochdt.: spil für Tanzbewegung“ 1 ) bezeichnet eine Betätigung,
”
”
welche ohne einen bewussten Zweck ausgeführt wird. Sie wird von der ausführenden
Person zum Vergnügen, zur Entspannung oder allein aus Freude an der Betätigung
selbst vollzogen. Ein Spiel wird wegen seiner selbst gespielt, es ist Selbstzweck.
Beim Spielen werden kognitive und motorische Fähigkeiten geschult.Soziale Fähigkeiten
können insbesondere durch Gemeinschaftsspiele gefördert werden. Einem Spiel
liegen oft ganz bestimmte Handlungsabläufe, welche sich abhängig von der Spielart ergeben, zugrunde. Aus diesen Abläufen können dann Regeln hervorgehen.
[EMS08]
Der niederländische Kulturhistoriker Johan Huizinga brachte die Spieltätigkeit durch
seine Studie homo ludens“ 2 (lt. der spielende Mensch) erstmals in die wissen”
schaftliche Diskussion:
Spiel ist eine freiwillige Handlung oder Beschäftigung, die innerhalb gewisser
”
festgesetzter Grenzen von Zeit (und Raum) nach freiwillig angenommenen, aber
unbedingt bindenden Regeln verrichtet wird, ihr Ziel in sich selber hat und
begleitet wird von einem Gefühl der Spannung und Freude und einem Bewusstsein
des Andersseins“ als das ,gewöhnliche Leben’.“ [Bar08]
”
2.2
Game“
”
Im englischen Sprachraum wird zwischen den Begriffen play“ und game“ un”
”
terschieden, welche beide allerdings als Spiel“ übersetzt werden können. play“”
”
Aktivitäten werden oft mit Kinderspielen assoziiert, wohingegen games“ eher als
”
1
2
Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Spiel
Homo ludens: http://www.dbnl.org/tekst/huiz003homo01_01/
4
erwachsenere, reifere Spieltätigkeiten wahrgenommen werden, da games“ im All”
gemeinen ein komplexes Regelwerk besitzen und einen stark sozialen Anspruch an
die Spieler stellen.
Dass jedoch auch plays“ ein striktes Regelwerk besitzen verdeutlicht der Anthro”
pologe Daniel Vidart an dem Beispiel Pilot spielen“. Auch hier gibt es Regeln,
”
wenn eventuell auch unausgesprochen, dass es gilt sich wie ein Pilot und nicht wie
beispielsweise ein Arzt zu verhalten.
Games“ und play“ lassen sich also nur schwer bis gar nicht anhand von Regeln
”
”
allein unterscheiden. Eine passendere Differenzierung lässt sich über das Spielergebnis erreichen: games“ haben ein Ergebnis, ein Ziel, es gilt zu gewinnen,
”
plays“ hingegen nicht. [Fra08] In der deutschen Sprache gibt es diese Unterschei”
dung jedoch nicht. Umgangssprachlich versteht man im deutschen Sprachraum unter einem Game“ ein Spiel, welches mittels elektronischer Medien (PC, Automat,
”
Konsole, Handy,...) ausgeführt wird.
2.3
Gameaufbau“
”
Games bestehen aus Sicht eines Game-Entwicklers grundsätzlich aus zwei Kernbausteinen, dem Spieleinhalt und der zugrundeliegenden Technologie, auch GameEngine genannt, welche das Spiel verwirklicht. Da sich die meisten Spiele in ihren Technologien ähneln, ist es möglich mit einer einzelnen Game-Engine mehrere Spiele zu erstellen. Ein einzelnes Spiel kann natürlich auch über verschiedene
Engines realisiert werden - allerdings nur im Rahmen der Technologien, welche
unterstützt werden.
Abbildung 1: Abstrakter Aufbau eines Spiels.
Es ist möglich mit einer Engine Spiele unterschiedlicher Genres zu entwickeln. Oft jedoch sind die Game-Engines auf ein bestimmtes Genre spezialisiert
wie beispielsweise First-Person-Shooter-Engines (FPS-Engines), sodass ein deutlicher Leistungsschwerpunkt gegeben ist. Auch eine Spezialisierung auf eine bestimmte Teilkomponente der Game-Engine ist möglich.
Durch diese Spezialisierungen bietet es sich an, nicht für jedes neu zu erstellende Spiel eine komplett neue Game-Engine zu programmiern oder zu kaufen, son5
dern stattdessen auf bereits vorhandene und etablierte Lösungen zurückzugreifen.
Middleware-Produkte sind hierfür eine gute Lösung. [uMB08a]
2.4
Middleware“
”
Middleware nennt man im Allgemeinen Entwicklungspakete, welche nicht nur
aus der Game-Engine selbst oder einer ihrer Kernkomponenten besteht, sondern
zusätzlich meist auch aus einer Beispiel-Appikation, Bearbeitungstools, Dokumentation, Tutorials, Exporter und weiteren Tools.[uMB08b] Der Einsatz von Middleware spart Kosten und Zeit. Der Entwicklungsaufwand wird geringer und durch
die Spezialisierungen werden die Produkte qualitativ hochwertiger.
Abbildung 2: Übersicht über Game-Middelware Komponenten.
2.5
Game-Engine“
”
Eine Game-Engine ist die Kernkomponente eines jeden Games. Man versteht darunter eine Programmbibliothek, welche dem Programmierer die Spielentwicklung
erleichtert. Sie stellt unter Anderem darunterliegende Technologien bereit und ermöglicht
ggf. die Entwicklung für verschiedene Plattformen.
