PCGH-Retro: Die wichtigsten 3D-Effekte anno 1998

Der folgende Wissensartikel stammt aus einem 3D-Sonderheft von Computec vom März 1998, das praktisch den Grundstein für PC Games Hardware legte. Der Artikel ist komplett original, nur die Rechtschreibung haben wir leicht modernisiert. Bedenken Sie diesen Umstand beim Lesen des Artikels. Sollten Sie an solchen Retro-Wissensartikeln auch in Zukunft Interesse haben, dann nutzen Sie die Kommentarfunktion und teilen Sie uns das mit. Wenn ein Spieler seinen Lieblingstitel zockt, sind zwei Faktoren von Bedeutung: Darstellungsqua&shy;lität und Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit lässt sich einfach und objektiv in Fps (frames per seconds/Bilder pro Sekunde) be&shy;urteilen. Bei so subjektiven Fein&shy;heiten wie der Qualität eines dar&shy;gestellten Bildes gehen die Mei&shy;nungen schon weiter auseinan&shy;der. Da reicht dem einen bereits die Qualität des Software-Rende&shy;rings, während sich der andere schon bei der Qualität eines S3 Virge vom Monitor abwendet. Dieser Artikel soll Ihnen helfen, die angepriesenen Features und Funktionen anhand ihrer Nütz&shy;lichkeit zu beurteilen und abzu&shy;wägen, ob Sie sie wirklich benöti&shy;gen. Anhand ausgewählter Spieletitel haben wir uns ausgiebig mit den vorhandenen Effekten be&shy;schäftigt und ihre spielerische Umsetzung mittels Screenshots festgehalten. Ein wichtiges Qua&shy;litäts-Kriterium ist im übrigen die Anzahl der darstellbaren Farben. Erst die Karten der aktuellen Chipgeneration bieten teilweise Echtfarbdarstellung bei 3D-Pro&shy;grommen an. Bis jetzt mußten die Bilder zur Darstellung auf 16 Bit heruntergerechnet werden, was teilweise zu hässlichen Farbver&shy;läufen führt. Da aber bisher kaum Spiele Echtfarbrendering nutzen, heißt es abwarten, was die Zukunft bringen wird. Bekleben von Spielobjekten mit Texturen Um die Komplexität einer Szene im akzeptablen Bereich zu halten, wer&shy;den Form und Aussehen von Objek&shy;ten getrennt. So besteht die kugelför&shy;mige Erde aus einer geringen Zahl von Polygonen, über die Texturen ge&shy;klebt werden. Diese Vorgehensweise wird als Texture Mapping bezeichnet. Ein weiteres Beispiel wäre ein Gebäu&shy;de: Ein Haus besteht aus einem Qua&shy;der und einer horizontal verlaufenden Dreieckssäule, die den Giebel bildet. Dazu eine Textur mit Klinkern und Fenstern für jede Seite des Hauses, dann noch eine Textur für die Dach&shy;pfannen, fertig ist das Eigenheim. Erzeugung eines Farbverlaufs auf Texturen Damit in 3D-Spielen nicht alles durch die Verwendung von Polygonen bzw. Dreiecken eckig und kantig wirkt, bedient man sich des Gou&shy;raud-Shadings. Bei diesem Verfah&shy;ren, das nach dem Mathematiker Henri Gouraud benannt wurde, wer&shy;den Farbverläufe ausgehend von den Eckpunkten der Dreiecke er&shy;zeugt. Dadurch erscheinen die Ob&shy;jekte runder bzw. glatter, so daß die Übergänge fast nicht mehr zu sehen sind. Im Spiel Incoming zeigen sich die dramatischen Qualitätsunter&shy;schiede zwischen dem einfachen Flat Shading und Gouraud Shading. Einbau von Nebelelementen am Horizont Eine weitere Methode zur Begren&shy;zung der Objekt-Anzahl stellt Fogging (Nebel) dar. Diese Technik wird oft eingesetzt, um den Horizont oder Berge am Rande des Geschehens in Nebel zu tauchen. Dies trägt eben&shy;falls viel zur Atmosphäre des Spieles bei. Beim Fogging unterscheidet man zwischen zwei Arten: Fog Table und Fog Vertex. Bei der Standard-Technik Fog Vertex kann der Programmierer jedem Polygon einen Fog-Wert zu&shy;weisen. Beispiele hierfür sind