Computergrafik/Visualisierung II

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Hennie Neumann
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1 Vorlesung Computergrafik/Visualisierung II Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden University of Applied Sciences Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Sommersemester 2014 Studiengang Medieninformatik

2 Vorlesungsteil Physikalische Spielereien III Game Loop Wer die Geometrie begreift, vermag in dieser Welt alles zu verstehen. Galileo Galilei Vorlesung Computergrafik II Prof. Dr. Marco Block-Berlitz

3 1972: Pong Das erste weltweit populäre Computerspiel Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 3

4 1992: Ultima Underworld Erstes Computerspiel mit texturierter 3D-Grafik in Echtzeit Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 4

5 1992: Wolfenstein 3D Erster Ego-Shooter Raycasting Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 5

6 Raycasting für Semi-3D-Szenen Raycasting war die erste Rendering-Technik, mit der Semi-3D-Szenen in Echtzeit dargestellt werden konnten. Das Verfahren ist schnell, da nur eine Berechnung pro Bildschirm-Vertikale vorgenommen werden muss. Treppen laufen, Hüpfen oder unterschiedliche Raumhöhen sind mit dieser einfachen Game-Engine nicht möglich. Der berühmteste Spiele-Vertreter ist Wolfenstein 3D. Gegeben ist dafür eine Karte (2D-Grid) mit positiven, ganzzahligen Einträgen, die jeweils für einen Wandtyp stehen. Einträge mit 0 repräsentieren entsprechend keine Wand. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 6

7 Aufbau einer Gameengine Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 7

8 Game-Loop versus Game-Loop Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 8

9 Wie schaut es eigentlich mit den Anwendereingaben aus? Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 9

10 Eingaben einlesen Als sehr ungünstig stellt sich sicherlich folgendes Konzept heraus: while (true) { char* command = readcommand(); handlecommand(command); } Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 10

11 Eingaben als Events Um die CPU nicht unnötig zu belasten, lässt sich ein Eventhandling einbauen: while (true) { Event* event = waitforevent(); dispatchevent(event); } Das können wir dann geschickt in eine Funktion auslagern und überprüfen, ob seit dem letzten Mal eine Eingabe stattgefunden hat: while (true) { processinput(); update(); render(); } Hier haben wir weiterhin die Problematik mit der Hardwareabhängigkeit. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 11

12 Wie bekommen wir jetzt die Unabhängigkeit von update und render in den Griff? Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 12

13 Idee 1: Wir erzwingen 60 fps. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 13

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15 60 fps erzwingen Wir könnten einfach den Prozess so lange in eine Ruhephase versetzen, bis es wieder günstig ist, update() und render() aufzurufen: while (true) { double start = getcurrenttime(); processinput(); update(); render(); } sleep(start + MS_PER_FRAME - getcurrenttime()); In diesem Fall entspricht: 1000 ms / FPS = ms per frame. Dieses Konzept funktioniert, wenn das Programm viel zu schnell ist. Aber falls es zu langsam sein sollte, haben wir hier ein Problem. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 15

16 Welchen Wert hat MS_PER_FRAME bei 60 fps? Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 16

17 Idee 2: Wir übermitteln update, wieviel Zeit seit dem letzten Mal vergangen ist. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 17

18 Update abhängig von t machen Eine möglicherweise bessere Strategie ist es, die vergangene Zeit zu betrachten und an update zu übergeben: double lasttime = getcurrenttime(); while (true) { double current = getcurrenttime(); double elapsed = current - lasttime; processinput(); update(elapsed); render(); } lasttime = current; Das kann sich allerdings aufgrund der Rundungsfehler bei Fließkomma-Zahlen als sehr problematisch herausstellen. Beispiel: Wenn zwei Spieler mit sehr unterschiedlicher Hardware in einem Netzwerk spielen, kann der häufigere Aufruf von update() zu einem unterschiedlichen Spielverlauf führen. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 18

19 Idee 3: update benötigt einen festen Zeitschritt. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 19

20 Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 20

21 Update fest machen Die weitere Idee führt uns zu folgendem Code: double previous = getcurrenttime(); double lag = 0.0; while (true) { double current = getcurrenttime(); double elapsed = current - previous; previous = current; lag += elapsed; processinput(); while (lag >= MS_PER_UPDATE) { update(); lag -= MS_PER_UPDATE; } } render(); Die Physik sollte hier im besten Fall schneller als 60 fps laufen. Aber Achtung: Physik sollte dabei noch durch update auf der langsamsten Hardware zu schaffen sein. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 21

22 Im Prinzip arbeitet das System jetzt so: Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 22

23 Was ist problematisch daran? Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 23

24 up() re() up() Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 24

25 Wir müssen render() abhängig von t machen Das können wir mit einer variablen render-funktion z. B. so ausdrücken: render(lag / MS_PER_UPDATE); Das macht die Sache etwas komplexer, aber wir können zwischen den Frames dann einfacher interpolieren. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 25

26 Zusammenfassung Fixed time step with no synchronization einfach, abhängig von Hardware 1) Fixed time step with synchronization einfach, nur gut zum Verlangsamen 2) Variable time step gut zum Verlangsamen und Beschleunigen, undeterministisch! 3) Fixed update time step, variable rendering gut zum Verlangsamen und Beschleunigen, komplex Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 26

27 Unity Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 27

28 Ausblick Euler-Integrationsmethode Runge-Kutta Physik in Games (Java) Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung Computergrafik II SoSe 2014 Folie 28

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