Eine Game-Engine bietet im Allgemeinen folgende Grundfunktionalitäten: Eine
Grafik- bzw. 3D-Engine zur Berechnung der grafischen Ausgabe, eine Physik- Engine für physikalische Eigenschaften, eine Sound-Engine zwecks Soundein- und ausgabe, Skripting zur Programmiererleichterung, künstliche Intelligenz zur Simulation von Gegnern beispielsweise, Netzwerkunterstützung für Multiplayer- Spie6
le, Zustandsspeicherung, um zu einem Spielstand zurückkehren zu können und der
Steuerung zur Interaktion.
2.5.1
Grafik-Engine“
”
Die Grafik-Engine ist für die grafische Darstellung auf dem Bildschirm verantwortlich. Handelt es sich dabei um dreidimensionale Grafiken, so spricht man auch
von einer 3D-Engine. Sie übernimmt u.a. das Laden und Anzeigen von Texturen
und 3D-Modellen, berechnet Licht- und Schattenverhältnisse und berechnet Effekte von Wasser, Explosionen oder Ähnlichem.
2.5.2
Physik-Engine“
”
Die Physik-Engine berechnet grundsätzlich zwei Arten physikalischer Gesetze:
Die Rigid-Body-Physik und die Ragdoll-Physik. Rigid-Body-Physik bezeichnet
die Newton’schen Mechanikgesetze. Hierbei werden physikalische Eigenschaften und Verhaltensweisen starrer Körper berechnet. So werden z.B. Positions-,
Geschwindigkeits- oder auch Rotationsänderungen von Objekten über Zeitintervalle bestimmt. Unter Ragdoll-Physik (engl., zu deutsch: Stoffpuppe) hingegen
versteht man die physikalischen Eigenschaften mehrerer miteinander verbundener starrer Körper, welche sozusagen als Gliedmaßen über Gelenke miteinander
verbunden sind. Die Gliedmaßen werden einzeln berechnet. Die Ragdoll-Physik
eignet sich z.B. zur Berechnung von Lebewesen, die Rigid- Body- Physik für starre Gegenstände und Dekorationen.
Darüber hinaus ist eine Physik- Engine auch in der Lage wehende Stoffe realistisch
darzustellen und Objekten bestimmte Materialien zuzuweisen, sodass das Objekt
andere physikalische Eigenschaften wie z.B. eine andere Reibung oder Dehnbarkeit aufweist.
2.5.3
Sound-Engine“
”
Die Sound- oder Audio-Engine übernimmt sämtliche Soundein- und ausgaben. Sie
kümmert sich also um das Abspielen von Sounddateien sowie die Aufnahme von
Tönen über den Mikrofoneingang. Heutige Sound Engines unterstützen das Abspielen von 3D-Sound. Auch Standards wie EAX (Environmental Audio Extensions3 ) werden oftmals unterstützt. Bei EAX handelt es sich um Erweiterungen,
welche einen vorhandenen Sound an die jeweilige Umgebung anpassen, sodass er
nicht mehrmals für verschiedene Umgebungen aufgenommen werden muss. Befindet sich der Spieler beispielsweise virtuell in einer großen Halle, so wird dem
Sound ein Hall- oder Echo-Effekt hinzugefügt, wohingegen der gleiche Sound unter Wasser gedämpft wird.[Nor08]
3
EAX: http://www.soundblaster.com/technology/welcome.asp?j1=eax
7
2.5.4
Künstliche Intelligenz - KI“
”
Eine Spiele-KI simuliert meistens das Verhalten eines Gegners. Zudem simuliert
sie je nach Art des Spieles auch Alliierte oder andere Nicht-Spieler-Charaktere,
z.B. in Göttersimulationen. Die Charaktere sollten so menschlich wie möglich
agieren. Zum Beispiel schießen Bots in Egoshootern zurück und/oder versuchen
den Geschossen des Spielers auszuweichen, wohingegen sie in Rennspielen den
schnellstmöglichen Weg ins Ziel suchen und dabei die gegnerischen Autos überholen
und ihnen ausweichen müssen. Der Schwierigkeitsgrad der KI ist meistens frei
wählbar, sodass man sowohl als Anfänger wie auch Fortgeschrittener beispielsweise einen etwa gleichstarken Gegner zugewiesen bekommt.[Nor08]
2.5.5
Zustandsspeicherung“
”
Die Zustandsspeicherung spielt besonders in Single-Player-Spielen eine wichtige
Rolle. Um von einem vormals erreichten Spielstand weiterspielen zu können, gilt
es den aktuellen Spielstand zu bestimmten Zeitpunkten zu speichern. Hierbei gibt
es grundsätzlich zwei verschiedene Methoden der Umsetzung: Die Serialisierung
bietet den Vorteil, den kompletten Spielstand zu speichern, benötigt dadurch jedoch
viel Speicherplatz. Die Speicherung weniger ausgewählter Daten hingegen ist auch
weniger speicherlastig. Andererseits sind die hierfür benötigten Speicheralgorithmen beispielsweise deutlich komplexer als bei der Serialisierung.[Nor08]
2.5.6
Steuerung und Eingabe“
”
Die eine möglichst einfache und direkte Spielesteuerung ist wichtig für ein erfolgreiches Spiel. Zur Eingabe dienen neben Tastatur und Maus auch Joysticks, Gamepads und Lenkräder mit Pedalen, etc. Ein besonderes Feature ist hierbei ForceFeedback. Integrierte Motoren in den Geräten erzeugen abhängig von der Spielsituation
bestimmte Gegenkräfte, welche für einen höheren Realismus sorgen sollen. Durch
das Verwenden von Bibliotheken wie beispielsweise DirectInput4 ist die Umsetzung der Steuerung und von Features, wie z.B. Tastenbelegung ändern, leicht zu
realisieren.