aufstei&shy;gende Dämpfe. Fog Table wirkt reali&shy;stischer, lässt sich aber nur für "richti&shy;gen" Nebel verwenden. Nebel dient bei manchen Spielen auch zur Ein&shy;sparung von Rechenzeit. Schattenwurf von Objekten durch Lichteinfluß Schatten stellen ebenfalls einen nicht zu unterschätzenden Atmosphären-Effekt dar. Sie begegnen dem Be&shy;trachter in der realen Welt auf Schritt und Tritt. Ausnahmen sind höchstens dann anzutreffen, wenn ein Ort völ&shy;lig diffuse Lichtverhältnisse aufweist. Ohne Schattenwurf wirken Spiele-Szenen sehr schnell steril und künstlich. Aber Schatten können auch als wichtige Informationsquelle für den Spieler dienen. So kann er sich nähernde Gegner früher erkennen oder Entfernungen zu Objekten oder Spielfiguren wesentlich besser ein&shy;schätzen. Eine große Rolle spielen Schatten bei Rennspielen und Flug&shy;simulationen. Darstellung von Transparenzeffekten Das Alpha Blending stellt eine der grundlegendsten Funktionen heutiger 3D-Hardware dar. Es wird verwen&shy;det, um durchsichtige Objekte (Fen&shy;ster oder Wasseroberflächen) korrekt wiederzugeben. Farben werden im Computer im RGB-Model (Rot, Grün, Blau) gespeichert. Um einen Textur&shy;punkt durchsichtig zu machen, muß man ihm einen weiteren Farbwert zu&shy;ordnen: den Alpha-Wert. So wird in 3D-Spielen das RGBA-Model ver&shy;wendet. Durch Anwendung des RGBA-Models kann man nicht nur den Farbwert genau festlegen, son&shy;dern ebenfalls die Durchsichtigkeit ei&shy;nes Objektes. Am Beispiel von X soll Alpha Blending demonstriert werden. Geschmeidigere Texturen durch Farbmischung Beim Texture Mapping wird anhand eines Punktes auf der Fläche der pas&shy;sende Pixel der Textur ausgesucht und an dieser Stelle präsentiert. Die&shy;ses Verfahren nennt sich Point Samp&shy;ling. Der Nachteil liegt darin, daß aus kurzer Distanz der gleiche Farb&shy;wert für mehrere Pixel verwendet wird. Es kommt dann zu der bekannten Klötzchenbildung, da verschiede&shy;ne Pixel farblich zusammenklumpen. Abhilfe bei diesem Problem schafft das bilineare Filtering. Bei diesem Filter werden jeweils die vier nächst&shy;gelegenen Pixel gemischt und das Er&shy;gebnis als Farbwert des Bildschirm&shy;punktes verwendet. Die Szene wirkt dann wesentlich weicher. Einsatz unterschiedlich aufgelöster Texturen Durch das bilineare Filtering sehen die Texturen aus der Nähe schon recht gut aus, wenn sie aber weit vom Betrachter entfernt sind, treten andere Probleme auf. Da die Texturen sehr stark verkleinert werden müssen, be&shy;merkt man an weit entfernten Flächen ein leichtes Flimmern. Um dies zu ver&shy;meiden, wurde das Mip Mapping eingeführt. Die größte Textur wird auf ein Viertel der ursprünglichen Größe ver&shy;kleinert und gefiltert, die verkleinerte Textur wird wiederum verkleinert usw. Eine 64x64 Pixel große Textur würde also insgesamt sechsmal verkleinert werden. Diese minimierten Texturen werden passenderweise auch als Mip Maps bezeichnet. Filtern zwischen einzelnen Mip-Maps Was jetzt aber negativ auffällt, ist das Umschalten zwischen zwei Mip Maps. Der dadurch plötzlich auftre&shy;tende Schärfesprung wird als Mip Map-Banding bezeichnet. An dieser Stelle kommt das rechenintensive, trilineare Filtering ins Spiel. Hierbei werden die beiden nächsten Mip Maps bilinear gefiltert, und die Ergebnisse werden in Abhängigkeit ih&shy;rer Entfernung zur echten Position verrechnet. So werden zwischen den einzelnen Mip Maps weiche Über&shy;gänge erzeugt. Die neueste Grafik-Generation wie der TNT oder der Savage3D können diesen Effekt in einem Rechenzyklus