Spielegrafik im Wandel: Vom ASCII-Zeichensatz über DOS zur 3D-Grafik (Teil 1)

Quelle: PC Games Hardware Spielegrafik im Wandel: Vom ASCII zur Grafik (Teil 1) Real-Time Global Illumination, Photon-Mapping, Ray-Tracing und ein gutes Dutzend weiterer, zumeist anglophil anmutender Schlagwörter bestimmen derzeit, ob ein 3D-Spiel (möglicherweise) über eine gute Grafik verfügt. Dabei fallen die Verbesserungen zunehmend geringer aus – eben weil die PC-Grafik die bedeutendsten Schritte schon hinter sich hat. Bei manchen Werbe-Screenshots kommender Spiele fragt man sich trotzdem unwillkürlich, ob es sich bei den Bildern um Computergrafik oder stark nachbearbeitete Fotos handelt. Wir zeichnen in diesem Artikel, welcher bereits zuvor in der Printausgabe der PC Games Hardware veröffentlicht wurde, den langen Weg der Computergrafik nach – von den ASCII-Anfängen bis zum Fernziel "Holodeck".

Von der Schreib- zur Spielmaschine

Der IBM-PC war in seiner Urform alles andere als spieletauglich – selbst im Vergleich zu anderen Computern seiner Zeit. Allein die Ausgabemöglichkeiten mit einer Zweifarb-Palette in einem Raster von 80 Zeichen in 25 Zeilen waren arg begrenzt, von Geräuschuntermalung abseits der Pieptöne des PC-Speakers und anderen heute üblichen Annehmlichkeiten ganz zu schweigen. Über die Jahre wurden allerdings verschiedene neue Grafikstandards wie EGA oder VGA geschaffen, die neben pixelgenauer Ansteuerung des Monitors auch die gleichzeitige Verwendung verschiedener – erst vier, später 16 oder gar 256 – Farben erlaubten und somit auch die erkennbare Darstellung von Bildern. Weitere Details entnehmen Sie bitte der Tabelle auf der rechten Seite.

Von ASCII zu Grafik

Quelle: PC Games Hardware Rouge 4 Quelle: PC Games Hardware Ultima 1 Bei den ersten Spielen handelte es sich um Rollenspiele und reine Text-Adventures oder sogenannte "Interactive Fiction": Geschichtenerzählung mit der Möglichkeit, den Handlungsverlauf zu beeinflussen. Eine grafische Darstellung im heute üblichen Sinne gab es nicht, vielmehr wurde der übliche Zeichensatz, der American Standard Code of Information Interchange, kurz ASCII, dazu zweckentfremdet. Der Spielercharakter war in Rogue zum Beispiel ein ASCII-Smiley, Gegner wurden durch ihre Anfangsbuchstaben gekennzeichnet – ein "S" steht etwa für eine Schlange, ein "H" für einen Hobgoblin (wie hier links zu sehen).

Um das Jahr 1980 herum begannen Spieleentwickler wie das Ehepaar Williams (u. a. bekannt für King's Quest), grobe Skizzen zur visuellen Unterstützung der textgetragenen Handlung in Adventures einzuführen. Allerdings handelte es sich bei dieser Art von Grafik nicht um etwas, das auch nur annähernd etwas mit den bunten Bildern aus der späten DOS-Zeit zu tun hatte. Auch hier waren es eher Strichzeichnungen, wenngleich sie schon deutlich mehr mit erkennbarer Grafik zu tun hatten als die ASCII-Wüsten. Das Adventure Mystery House (1980, Apple II) gilt als das erste, das diese Art von Grafik einsetzt. Später, mit den vergleichsweise fortschrittlicheren Farbstandards EGA und VGA, entwickelte sich die Grafik sowohl in Sachen Animation als auch hinsichtlich des Detailgrades der Bilder deutlich weiter, obwohl bereits Ultima I eine 3D-Ansicht in Vektor-/Liniengrafik (siehe hier links) bot.