2.5.7
Netzwerk“
”
Der Netzwerk-Code ist wichtig für den Mehrspielermodus bzw. vielmehr für verteiltes Spielen, da er wichtige Informationen für den Datenaustausch zwischen den
am Spiel teilnehmenden Computern bzw. Konsolen beinhaltet. Er kann unter Anderem die Netzwerk-Architektur bestimmen, die maximale Anzahl an teilnehmenden
Spielern oder auch die benötigte Mindestverbindungsgeschwindigkeit festlegen.
4
DirectInput:http://msdn.microsoft.com/en-us/library/bb219802.aspx
8
2.5.8
Skripting“
”
Game-Engines stellen in der Regel eine eigene Skriptsprache zur Verfügung, mit
der die Spielabläufe schnell und einfach erstellt werden können. Modifikationen
sind hierdurch einfacher zu programmieren und Spiele können rasch erweitert werden.
3
Rückblick
3.1
3.1.1
Damals...
Pong und Space-Invaders
Unbestritten zu den Urgesteinen“ der Video- und Computerspiele gehört das Spiel
”
Pong. Es ist zwar nicht das erste (vgl. [Win08]), aber es trug maßgeblich zum
Durchbruch der Videospiele bei. Pong war die erste erfolgreiche Produktion der
1972 gegründeten Firma Atari (siehe auch [Sla08].
Das Spielkonzept ist denkbar einfach und lautete schlicht: AVOID MISSING
”
BALL FOR HIGH SCORE“ [Sla08]. Die gelben Pong-Arcadeautomaten, die Atari produzierte, waren im Inneren fest verdrahtet und demnach zu nichts anderem
gedacht und zu gebrauchen als Pong zu spielen. Die größte Schwierigkeit bestand
darin, den aktuellen Spielstand anzuzeigen.
Ein weiterer zu erwähnender Meilenstein ist das Spiel Space Invaders, welches von dem japanischen Hersteller Taito produziert wurde. Es löste eine Welle der Begeisterung für Videospiele in Japan aus, und sorgte zeitweise sogar für
eine nationale Münzknappheit. Der Bildschirm des Weltraum-Shooters ist eigentlich schwarz-weiß, wurde aber teilweise mit bunten (grünen und roten) Schablonen
überzogen [Sla08]. Space Invaders ist auch heute noch sehr beliebt, so erschien neben älteren Portierungen für fast alle gängigen Systeme erst kürzlich am 2. Juli
2008 die Variante Space Invaders Extreme für den Nintendo DS.
3.1.2
Adventures und Rollenspiele
Das Textadventure Zork, welches 1980 entwickelt wurde, war zwar nicht das erste seiner Art, gilt aber dennoch als Gründungsvater dieses Genres. Der erste Teil
kam so gut an, dass über eine Millionen Kopien des Spiels verkauft wurden. Die
Zork-Reihe wurde über die Jahre immer weiter geführt und schaffte schließlich
den Sprung in die Welt der Graphik-Adventures. Die bislang letzte Folge erschien
1997 unter dem Titel Zork: Grand Inquisitor bei Activision.
Die Ära der Graphikadventures läutete 1984 King’s Quest5 ein. Es entstand bei
SIERRA nach der Bitte von IBM, ein Spiel zu entwickeln, dass die technischen
5
siehe auch Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/King%E2%80%99s_
Quest_I:_Quest_for_the_Crown
9
Möglichkeiten des neusten IBM-Rechners voll ausschöpfe. Kings Quest 1 - Quest
for the Crown verkaufte sich über 2,7 Millionen mal und fand in einigen Teilen
Fortsetzung. 2001 wurde von AGD Interactive ein Remake des Klassikers geschaffen.
Ein weiterer prominenter Vertreter dieses Genres ist das 1987 von LucasArts entwickelte Maniac Mansion6 . Es ist zwar nicht das erste Point & Click“-Adventure,
”
aber es brachte den Durchbruch für diese Art der Steuerung. 2004 brachten Fans
ein Remake[Hen08] namens Maniac Mansion Deluxe (Screenshots siehe Abbildung 3, S. 10) auf den Markt.
Abbildung 3: Screenshots des Remakes Maniac Mansion Deluxe [Hen08]
California Pacific trug 1981 mit dem komplett in Basic geschriebenen Ultima
[Mob08b] zur Geburt des Rollenspiels auf dem PC bei. 1986 gab es ein Remake
mit verbesserter Graphik. Die Ultima-Reihe wurde fortgeführt und brachte unter
anderem 1992 mit Ultima Underworld eines der ersten 3D-Spiele hervor. Ultima
Online erschien 1997 und erschließt für Ultima das Internet in Form eines MMORPG (Massively Multiplayer Online Role Playing Game). Der bislang letzte Teil der
Ultima-Reihe für Solospieler ist Ultima IX: Ascension (1999).
3.1.3
Strategie
Denkspiele bekamen 1984 mit Sokoban7 eine neue Dimension: das Kistenschieben. Die eigentlich simple Tätigkeit eines Lagerarbeiters begeistert auch heute
noch viele Fans. Eine ebenso bahnbrechende Idee entstand 1987 mit dem Spiel
Tetris8 , welches, ebenso wie Sokoban, unzählige Klone nach sich zieht. 1991 erblickten schließlich die Lemmings9 das Licht der Welt.