darstellen, ältere Karten brauchen zwei Zyklen. Verbesserte Texturderstellung bei Wänden Ein großer Teil der Funktionen heuti&shy;ger 3D-Hardware zielt darauf ab, die Texturen durch den Einsatz diver&shy;ser Filter besser darzustellen. Einer dieser Filter ist die Perspektiven-Kor&shy;rektur. Sie ist notwendig, um Texturen zu entzerren, die vom Vorder- in den Hintergrund verlaufen. Der Grund: Korrekt aussehende Texturen müssen hinten kleiner sein als vorne. Die Per&shy;spektiven-Korrektur berechnet die Größe der Texturen in Abhängigkeit der Entfernung zum Spieler. Vor allem bei Schriften oder Mustern an den Wänden kann man hervorra&shy;gend erkennen, ob das Spiel oder die Grafikkarte perspektivisch kor&shy;rekte Ansichten liefert. Glättung von pixeligen Polygonkanten Um bei schräg verlaufenden Kanten die Treppchenbildung zu reduzie&shy;ren, wird das sogenannte Anti-Alia&shy;sing durchgeführt. Hierbei gibt es zwei unterschiedliche Techniken. Beim Edge Anti-Aliasing werden zwischen der schräg verlaufenden Linie und dem Hintergrund Mischpi&shy;xel berechnet. Beim aufwendigeren Super Sampling, welches das ge&shy;samte Bild berücksichtigt, wird die Szene in einer höheren Auflösung berechnet und zur Ausgabe wieder verkleinert. Bei einer Auflösung von 800x600 würde der Chip das Bild in 1.600x1.200 berechnen, was aber einen viermal so großen Spei&shy;cher benötigt. Reflexionen der Umgebung auf Oberflächen Spiegelungen kommen wie durch&shy;sichtige Flächen recht häufig in unse&shy;rer Umwelt vor. Zur Darstellung in Spielen wird das sogenannte Envi&shy;ronment Mapping verwendet. Diese Technik gibt auf einem Objekt die Spiegelung der Umgebung wieder. Anders als bei einer normalen Textur muß die Environment-Map ständig neu berechnet werden, um immer die korrekten Spiegelungen darstel&shy;len zu können. Wenn man beispiels&shy;weise auf die Heckscheibe eines fah&shy;renden Autos achtet, sieht man eine Spiegelung der Umgebung. Diese ändert sich natürlich in Abhängigkeit der Position und Geschwindigkeit des Wagens. Lichtreflexion auf Glasscheiben Lens Flares stellen auch eine Form von Spiegelungen dar. Diesen Effekt kann man beobachten, wenn man durch eine Brille oder Scheibe auf ei&shy;ne starke Lichtquelle sieht. Bei einem bestimmten Einfallswinkel des Lichtes treten Lens Flares auf. In der Realität entstehen sie an den Blenden eines Objektives und können entweder rund oder fünfeckig (Blendenform) sein. Im Spielebereich findet man Lens Flares in Flug- oder Rennsimula&shy;tionen, um dort den Eindruck eines Cockpits realitätsnäher zu vermitteln. Eigentlich kann fast jede aktuelle Grafikkarte diesen Effekt problemlos darstellen, notfalls sieht die Software-Darstellung meist auch recht gut aus. Darstellung sichtbarer Oberflächenstrukturen Eine weitere Neuerung im Bereich der Texturierung von Objekten stellt das Bump Mapping dar. Während normale Texturen flache Bilder sind, stellt eine Bump Map ein Graustufen&shy;bild dar, bei dem jede Graustufe ei&shy;ne Höhenstufe repräsentiert. Durch diese Technik lassen sich rauhe und unebene Oberflächen sehr gut darstellen. Um den Schattenwurf korrekt zu präsentieren, müssen die Bump Maps laufend neu berechnet wer&shy;den. Der Voodoo2 ist die einzige 3D-Platine, die schon ein passendes Spiel mit Bump Maps vorweisen kann: RoboRumble von Topgrade nutzt die Technik zur optischen Kosmetik. Verwaltung von Tiefeninformationen Damit eine Szene real wirkt, dürfen Objekte beispielsweise nicht halb in Wänden verschwinden. Aus diesem Grund werden die Tiefeninformationen eines jeden Punktes im