Spielegrafik im Wandel - Teil 1.2: Es wird dreidimensional

Im zweiten Teil der Reihe betrachten wir den Siegeszug von 32-Bit-Rendering und Geometriebeschleunigung sowie das Aufkommen der ersten Shader-Effekte in der Spielegrafik.

Von 2D-Grafik und Voxel-Exoten: Grafik aus der Prä-3D-Zeit muss nicht häßlich sein. Wie Pro Pinball: Timeshock (links) stellvertretend für das Flipper-Genre beweist, können auch 2D-Spiele durchaus hübsch sein. Im rechten Bild sehen Sie Outcast, das ähnlich wie Novalogics Comanche eine Voxel(-Space)-Technik zur Darstellung der Spielwelt nutzt. Viele aktuelle Computerspiele beziehen einen großen Teil ihrer Faszination daraus, dass sie den Spieler in eine virtuelle Welt abtauchen lassen – mit zunehmend besserer Technik gilt das zumeist sogar für die optisch ehemals eher schlichten Browser-, Online- und Casual-Spiele. In unserer Reihe über Spielegrafik im Wandel schauen wir auf die Entwicklung und wichtige Eckpunkte der Darstellung von Computerspielen.

Rückblick: Anfangsjahre

Im ersten Teil der Reihe haben wir den Weg der Pixel vom groben Spalten- und Zeilenraster aus den Anfängen der DOS-Grafik verfolgt und sind bei den ersten wirklich dreidimensionalen Spielen und den Kinderschuhen echter 3D-Beschleunigung stehen geblieben. Wichtige Titel aus der Anfangszeit waren Meilensteine wie das ASCII-basierte Rogue, bei dem die Spielfigur durch ein "H" (für Hero) symbolisiert wurde. Anhand der bekannten Ultima-Reihe sowie Turbo, einem Rennspiel für den IBM-PC, sowie dem ersten Need for Speed verdeutlichten wir die Entwicklungsschritte, die auch reine DOS-Grafik über die Jahre durchlaufen hat. Die Entwicklung der 3D-Grafik begann mit Simulationen, welche zunächst Drahtgittermodelle zeigten, später auch auf gefüllte und Gouraud-beleuchtete Polygongrafik wechselten, ohne jedoch in der Standardeinstellung eine Vollbilddarstellung zu ermöglichen. Dies kostete allzu viel Rechenleistung und war zunächst den Weltraumsimulationen wie zum Beispiel Lucas Arts' X-Wing vorbehalten, die nur einige wenige Objekte vor dem schwarzen Weltenmeer darstellen mussten. Opulentere Titel wir Chris Roberts' Wing Commander nutzten zur Gegnerdarstellung hingegen vorberechnete Texturobjekte, sogenannte Sprites, denn der ebenfalls von Roberts' Firma Origin stammende, actionlastige Flugsimulator Strike Commander hatte mit erheblichen Performanceproblemen zu kämpfen und war nur auf High-End-Maschinen einigermaßen spielbar.

Echte 3D-Grafik wurde erst mit id Softwares Quake samt GL-Portierung massentauglich – tatkräftig unterstützt von entsprechender Grafikhardware wie der Voodoo Graphics von 3Dfx, die den schwächelnden Pentium-Prozessoren unter die Render-Arme griff.

Direct 3D übernimmt

Die Anfangsjahre der 3D-Beschleunigung waren noch vom Kampf vieler verschiedener, auf die vom jeweiligen Hersteller bestmöglich an die eigene Hardware angepassten Programmierschnittstellen geprägt. Bekanntestes Beispiel ist sicherlich die 3Dfx-API namens Glide, welche durch die große Verbreitung auch ein wichtiger Geburtshelfer für die 3D-Beschleunigung im Massenmarkt war. Daneben gab es Power SGL für die NEC-/PowerVR-Chips, RRedline von Rendition und auch hauseigene Render-Schnittstellen von S3 Graphics, Matrox und Ati. Daneben existierte als herstellerübergreifender Standard zunächst nur das aus dem Profi-Bereich
stammende Open GL, das sich aufgrund träger Entscheidungsstrukturen nur langsam fortent­wickelte.