Zenit der DOS-Grafik

Dank trickreicher Ausnutzung des VGA-Standards inklusive cleverer Mode-X-Hacks, welche höhere Auflösungen mit 256 Farben kombinierten, erreichte die reine DOS-Grafik Anfang bis Mitte der Neunzigerjahre ihren Höhepunkt. Auch schnelle Jump&Run-Spiele wie Commander Keen waren dank schneller Grafikkarten mit einem Grafikspeicherausbau von einem Megabyte und mehr möglich. Hinzu kam der Sprung in die dritte Dimension, welche nach den Anfängen der (unausgefüllten) Vektorgrafik nun mit gefärbten Polygonen nicht nur in Spielen wie der Flugsimulation Falcon 3.0, sondern auch Indycar Racing oder der populären X-Wing Reihe Verbreitung fand. Mittels Gouraud-Shading wurde ein Farbverlauf auf dem ansonsten einfarbigen Vieleck ("Flat Sha­ding") erzeugt, der Ansätze einer Beleuchtungstechnik darstellte. Grafikbeschleuniger wie die Matrox Millennium und Mystique boten sogar eine Beschleunigungsfunktion­ für diese Art von 3D-Grafik.

Quelle: PC Games Hardware Prähistorische Grafik: Neben zwei von drei Beispielen im Aufmacher hatte auch das Assembler-Rennspiel Turbo von 1987 (linkes Bild) eine für moderne Verhältnisse ziemlich bescheidene Grafik. Dagegen sah das unbeschleunigte, DOS-basierte The Need for Speed von 1995 (rechtes Bild) schon eher nach einem richtigen Rennspiel aus - inklusive räumlicher Ansicht.
Shooter wie Catacombs 3D, eines der dreidimensionalen Erstlingswerke von id Software, bedienten sich eines Raytracing-Verfahrens, um eine zumindest in Grundzügen dreidimensionale Grafik von der CPU berechnen zu lassen. Boden und Decken in den Räumen waren noch einfarbig – die Rechenleistung genügte einfach nicht, um alle Oberflächen mit Texturen zu bekleben, und Wände waren für die räumliche Orientierung am wichtigsten. Wie auch im Nachfolger Doom bestanden Gegner und Objekte aus skalierten und gedrehten Sprites, also starren Texturen, und trübten so den Realismus.

Auf diese Art von Einsparung setzte zum Teil auch Interplays Weltraumspiel Descent, das ansonsten eine dreidimensionale Welt inklusive Sechsachsensteuerung bot. Eines der ersten komplett dreidimensio­nalen Spiele war Quake von id Software. Nicht nur die Levelgrafik, auch der Aufbau der einzelnen Spielabschnitte und die Gegner sowie Partikeleffekte verzichteten auf Sprite-basierte Animationen. Das Spiel bildete gleichsam den Höhepunkt der konventionellen DOS-basierten Grafik, bevor sich die 3D-Beschleunigung durchsetzte. Ein Software-Renderer war trotz der nochmals deutlich besseren Grafik wie zum Beispiel in Epics Unreal nur noch Beiwerk aus Gründen der Kompatibilität.

Quake führte starke Pentium-Optimierungen, eine dreidimensionale Spielwelt und erst mit v-, später mit GL-Quake (im Bild links) 3D-Beschleunigung im Shooter-Genre ein.

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Quake mit 3D-Beschleunigung Quake ohne 3D-Beschleunigung

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Von DOS-Grafik zur 3D-Beschleunigung