sogenannten Z-Buffer der Grafikkarte abgelegt. Auf diese Weise kann sie ermitteln, welche Objekte einer Szene von anderen verdeckt werden. Diese Objekte werden dann selbstverständlich auch nicht berechnet. Die Genauigkeit des Z-Buffers wird in Bit angegeben. Hier ist nicht die Farbtiefe gemeint, sondern die Anzahl der Ebenen, die der Z-Buffer kennt. Mit steigender Ebenenanzahl in Spielen muß auch die Genauigkeit der Verdeckungsberechnung mitwachsen. Zusätzliche 3D-Features Neben den oben beschriebenen 3D-Effekten gibt es noch zusätz&shy;liche Fähigkeiten, die moderne Grafikkarten mittlerweile beherr&shy;schen bzw. beherrschen sollten: Strips und Fans Strips und Fans sind zwei neue Schlagworte im Bereich 3D-Kar&shy;ten. Viele Polygone bzw. Dreiecke teilen sich gemeinsame Kanten. 3D-Karten können diese Kanten zu einem Strip zusammenfassen, statt sie getrennt zu berechnen. So werden nur die neuen Punkte ei&shy;nes Polygonkörpers berechnet, die Kanten der dadurch entstehenden Dreiecke ergeben sich dann von selbst. Bei Fans werden auch Posi&shy;tionsdaten gemeinsam genutzt, nur geht es hier um zusammenfal&shy;lende Punkte von mehreren Drei&shy;ecken. Diese Techniken sparen natürlich enorm Rechenzeit ein. Die Unterstützung von Strips und Fans ist in DirectX 6, OpenGL und Glide 3 implementiert. Anisotropes Filtern Durch das starke Filtern wirken Texturen schnell verschwommen. Besonders fällt dies in einem lan&shy;gen Gang auf. Die Wandtexturen müßten horizontal eigentlich viel stärker gefiltert werden als in ver&shy;tikaler Richtung. Die meisten 3D-Karten wenden in diesem Fall ein&shy;fach den stärkeren Faktor auf bei&shy;de Achsen an, deshalb wirken ei&shy;nige Flächen unschärfer als ei&shy;gentlich gewünscht. Als Gegen&shy;maßnahme bietet sich das sehr rechenintensive und wenig ver&shy;breitete anisotrope Filtering an. Anisotrop bedeutet un&shy;gleichmäßig, was die Wirkung dieses Filters auch sehr gut be&shy;schreibt. Er filtert entlang der X-und Y-Achse unterschiedlich stark. Dies führt zu einer nach heutigen Maßstäben perfekten Oberfläche. Multi-Texturing Eine Neuerung im Zusammen&shy;hang mit Texturen ist das soge&shy;nannte Multi-Texturing. Hierbei werden auf ein Polygon statt nur einer Textur gleich mehrere pla&shy;ziert. Dies kann dazu genutzt wer&shy;den, um den Detailreichtum zu er&shy;höhen. Unreal verwendet bei&shy;spielsweise vier Texturen für ein Objekt: eine "normale", eine De&shy;tail-, eine Licht- und zusätzlich noch eine Textur für volumetri&shy;sches Licht oder Nebel. Dass so etwas sehr zu Lasten der Performance geht, dürfte jedem klar sein. Es gibt aber mittlerweile schon 3D-Karten mit einem zwei&shy;ten Texturprozessor, die dem Ge&shy;schwindigkeitverlust entgegenwir&shy;ken. Das Spiel muß die zusätzli&shy;che Textureinheit aber explizit an&shy;sprechen. Deshalb gibt es für Un&shy;real beispielswese einen speziel&shy;len Multi-Texturing-Patch. 02 OpenGL und SiN können von vorn&shy;herein eine eventuell vorhandene zweite Textureinheit zurückgreifen, da OpenGL schon recht früh diese Technik integriert hat. Texturenkompression Bei der Texturkompression von DirectX 6, die Microsoft von S3 lizenziert hat, ist es dem Program&shy;mierer möglich, die Texturen schon gepackt im Spiel abzule&shy;gen. Auf diese Weise liegt nur die komprimierte Version im Haupt&shy;speicher und benötigt weniger Bandbreite beim Transport ins RAM der 3D-Karte. Da sie dort auch nur bei Bedarf entpackt wird, passen entsprechend mehr Texturen in den Speicher.

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