Die ersten Echtzeit-Kämpfe konnten Fans von Strategiespielen 1984 bei The
Ancient Art Of War erleben. In Schere-Stein-Papier-Balance ließen sich epische
Schlachten durchführen. Screenshots siehe Abbildung 4 auf Seite 11.
Der Gründungsvater aller Aufbauspiele, Sim City10 , wurde 1990 von Maxis auf
6
siehe auch: http://www.c64-wiki.de/index.php/Maniac_Mansion
Wikipedia Sokoban: http://de.wikipedia.org/wiki/Sokoban
8
Wikipedia Tetris: http://de.wikipedia.org/wiki/Tetris
9
Wikipedia Lemmings: http://de.wikipedia.org/wiki/Lemmings
10
Wikipedia Sim City: http://de.wikipedia.org/wiki/Sim_City
7
10
Abbildung 4: Screenshots The Ancient Art Of War“ [Mob08a]
”
den Markt gebracht. Ihm folgten und folgen heute noch zahlreiche Abwandlungen, bei denen nicht mehr nur Echtzeit-Stadt-Simulationen im Vordergrund stehen
müssen.
3.1.4
Action
Bekannter Vertreter der frühen Actionspiele ist MS. Pac Man11 . Ursprünglich auf
Arcadeautomaten in Spielhallen zu finden, erobert er 1983 den PC.
Ebenfalls von einem Arcadeautomat stammt Donkey Kong12 , welches im selben Jahr eine Jump’n’Run-Welle einläutet. Ein weiteres Beispiel dieses Genres ist
Prince Of Persia, dessen Debüt 1990 war. Der neueste Teil der Reihe erscheint Ende 2008 und verwendet die selbe Game-Engine, die auch Assassins Creed (2008)
Leben einhaucht [Sch08a]. Einer der Prince of Persia-Teile wird sogar als Grundlage für einen Jerry Bruckheimer-Film dienen, der im Sommer 2009 erscheinen
soll.
Ego-Shooter kommen 1992 mit Wolfenstein 3D13 in Mode. Das Spiel wird
1994 durch das Amtsgericht in München beschlagnahmt, die Engine kann jedoch
lizensiert werden. Die Hersteller id Software, die mit Wolfenstein 3D einen Vorreiter dieses Genres geschaffen haben, entwickelten danach die bekannten SpieleReihen Doom (1993) und Quake (1996).
3.1.5
Sport
Das Draufsicht“-Rennspiel Spy Hunter (1984) ist wie viele andere der frühen PC”
Spiele eine Arcade-Portierung. Frühe Versionen von Excel 2000“ enthalten das
”
Game als Easter Egg. Eine erste echte Rennsimulation statt eines Actionrennens
bietet Formula One Grand Prix14 (1992). Hier kommen auch erstmals Polygone
zum Einsatz.
11
siehe auch: http://www.c64-wiki.de/index.php/Ms._Pac-Man
siehe
auch:
http://www.c64-wiki.de/index.php/Donkey_Kong_-_
Atarisoft
13
Wikipedia Wolfenstein 3D: http://de.wikipedia.org/wiki/Wolfenstein_3d
14
siehe auch: http://en.wikipedia.org/wiki/Formula_One_Grand_Prix_
%28Geoff_Crammond%29
12
11
Eines der ersten Sportspiele für zwei Spieler ist das 1984 von Epyx entwickelte
Summer Games. Es ist zu 100% in Assembler geschrieben und bildet den Auftakt
zu einer langen Reihe von (...)-Games“-Titeln [Sla08].
”
Ein weiteres Feld des Sport-Bereichs am heimischen PC sind die Sport-Manager.
Der 1990 erschienene Bundesligamanager ist nur ein Beispiel für dieses Genre
[Sch08b].
3.1.6
Simulation
Die erste Flugsimulation auf dem Computer ist der Microsoft Flight Simulator von
1982. Die Reihe hat viele Fans gewonnen und wurde kontinuierlich weiterentwickelt. 2008 erscheint die zehnte Auflage des Simulators mit der Unterstützung von
DirectX 10 [CMA08]. 1984 ging es dann mit der U-Boot-Simulation GATO unter
Wasser.
Weltraum-Simulationen wie Elite - der Urvater des Weltraumspiels von 1987 oder Wing Commander (1990) boten den Spielern ungeahnte Freiheiten 15 . Letzteres löste einen regelrechten Weltraum-Boom aus.
4
Aktuelle kommerzielle und Open Source Game-Engines
4.1
Kommerzielle Engine: CryEngine 2
Es gibt viele kommerzielle Engines, die von Fremdfirmen lizensiert werden können.
Prominenter Vertreter ist zum Beispiel die von Emergent16 entwickelte Gamebryo”
Engine“ [Tec08]. Bekannte aktuelle Spiele wie The Elder Scrolls IV: Oblivion,
Civilisation IV oder das im Herbst 2008 erscheinende Multiplayer-Online-Game
Warhammer: Age of Reckoning17 benutzen diese Engine.
Ein weiteres erfolgreiches Beispiel ist die CryEngine 2“, entwickelt von der
”
deutschen Firma Crytek18 . Sie ist der Nachfolger der CryEngine, welche unter anderem bei dem Spiel Far Cry 2004 zum Einsatz kam. Die CryEngine 2 wird bislang
unter anderem bei Crysis - auf das in Kapitel 5.1 (S. 21) näher eingegangen wird verwendet. Weitere Vertreter sind das Online-Rollenspiel Entropia Universe19 oder
Merchants of Brooklyn, welches zur Zeit von Paleo Entertainment entwickelt wird
[Ent08].
