3D-Programmierung. Vorlesung. Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden University of Applied Sciences

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1 Vorlesung 3D-Programmierung Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden University of Applied Sciences Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Sommersemester 2014 Diplomstudiengang Medieninformatik Masterstudiengang Angewandte Informationstechnologien

2 Vorlesungsteil Entwicklung von Game-Engines Die Bildung kommt nicht vom Lesen, sondern vom Nachdenken über das Gelesene. Carl Hilty Vorlesung 3D-Programmierung Prof. Dr. Marco Block-Berlitz

3 Spieleentwicklung im Wandel der Zeit Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 3

4 Entwicklungsabhängige Faktoren Es bedingen sich folgende vier Faktoren nachvollziehbar sehr stark: Hardware (Speicher, CPU, GPU, UI, ) Programmierparadigmen (Imperativ, OOP, Logisch, Funktional, Parallel, Mischformen, ) Software Engineering (Agilität, Model-Based, Test-Driven, Process-Driven, Game-Engineering, ) Software (Tools, Gameengines, ) ausdrucksstärkere Programmiersprachen bzw. Entwicklungswerkzeuge kürzere Entwicklungszeit Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 4

5 Wohin bringt uns diese Entwicklung? Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 5

6 Zum Gameplay! Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 6

7 1936: Ray-o-Lite Lightgun Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 7

8 1958: Tennis For Two Das erste Computerspiel Oszilloskop Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 8

9 1972: Pong Das erste weltweit populäre Computerspiel Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 10

10 1992: Ultima Underworld Erstes Computerspiel mit texturierter 3D-Grafik in Echtzeit Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 14

11 1992: Wolfenstein 3D Erster Ego-Shooter Raycasting Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 15

12 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 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 16

13 Raycasting Raytracing Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 17

14 Raycasting - Grundidee Für jede Bildspalte (jedes x nur einmal) wird ein Strahl aus Richtung des Spielers über die 2D-Karte geschickt, bis dieser ein Wandelement trifft. Dann wird die Entfernung zwischen Spieler und Wand berechnet und in die Wandhöhe umgewandelt. Je weiter weg, desto kleiner und umgekehrt. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 18

15 Raycasting DDA und Kameramodell Digital Differential Analysis (DDA) ist eine schnelle Methode, die Einträge eines Grids aus quadratischen Einträgen zu identifizieren, die durch eine Linie tangiert werden. Wir erzeugen ein einfaches Kameramodell. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 19

16 Raycasting Field of Vision Durch den aufspannenden Winkel zwischen dem linken und dem rechten Strahl verschiebt sich entsprechend die Betrachtungsebene. Größer als 90 wirkt dabei als Herauszoomen (links) und kleiner als 90 als Hineinzoomen (rechts). Bei der Änderung der Blickrichtung, rotiert die Ebene entsprechend mit. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 20

17 Raycasting Ohne Texturen Raycasting ohne Texturen: Eine verzerrte Visualisierung entsteht, wenn die Betrachtungsebene nicht senkrecht zur Blickrichtung steht: Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 21

18 Raycasting Mit Texturen Wenn Texturen angezeigt werden sollen, muss jedes Pixel separat betrachtet werden. Mit den entsprechenden Wolfensteintexturen: Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 22

19 1993: Doom Binary Space Partitioning Grundrisse aus Kurven Variable Raumhöhen Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 23

20 1996: Quake Echte 3D-Umgebung Gegenstände aus Polygonen Mehrspielermodus Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 27

21 1998: Half-Life Skelettbasiertes Animationsmodell Verbesserte Netzwerkkommunikation Computergegner Sound-Raumeffekte Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 28

22 Spieleentwicklung wird professioneller, der Abstraktionsgrad und die Kosten steigen Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 30

23 Teamgrößen Design Technical Artwork 50er-70er er er >2000 5~10 10~20 20~50 Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 31

24 Das Team der Psychologen Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 32

25 2001: Black&White 5.7 Millionen US-Dollar (Budget) 3 Jahre Entwicklung 25 Developer 2 Millionen LoC In-house Technologie Lionhead Studios Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 33

26 2002: Neverwinter Nights TODO 5 Jahre Entwicklung 75 Developer 40 Tester 20 Übersetzer In-house Technologie Bioware Corp Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 34

27 Der Markt unter Zeitdruck Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 35

28 2002: Splinter Cell TODO 5 Monate Entwicklung 76 Developer Unreal Engine Ubisoft Entertainment Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 36

29 2004: Far Cry Cry Engine DirectX 9.0 Shadermodels 3.0 Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 37

30 Bibliothek versus Framework Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 38

31 2007: Unreal Tournament 3 Unreal Engine 3 HDR Rendering Per-pixel Lighting Dynamic Shadows Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 40

32 HDR Rendering Gauss Surface: Variance: Spatial Frequency: Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 41

33 HDR Rendering Continuous Edge Intensity: Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 42

34 HDR Rendering Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 43

35 Warum das Rad neu erfinden? Das neue Marktsegment: Middleware Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 48

36 Middleware Application Operating System Hardware Application Middleware Operating System Hardware Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 49