Quelle: PC Games Hardware Falcon 3.0 steht stellvertretend für das Genre der Flugsimulatoren, die bei Erscheinen des Spiels bereits seit geraumer Zeit polygonbasierte 3D-Grafik einsetzten - wenn auch mit teils sehr niedriger Auflösung oder Drahtgittergrafik. Obwohl Intels Pentium-Prozessor bei entsprechender FPU-Optimierung ein mächtiges Werkzeug war, konnten die Spiele-Entwickler mit weiterer Unterstützung durch die Hardware zunehmend fortschrittliche Effekte einbauen, die der Optik zugutekamen. Musste die CPU ursprünglich noch eine Vielzahl an Funktionen übernehmen, konnte sie sich mit dem Aufkommen der 3D-Beschleuniger auf das Zusammensetzen der 3D-Welt und Aufgaben wie die Kollisionsabfrage, Spielmechanik oder künstliche Intelligenz konzentrieren. Die Grafikbeschleuniger übernahmen hingegen Funktionen wie das bereits angesprochene Gouraud-Shading, eine lineare Lichtverteilung über eine Polygonoberfläche. Auch das Aufbringen von Oberflächentexturen konnten die Pixelbeschleuniger aufgrund spezialisierter Schaltkreise schneller erledigen, ebenso die Perspektivenkorrektur von Texturen. Diese werden von ihrer Ausgangsform, einer zweidimensionalen, also glatten Oberfläche, in den World-Space überführt und werden dabei meist gekrümmt oder verzerrt. Erst die zweite Generation der 3D-Beschleuniger wie 3Dfx' Voodoo Graphics und der Power VR PCX2 konnten die bilinea­re Filterung, also das gewichtete Vermischen mehrerer Texturwerte, sowie MIP-Mapping gegen das heftige Flimmern in der Tiefe des 3D-Raums schnell genug ausführen und so für die Verwendung in Spielen nutzbar machen – zwar beherrschten schon die S3 Virge- und Renditions Verité-Chips diese Techniken, lieferten dabei jedoch Fps-Raten, die deutlich unterhalb der nicht "beschleunigten" (aber eben auch nicht aufgehübschten) Spiele lagen. Insbesondere die ersten Virge-Karten – deren Name übrigens für Virtual Reality Graphics Engine steht – verdienten sich so den Ruf eines "3D-Entschleunigers" (3D-Decelerator).

Zarte Fortschritte

Mit steigender Leistung der 3D-Karten fanden weitere Effekte und Techniken nach und nach ihren Weg in die Spiele. In dieser Zeit waren sogenannte Lens Flares modern, welche zum Beispiel in Psygnosis' Formula 1 '97 3D-beschleunigt zum Einsatz kamen und die Lichtreflexionen in Kamera-linsen simulierten. Alpha-Blending erlaubte sanfte(re) Farbübergänge gegenüber dem Alpha-Stippling, welches grob (und artefaktreich) zwei Texturen übereinanderlegte (s. Unreal-Screenshot unten links).

Zusätzlich machte der Schritt zu 3D in Verbindung mit immer mehr Grafikspeicher auch weitere Auflösungen salonfähig, ohne dass dafür jeweils ein fest definierter Standard geschaffen werden musste. Die mögliche Pixelzahl, besonders unter Windows, hing nun hauptsächlich von den Treibern, der RAMDAC-Geschwindigkeit und der Menge des Grafikspeichers ab. Die sinnvolle Auflösung war aus Leistungsgründen anfangs jedoch noch stark begrenzt, 3Dfx' Voodoo Graphics, Atis Rage II oder Nvidias Riva 128 etwa hatten ihre vernünftige Grenze in anspruchsvollen Spielen bei 512 x 384 oder 640 x 480 Bildpunkten (die Voodoo konnte nur unter Verzicht auf den Z-Buffer überhaupt 800 x 600 Pixel darstellen). Erst schnellere Karten der nächsten Generation machten Spiele wie Unreal, Tomb Raider und Co. auch in 800 x 600 und da­rüber hinaus möglich.

Quelle: PC Games Hardware CPU gegen Grafikkarte: 3D-Beschleunigung in Unreal: Der 3D-Shooter Unreal zieht 1998 alle Register der 3D-Technik. Ein flotter Software-Renderer zeigt die bis dahin beste Grafik ohne Beschleunigung (links, Mitte), kommt aber gegen die beschleunigte Optik (rechts) mit Multi-Texturing, Alpha-Blending, Spiegelungen und Texturen nicht an. Achten Sie auf die Flamme im Vordergrund!

Entwicklung der Computergrafik

Einige der ersten Spiele, die im Jahr 1998 die neu gewonnene Effektvielfalt wirklich umfassend nutzten, waren das bereits genannte Unreal und Acclaims quietschbuntes, aber sehr ansehnliches Forsaken. Der nächste größere Umbruch kam mit 32 Bit, Hardware-TnL und Shadern – damit beschäftigen wir uns in der auf der kommenden Seite.

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Am Anfang war der ASCII-Zeichensatz ... So könnte man die Geburt des PC-Spiels beschreiben. PC Games Hardware wirft einen Blick zurück auf die Anfänge und auf wichtige Entwicklungen der Spielegrafik und arbeiten uns dann vor bis zur Neuzeit, in der Begriffe wie Global Illumination fallen.

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1. Seite 1 Spielegrafik im Wandel - Teil 1.1: Es wird bunt
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