4.1.1
Technologie
Die CryEngine 2 [Cry08] unterstützt sowohl DirectX 9 als auch DirectX 10. Somit
lassen sich mit ihr Spiele erzeugen, die je nach installierter Version die größtmögliche
15
siehe auch: http://www.cg-shoutbox.de/spaceshooter-von-elite-bis-eve-online/
Homepage Emergent: http://www.emergent.net/
17
Warhammer: Age of Reckoning URL: http://www.warhammeronline.com/
18
Firmen-Homepage: http://www.crytek.com/
19
URL: http://www.entropiauniverse.com/index.var
16
12
Graphikqualität bieten. Auch unterstützt die Engine Entwicklungen für aktuelle
Konsolen wie die XBox 360 oder die Playstation 3.
Die Game-Engine an sich unterstützt alle für die Spieleentwicklung notwendigen, bzw. nützlichen Funktionen wie Multithreading Support, Netzwerkunterstützung
oder Streaming. Desweiteren gehören natürlich auch Tools zur Performance-Analyse
dazu.
Das modulare C++ Design der Engine ermöglicht es, eigene Codeblöcke (Module) hinzuzufügen, ohne dass in den bestehenden Quellcode eingegriffen werden
muss.
Die Engine verfügt über eine integrierte Sound- und Musik-Engine, mit der
sich Umgebungs- und Umweltgeräusche (auch dynamische), anpassen und zum
richtigen Zeitpunkt abspielen lassen.
4.1.2
Graphik-Engine
Die Technik PolybumpTM 2 liefert ein Verfahren zum schnellen Entpacken von Oberflächen-Eigenschaften, die zuvor in eine qualitativ hochwertige Oberflächen-Beschreibung
eingeflossen sind. Diese Informationen lassen sich für Low-Polygon-Modelle nutzen, welche dann wie High-Polygon-Modelle aussehen.
Die Engine unterstützt Echtzeit-Beleuchtung mit natürlich aussehenden Lichtquellen und dynamischen weichen Schatten, die sich Bewegungen anpassen. Schwingt
beispielsweise ein Ast im Wind, bewegt sich der Schatten auf dem Boden mit.
Auch volumetrische Wolken aus Partikeln sind generierbar, diese werfen ebenfalls
realistische Schatten. Neben dynamischen Soft-Shadows beherrscht die GraphikEngine auch HDR-Lighting (High Dynamic Range Lighting), sowie Lichtstrahlen
und -kanäle (siehe Abbildung 5, S. 13). Diese lassen sich auch unter Wasser (dann
gebrochen und mit Hilfe der High Quality 3D Ocean Technology) darstellen.
Abbildung 5: CryEngine 2: Lichstrahlen [Cry08]
Um den Realismus noch zu erhöhen wird die Technik Eye Adaption angewandt.
Diese simuliert die Gewöhnungszeit der Augen an geänderte Lichverhältnisse. Tritt
13
der Spieler aus einem dunklen Raum in sehr helles Licht, ist er erst kurz geblendet.
Geht er andererseits vom Hellen in einen dunklen Bereich, sieht er erst nach einiger
Zeit alle Details.
Ein weiteres Highlight ist der Umgang mit Nebel. Die CryEngine 2 setzt Nebel nicht nur als Nebelbänke, Nebelwolken oder Bodennebel ein, entfernter Nebel
simuliert damit auch Entfernungsunschärfe, indem der Kontrast am Horizont verringert wird.
Die CryEngine 2 unterstützt sowohl Normal Maps, welche Konturdetails auf
Low-Polygon-Modelle projezieren, als auch Parallax Occlusion Maps. Durch diese wird die Tiefenwirkung (im Gegensatz zu Bump Maps auch nach einer Perspektivenänderung) der Textur erhöht. Mit Terrain 2.5D Ambient Occlusion Maps
wird pro Pixel die Lichtmenge berechnet, die ein Objekt erreicht. Dabei wird beachtet, wieviel der Umgebung von anderen Objekten verdeckt wird. Abbildung 6
auf Seite 14 zeigt auf der linken Seite die Szene ohne Ambient Occlusion und
auf der rechten Seite mit. Real Time Ambient Maps dienen der vorberechneten
Umgebungslicht-Menge in Innenräumen.
Abbildung 6: Terrain 2.5D Ambient Occlusion Maps [Cry08]
Die Simulation Subsurface Scattering stellt die Streuung, Beugung und Brechung des Lichts dar, das durch lichtdurchlässige Objekte (zum Beispiel Eis) dringt.
Abbildung 7 auf Seite 15 zeigt ein Beispiel hierfür.
Durch Motion Blur & Depth of Field lassen sich gerade im Bereich der ActionShooter realistische Effekte schaffen. Bewegungsunschärfe verleiht schnellen Objekten zusätzliche Glaubwürdigkeit. Visiert der Spieler einen bestimmten Punkt in
der Ferne an, wird naheliegendes unscharf dargestellt.
Die verwendete Advanced Shader Technology ermöglicht unter anderem, Texturen zu kombinieren, um beispielsweise Schmutz oder Feuchtigkeit darzustellen.
Integriert sind viele verschiedene Shader, die die Möglichkeiten von DirectX 10
voll ausschöpfen.
Mit der CryEngine 2 erzeugte Welten können eine enorme Größe abdecken.
Durch das Terrain LOD Management Feature lassen sich Entfernungen von über
14
Abbildung 7: Subsurface Scattering [Cry08]
acht Kilometern in Echtzeit darstellen.