37 Middleware Taxonomie Middleware Middleware enthält typischerweise Application Programming Interface (API) Dokumentation und Beispiele Support (Forum, Community) Kompilierte Runtime Components (DLLs) Tools Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 50

38 Middleware Taxonomie Middleware Grafik-Rendering Qualitativ hochwertige und flüssige Visualisierung Materialien Beleuchtung und Schatten Szenen-Management Camera Control Animation (objects, character, facial) Special Effects (particles, lens flare) Workflow Tools (exports 3D-Studio Max, Maya) Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 51

39 Middleware Taxonomie Middleware Grafik-Rendering Audio-Rendering Immersion, Emotionen durch Audio Mono/Stereo playback 3D Surround Sound Emulation Effect filters (echo, chorus, reverb, etc.) Streaming Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 52

40 Middleware Taxonomie Middleware Grafik-Rendering Audio-Rendering Mathematik/Physik-Engine Lineare Algebra als Grundlage Range-checked Trigonometric functions Linear Algebra Vector, Matrix, Quaternion Curves and Surfaces Linear, Quadratic, and Cubic curves Bezier and Tension-Continuity-Bias (TCB) curves Bezier and Subdivision Surfaces Physik verleiht Simulationen den notwendigen Realismus Steering behavior Collision Detection Kinematics Simulation Rigid-body Dynamics Simulation Hinge, ball, slider joints Special domains Vehicle simulation Ragdoll simulation Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 53

41 Middleware Taxonomie Middleware Grafik-Rendering Audio-Rendering Mathematik/Physik-Engine Netzwerk/Multiplayer Multiplayer-Spiele, das Messen oder das gemeinsame Spielen mit anderen Communication TCP/UDP, Encryption, Compression Session Management Object World Management, Transaction, Persistency Remote Method Invocation (RMI) Synchronization Management Optimistic/Pessimistic Dead-Reckoning Models Interest Management (reduce synchronization traffic) Lobby and User Management Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 54

42 Middleware Taxonomie Middleware Grafik-Rendering Audio-Rendering Mathematik/Physik-Engine Netzwerk/Multiplayer FSM, Agent design (AI) Computergegner oder Methoden der KI World/Perception Modeling Mobility (Where NPCs can move through) Visibility (What NPCs can see) Audibility (What NPCs can here) Path-Finding Behavior Modeling Finite-State Machine (FSM) Artificial Neural Network (ANN) Rule-based Systems Team Collaboration Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 55

43 Middleware Taxonomie Middleware Grafik-Rendering Audio-Rendering Mathematik/Physik-Engine Netzwerk/Multiplayer FSM, Agent design (AI) Autom. Level-/Weltgenerierung Geologische und biologische Plausibilität z. B. bei Terrain und Pflanzen, Open-World-Games Planet synthesis Terrain, water, atmosphere, satellites Very huge and detailed game worlds Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 56

44 Middleware Taxonomie Middleware Grafik-Rendering Audio-Rendering Mathematik/Physik-Engine Netzwerk/Multiplayer FSM, Agent design (AI) Autom. Level-/Weltgenerierung 3D-Gameengine (all-in-one) 3D-Game-Engines sind all-in-one Produkte mit eigenen Workflowtools 3D Graphics/Audio Rendering Input Handling Graphical User Interface (GUI) Physics Simulation Agent design Script Engine Integrated Tools Multiplayer (for lobby type only) Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 57

45 Gameengine versus Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 58

46 Make or buy? Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 60

47 Eigenentwicklung vs. Middleware Spiele von Grund auf entwickeln versus Einsatz von Middleware Vorteile Lerneffekt, Kompetenzentwicklung, Verständnis für das Ganze Entwicklung einzigartiger, unverwechselbarer Spielmerkmale Wiederverwendbarkeit für weitere Eigenentwicklungen Als eigenes Produkt verwertbar (Middleware) Nachteile Heutzutage sind viele Experten notwendig um den aktuellen Stand der Technik zusammenzuführen Hoher Erwartungsdruck: real-time, interative, networked, persisted, massive users, virtual reality system Entwicklungszeit ist sehr lang, da parallel zum eigentlichen Spiel eine Entwicklungsplattform realisiert wird Hohes technologisches Risiko aufgrund der zusätzlichen Abhängigkeiten Vorteile Minderung des Risikos Knowhow und Problemlösungen bereits vorhanden Verbessert sich die Engine, verbessert sich die Spielvisualisierung Nachteile Vertragliche Abhängigkeiten über ständig ändernde Lizenzmodelle, Kosten Team muss geschult (spezialisiert) werden Oft Integrationsschwierigkeiten bei bereits vorhandenem Material (Code/Assets) Spektrum der Anforderungen werden nicht komplett erfüllt, zusätzliche Eigenentwicklungen müssen vorgenommen werden Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 61