4.1.3
Physik-Engine
Das integrierte Physik-System unterstützt neben starren Körpern, Flüssigkeiten,
Ragdoll- oder Soft Body“- Effekten auch Fahrzeug- und Stoffsimulationen. Be”
sonders beeindruckend ist darüber hinaus die fortgeschrittene Physik-Simulation
von Seilen oder Tentakeln. Mit dieser Technologie (Advanced Rope Physics) lassen sich nicht nur Hänge-/Seilbrücken realistisch darstellen (siehe Abbildung 8, S.
15), sondern auch Tentakel oder Pflanzen wie Gräser, die sich im Wind bewegen.
Abbildung 8: CryEngine 2: Darstellung einer Seilbrücke [Cry08]
Ein weiteres Feature der Physik-Engine ist die Möglichkeit, mit der Umwelt zu
interagieren. Der Spieler kann direkten Einfluss auf die Umgebung nehmen, indem
er beispielsweise Dinge zerstört. Die Trümmer fliegen, zum Beispiel nach einer Explosion, realistisch umher und lassen sich im Anschluss aufheben und verwenden
(Interactive and Destructible Environments).
15
4.1.4
Character-Animation-System
Die Charakteranimation der CryEngine 2 ist sehr komplex. Es ist möglich, die Charaktere soweit zu verändern (inklusive dem Austauschen ganzer Körperteile), dass
jeder vorkommende Charakter einzigartig aussieht (Character Individualisation
System). Auch die Bewegungsabläufe der Charaktere sind perfektioniert und der
natürlichen Bewegung angepasst. Läuft eine Figur an einem Hang entlang, neigt
sie sich automatisch passend zum Gefälle, egal in welche Richtung sie sich fortbewegt (Parametric Skeletal Animation) (Abb. 9, linkes Bild). Dreht der Charakter
abrupt um, sorgt das Procedural Motion Warping (Abb. 9, rechtes Bild) dafür, dass
sich zuerst der Oberkörper dreht, während die Beine noch weiterlaufen“. Dies
”
gewährleistet eine flüssige, natürliche Bewegung.
Abbildung 9: Beispiele für Parametric Skeletal Animation und Procedural Motion Warping [Cry08]
Um Mimik und auch Sprache auszudrücken wird auch ein Augenmerk auf die
Animation des Gesichtes gelegt. Es ist durch einen Editor unter anderem möglich,
eigene Videos bestimmter Bewegungsabläufe (zum Beispiel Sprechen eines Satzes) direkt auf den Charakter zu übertragen.
Die gesamte Animation der Charaktere lässt sich im Anschluss je nach gewünschtem
Detailgrad komprimieren (High Quality Animation Compression) um Speicher und
Rechenleistung zu sparen.
4.1.5
KI-System
Das KI-System ermöglicht Dynamic Path Finding, sowie die Interaktion mit Smart
Objects. Diese lassen sich in einem Editor einstellen. Eigene Skripte lassen sich
mit der Skriptsprache LUA erstellen und modularisiert anbinden.
16
4.1.6
Integrierter CryEngine Sandbox 2 Editor
Mit dem integrierten Cry Engine Sandbox 2 Editor lassen sich alle das Spiel betreffende Einstellungen vornehmen. Der Embedded Facial Animation Editor dient
zur Ausgestaltung der Gesichtsanimationen, das Integrated Vegetation and Terrain
Cover Generation System zum Anlegen von Terrain-Oberflächen und Pflanzen. Die
eigentlichen Eigenschaften des Terrains (Form) können mit dem Advanced Terrain
System with Integrated Voxel Objects Technology herausgearbeitet werden, wobei
auch Felsüberhänge oder Höhlengänge möglich sind. Staub, Rauch, Explosionen
oder die Gischt an Wasserfällen werden mit dem Advanced Soft Particle System
and Integrated FX Editor erzeugt.
Spezifische Beleuchtungs-Einstellungen für die gesamte Szene, je nach Tagesoder Nachtzeit werden mit dem entsprechenden Editor für Dynamic Time of Day
Settings vermerkt.
Stellen, an denen Flüsse oder Straßen verlaufen sollen, lassen sich durch die
Road and River Tools markieren. Fahrzeuge mit allen typischen physikalischen
Eigenschaften erzeugt man mit dem Vehicle Editor.
Schlussendlich setzt man alle Szenen in logische Kombinationen mit Hilfe des
Flow Graph-Editors. Hier lassen sich Verknüpfungen zwischen den logischen Bausteinen bilden.
4.2
Open Source Engines
Neben den kommerziellen Lösungen gibt es auch einige freie Engines, mit denen sowohl kommerzielle wie auch nicht-kommerzielle Spiele erstellt werden. Zu
den bekannteren Open Source Game-Engines zählen unter anderem Crystal Space,
RealmForge oder auch Panda3D.
4.2.1
Blender Game Engine
Blender ist als 3D-Grafik- und Animationsprogramm bereits weit bekannt. Darüber
hinaus enthält Blender aber auch eine integrierte Game-Engine, welche im folgenden - mit einigen ihrer Features - kurz angesprochen werden soll.
Die Grafik-Engine unterstützt beispielsweise Bump Mapping, Normal Mapping, Parallax Mapping und auch Environment Mapping.
Die angewandte Normal Map in Abbildung 12 wirkt von oben betrachtet räumlich,
sieht man sie sich jedoch von der Seite an (Abbildung 13 ), so fällt auf, dass die
Oberfläche nicht verformt wurde.
Es werden Vertex- und Pixel-Shader, alle OpenGL-Lichtmodelle, Multimaterials und -texturen, Transparenzen und Shadow Mapping unterstützt. Blender verfügt
über einen integrierten Raytracer und hält Export-Skripte für diverse externe Renderer wie zum Beispiel Renderman und POV-Ray bereit. Möglich sind auch ToonShading, Radiosity und Ambient Occlusion.
17
Abbildung 10: Gerendertes Bild des Modells. [Dok08a]
Abbildung 11: Anwendung der Bump Map. [Dok08b]
18
Abbildung 12: Anwendung der Normal Map, betrachtet senkrecht von oben.[Dok08c]
Abbildung 13: Anwendung der Normal Map betrachtet von der Seite. [Dok08d]
19
Abbildung 14: Anwendung einer Environment Map. [Wik08]
Mit einem Partikelsystem können nicht nur klassische Partikeleffekte wie beispielsweise Rauch, Explosionen und Flüssigkeiten simuliert werden, sondern auch Haare
und Fell, sowie Gras und weitere Effekte.[Ble08]
Blenders integrierte Physik-Engine (Bullet Physics Library 20 ) kümmert sich
um die Kollisionserkennung, Starrkörpersimulation und berechnet die Fahrdynamik. Des Weiteren unterstützt die Blender Game-Engine die Client-Server-Architektur,
verwendet als Skriptsprache Python, besitzt eine skriptgesteuerte KI und verwendet das SDL-Toolkit (Simple DirectMedia Layer 21 ) als Sound-Engine.[dev08]
Die Blender Game-Engine hat noch zahlreiche andere Features auf die hier nicht
weiter eingegangen werden soll. Eine gute Übersicht gibt es auf der Blenderseite22
und auch auf der Spiele-Entwicklungsseite devmaster.net23 .
20
URL: http://www.bulletphysics.com/Bullet/wordpress/
SDL:http://www.libsdl.org/
22
Blender:http://www.blender.org/features-gallery/features/
23
devmaster:http://www.devmaster.net/engines/engine_details.php?id=
347
21
20
Abbildung 15: Simulation von Wasser und Haaren mit dem Partikelsystem. [Fou08]
5
Spiele: Status quo und Visionen
5.1
Crysis
Anwendung findet die in Kapitel 4.1 vorgestellte Game-Engine CryEngine 2 unter anderem in dem aktuellen Ego-Shooter Crysis. Crysis spielt in einem detailreich gestalteten Insel-Szenario in der nahen Zukunft. Um das Realitätsgefühl zu
erhöhen sind auch viele animierte Objekte enthalten, die keinerlei Spielbezug haben, wie zum Beispiel Tiere. Der Spieler kann mit seiner gesamten Umgebung interagieren und so direkten Einfluss auf deren Erscheinungsbild nehmen, wie Dinge
zum Einsturz bringen oder Bäume durch Beschuss fällen. Im Mehrspielermodus
können bis zu 32 Spieler gegeneinander antreten, wobei es auch die Möglichkeit
gibt, eigene Mehr- oder Einzelspielerkarten zu erstellen, da der in Kapitel 4.1.6 (S.
17) vorgestellte Sandbox2-Editor enthalten ist. Abbildung 16 (S. 22) zeigt einen
Vergleich zwischen realen Bildern (links im Bild) und der Graphik-Darstellung,
die in Crysis zum Einsatz kommt (rechts im Bild).
5.2
Far Cry 2
Die Firma Ubisoft24 bringt voraussichtlich im dritten Quartal 2008 das Spiel Far
Cry 2 auf den Markt. Während der Vorgänger Far Cry 2004 noch mit der CryEngine produziert wurde, hat Ubisoft für Far Cry 2 eine eigene Engine entwickelt.
Die Dunia-Engine ( Dunia“ ist Suaheli und bedeutet Welt“) soll neue Maßstäbe
”
”
setzen, nicht nur durch perfekte realistische Graphiken. Die Engine ist in der Lage, indirektes Licht in Echtzeit zu berechnen, siehe Abbildung 17 auf Seite 22.
Ebenso simuliert sie die Regeneration von Pflanzen. Abgetrennte (zum Beispiel
durch einen Schuss des Spielers) Pflanzenteile wachsen individuell nach und die
Vegetation verändert sich kontinuierlich. So sieht ein zuvor besuchter Abschnitt
im späteren Spielverlauf möglicherweise etwas anders aus. Das Spiel erscheint für
24
Firmen-Homepage: http://www.ubi.com/
21
Abbildung 16: Vergleich Real-Life-Fotos und Graphiken des Spiels Crysis [CZ08]
den PC, die XBox360 und die PlayStation 3.
Abbildung 17: Far Cry 2: Advanced Indirect Lighting [THD08]
5.3
Sadness
Einen völlig anderen Weg schlägt die polnische Firma Nibris“ 25 ein. Sie kündigte
”
für Herbst 2009 ein Spiel namens Sadness“ an, das auf der Gamebryo-Engine26
”
basieren soll.
25
26
Firmen-Homepage Nibris: http://www.nibris.net/
Hersteller-Homepage Emergent: http://www.emergent.net/
22
Abbildung 18: Sadness [Nib08]
Sadness [Nib08], im Horror-Genre angesiedelt und völlig in schwarz-weiß gehalten, spielt in Russland zur Jahrhundertwende des 19.zum 20. Jahrhundert. Der
Spieler kontrolliert Maria, eine viktorianische Aristokratin, die ihren achtjährigen,
blinden Sohn Alexander beschützen muss. Die Interaktion mit Alexander und psychologische Aspekte wie Angst oder Beklemmung bilden den Kern des Spiels27 .