48 Aufbau einer Gameengine Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 62

49 Wie reif ist die Softwaretechnik? Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 63

50 Softwaretechnik als junge Disziplin Softwaretechnik ist im Vergleich zu etablierten, industriellen Ingenieurdisziplinen eine relativ junge Disziplin (ca. 50 Jahre alt). Das Bauwesen ist beispielsweise so alt wie die Menschheit selbst. Den Buchdruck gibt es seit ca. 500 Jahren. Reife Disziplinen zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass: ihre Standardfälle wohl definiert und gut genormt sind und die Planung kosten- und zeitmäßig verlässlich ist Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 64

51 Grundhaltung Unprofessionell ist es, Fehler und Scheitern mit der Jugendlichkeit der Disziplin Softwaretechnik zu begründen: "Die wahre Substanz von Software ist unergründlich." (Mystifizierung) "Nur Ausnahmeköpfe können gute Software schreiben." (Glorifizierung) Folgende überprüfbare Thesen gelten dabei: ordentliche Softwareprojekte sind heute absolut mach- und kontrollierbar die Substanz und Komplexität eines Softwaresystems ist fast immer methodisch beherrschbar es ist eine Disziplin, in der die handelnden Personen über Erfolg oder Misserfolg entscheiden, es bedarf keiner Genies nötig sind Erfahrung, Angemessenheit und Demut; insbesondere die Demut der Verantwortlichen (Management und Technik) zu erkennen, wo die eigenen Grenzen liegen und Unterstützung erforderlich ist Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 65

52 Industrialisierung Für die Softwaretechnik lassen sich zusammenfassen: Pioniere, Gründer und Erfinder gab es in den 60er und 70er Jahren in den 80er Jahren begann die relevante Rationalisierung und Verbreitung durch den PC in der Wissenschaft, die vorher vornehmlich Algorithmen, Datenbanken, Compiler und Programmiersprachen und jetzt zunehmend Methoden im Fokus hatte 80er und 90er Jahre zeugen vom Willen zur Industrialisierung mit punktuellen Erfolgen, keinesfalls aber mit einer nachweislichen Marktdurchdringung über alle Systemklassen und Projektkulturen Industriell lässt sich festhalten: Der Markt ist in keiner Weise durch klare Produktklassen segmentiert und verdichtet Die Disziplin hat noch wenig Gedächtnis und kann Erfolg von Misserfolg nur situativ und nach längerer Rückschau identifizieren Die wissenschaftliche Prüfung und Bewertung von Innovationen funktioniert (noch) nicht. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 66

53 Reifegrade der Themen Die Reifegrade der Teilthemen sollten beachtet werden und dafür die entsprechende Klassifizierung vorzunehmen: Welche Teile meines Projektes sind objektiv Kunst oder Kunsthandwerk? Welche Teile befinden sich im Bereich der guten und verlässlichen Rationalisierung? Wo liefert mir die Industrialisierung der Softwaretechnik verlässliche, preiswerte, gesicherte Lösungen und wo ist das Versprechen des Marktes dazu nur ein Versprechen, das nicht eingelöst werden kann? Wie segmentiere und projiziere ich mein Projekt angemessen auf diese Reifegrade? Für welche meiner Projektmitarbeiter gilt welche Erfahrungsstufe in welchem Technologiebereich? Bin ich mir, sind sich meine Fachexperten, dieser Mechanismen bewusst und gehen ihre Entscheidungs- und Planungswege damit ruhig und sicher um? Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 67

54 Persiflag zur Softwaretechnik Was der Kunde erklärte Was der Projektleiter verstand Wie es der Analytiker entwarf Was der Programmierer programmierte Was der Berater definierte Wie das Projekt dokumentiert wurde Was installiert wurde Was dem Kunden in Rechnung gestellt wurde Wie es gewartet wurde Was der Kunde wirklich gebraucht hätte Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 68

55 Phasen der Softwareentwicklung Es gibt typischerweise fünf Phasen in der Softwareentwicklung: 1) Analysephase (Anforderungsdokumentation, Machbarkeitsstudie) 2) Entwurfsphase (OOD-Dokument) 3) Implementierungsphase (Spezifikation) 4) Integrations- und Testphase (Test- und Abnahmeprotokolle) 5) Inbetriebnahme, Rollout und Wartung (Spezifikationspflege) Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 69

56 Viele unterschiedliche Qualitäten sind gefragt. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 70

57 Rollen in einem Gamedesign-Team Narrator User-Interface-Designer Tester Komponist Leveldesigner 3D-Artist Programmierer Video-Artist Concept-Artist Texturierer Entwickler Producer Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 71

58 Teamfähigkeit und Kommunikation Heutzutage sind Teamfähigkeit und gute Kommunikation Grundvoraussetzungen für einen erfolgreichen Einstieg und eine lange Ausdauer. Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 72

59 Warum unterscheidet sich die Entwicklung von Spielen in Bezug auf Standard -Software? Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 73

60 Wie gehören Softwaretechnik und Spieleentwicklung zusammen? Prof. Dr. Marco Block-Berlitz Vorlesung 3D-Programmierung SoSe 2014 Folie 74