Die Entwickler setzen nicht auf schillernde Action, sondern möchten eine Atmosphäre schaffen, die den Spieler bis zum Ende (und im Idealfall darüber hinaus)
nicht mehr loslässt. Laut ihrer Aussage wird es in Sadness weder Schießereien,
noch literweise Blutvergießen - wie in anderen Horror-Spielen durchaus üblich
- geben. Die Stimmung, welche durch Schockeffekte oder Themen wie Schizophrenie oder Narkolepsie unterstützt wird, steht im Vordergrund. Nibris nutzt neben der Atmosphäre, die unter anderem durch das düstere schwarz-weiße Erscheinungsbild geschaffen wird, auch die Möglichkeiten der Wii-Remote. Da Sadness
ausschließlich für die Nintendo-Konsole Wii erscheinen wird, lassen sich Eingabemöglichkeiten schaffen, die den Spieler völlig frei mit seiner virtuellen Umwelt
interagieren lassen.
6
Ausblick
6.1
Arbeitswelt - Spielewelt - Lernwelt
Wie sehen unsere Spiele und Spielwelten der Zukunft aus? Es lassen sich grob
zwei Trends feststellen:
Es ist zum einen erkennbar, dass Simulationen der Arbeitswelt, Lernwerkzeuge
und Spiele sich immer mehr aneinander annähern.
So sind Flugsimulatoren nicht nur zum Pilotentraining geeignet, sondern haben
sich als eine Spielart auf dem Konsumermarkt etabliert. Lernsoftware und Lernspiele für den Fremdsprachenunterricht erfreuen sich ebenso wie Mathematikspiele einer großen Beliebtheit. Aktuell sehr gefragt ist Dr. Kawashimas Gehinrjog”
27
Sadness-Trailer bei IGN: http://uk.media.wii.ign.com/media/816/816122/
vids_1.html
23
ging“ 28 , welches in erster Linie das Gedächtnis trainiert und keine explizit neuen
Fertigkeiten schult. Es ist umstritten, ob das Training von Fertigkeiten alleine ausreicht, um Fähigkeiten zu verbessern und ob die verbesserten Fertigkeiten in einem
anderen Kontext angewandt werden können.
Hiermit geht die zunehmende Verknüpfung von digitaler und realer Welt einher.
Das Spiel In Memoriam“ 29 ist ein Adventure Spiel, bei dem der Spieler zur
”
Lösung des Spieles u.a. realen E-Mail-Kontakt führen muss, sowie reale und eigens für das Spiel erstellte Webseiten besuchen muss.[sly08]
Abbildung 19: Das Spiel: In Memoriam.
Der zweite Spieletrend, der sich abzeichnet, ist die größer werdende Freiheit innerhalb der Spiele. Second Life30 und Spore31 bieten dem Spieler die Möglichkeit
die Spielinhalte selbstständig zu entwickeln und zu tauschen.
6.2
Spielesysteme im Wandel der Zeit
Mit den Games ändern sich auch die für sie notwenigen Ein- und Ausgabegeräte.
Auf dem Konsumermarkt ist die Nintendo Wii“ 32 durch ihr großes Angebot an
”
verschiedenen Eingabe-Controllern derzeit sehr gefragt. Ebenfalls großer Beliebt28
Dr.
Kawashima:http://www.touchgenerations.com/deDE/games_DS_TGP/
brain_training/overview_brain_training.php
29
In Memoriam:http://www.inmemoriam-thegame.com/
30
SL:http://secondlife.com/
31
SL:http://http://secondlife.com/
32
Wii:http://wii.nintendo.de/
24
heit erfreuen sich sogenannte Tanzmatten und Dancing Stages“ 33 . Eine Neuheit
”
auf dem Konsumermarkt sind neuronale Eingabegeräte, welche am Kopf angebracht werden. Sensoren lesen die Gehirnströme, welche anschließend zur Spielsteuerung analysiert werden. Ende 2008 soll der Emotiv Epoc“ 34 , ein solches neu”
ronales Headset, auf dem Markt erscheinen.
Abbildung 20: Neuronales Headset:Epoc.
7
Fazit
Spiele sind gibt es zwar mittlerweile für viele Arten von Next-Generation-Konsolen,
aber vom Computer sind sie auch nicht mehr wegzudenken. Sie gelten nicht nur
in Insiderkreisen als Maßstab für neue Hardware. Das Spielen am Computer oder
Konsole erreicht eine immer höhere Immersion. Dies wird unter anderem durch
neue Eingabemöglichkeiten, wie zum Beispiel der Wii-Remote und ihrer Abwandlungen, begünstigt. Auch immer ausgereiftere Graphikdarstellungen erhöhen das
Realitätsgefühl immens.
Gab es früher noch klare Grenzen zwischen verschiedenen Spielegenres, fand
im Lauf der Zeit eine Verschmelzung der Genres statt, die sich auch noch weiterentwickeln wird. Spiele lassen sich teilweise immer schwieriger in einer bestimmten Sparte einsortieren.
Die reale Welt geht immer weiter in die Digitale über. Wo zuerst nur versucht
wurde die reale Welt abstrakt in der Virtuellen nachzubauen, kann man nur durch
33
34
DDR:http://en.wikipedia.org/wiki/Dance_Dance_Revolution
Epoc:http://emotiv.com/INDS_3/inds_3.html
25
mehr Freiheitsgrade, eigene Welten erschaffen, die nicht bloße Abbildung sind.
Umgekehrt bricht die digitale Welt auch in die nicht-digitale Welt aus. Fähigkeiten,
die man in der virtuellen Welt verbessert hat, kann man ggf. auf reale Kontexte
anwenden. Wie nachhaltig dies möglich ist, bleibt Forschungsarbeit.
26
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