Microsoft erkannte diese Schwachstelle und da man Windows-PCs sowieso als Multimedia-Maschinen vermarkten wollte, integrierten die Redmonder in ihre Schnittstellensammlung Direct X auch eine Komponente, die 3D-Darstellung auf allen Grafikkarten mit entsprechendem Treiber erlaubte: Direct 3D. Während die ersten Versionen noch die üblichen Kinderkrankheiten überstehen mussten, avancierte die Windows-Plattform samt D3D spätestens mit Direct X 5 zu einem ernsthaften Konkurrenten, schloss eine Version später zu Open GL auf und überholte dieses funktional mit Version 7.

Doch der Reihe nach: Neben der puren Geschwindigkeitsexplosion der Voodoo 2 war das Multitexturing eine der wichtigsten Funk­tionen. Mehrere Texturschichten konnten in einem Durchgang aufgebracht werden und so den Realismus des 3D-Bildes verbessern, ohne die Bildrate allzu sehr in den Keller zu ziehen. Andere Hersteller zogen bald nach und so etablierten sich opulent bebilderte Spiele wie zum Beispiel das erste Unreal. Mittels Multitexturing war nicht nur eine Kombination aus Basis- und Detailtextur oder eine Glanzschicht ("Gloss Map") möglich, sondern auch Umgebungsreflexionen ("Environment Map") – und damit das sogenannte Bump-Mapping.

Höhen und Tiefen mit Bump-Mapping

Das Bump-Mapping fügt zwar am Ende des Rechenvorgangs weiterhin "nur" eine weitere Nuance zur Pixelfarbe hinzu, der Rechenweg dahin macht die Prozedur aber sozusagen zum Vorläufer moderner Beleuchtungstechnik. Der Name deutet es an: Bump-Mapping zeigt Oberflächenunregelmäßigkeiten, Beulen, Erhebungen oder Furchen – Höhen und Tiefen eben. Dazu bedient es sich des Lichteinfalls, um eine – in den Anfangstagen noch recht primitive, weil wenig dynamische und korrekte – Schattenannäherung und damit eine Räumlichkeit der Oberfläche zu erzeugen. Spiele, die dieses Emboss-Bump-Mapping nutzen, sind allerdings Mangelware, die größte Popularität erlangt es in Techdemos und dem 3D Mark 2000; doch das genügt, um Entwicklerinteresse zu wecken. Eine fortschrittlichere Form ist das Envi­ronment-Mapped Bump-Mapping, das zunächst in Matrox' G400-Modellen und später in Atis Radeon unterstützt wurde. Die damaligen Platzhirsche 3dfx und Nvidia wollten erst später in diese Art der Pixelberechnung investieren, was bei Nvidia mit der Geforce 3 über Pixelshader und bei 3dfx leider gar nicht mehr der Fall war. EMBM, wie die Technik abgekürzt hieß, fand sich denn auch in zwei (von Matrox gesponserten) Spielen: Slave Zero und Rages Expendable in einer speziell angepassten Version.

Environment Mapping: Umgebungsabbildung auf Oberflächen im Spiel erfordern mehrere Texturschichten. Vor den Pixelshadern war Environment-Mapped Bump-Mapping die Königsdisziplin.

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EMBM an EMBM aus

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Intermezzo: Das erste Casual-Game

Was ab 1999 in deutschen Büros vor sich ging, war so ungewöhnlich, dass es hier auch eine Erwähnung wert ist. Das von Phenomedia für eine Whisky-Marke vertriebene Werbespiel Moorhuhnjagd, bereits ein Jahr zuvor auf der Demo-Party Bizarre 98 als Kippenschieten gezeigt, verbreitete sich dank ultra-niedrigem Hardware-Hunger nicht nur auf den Home-, sondern vor allem auf Arbeitsplatz-PCs und hemmte angeblich sogar die Produktivität in einigen Betrieben. Mit der schlichten, eher krude animierten 2D-Grafik gewann man keine Blumentöpfe, aber Spielspaß und Suchtfaktor wurden davon keineswegs getrübt. Moorhuhnjagd kann man somit getrost als erstes echtes Casual-Game bezeichnen.
HTnL - Der Anfang der Geometrie-Revolution: Hauptmerkmal von Nvidias Geforce 256 war 1999 die Polygonbeschleunigung in Hardware. Während diese Funktion zu Lebzeiten der Karte eher Techdemos zugute kam, bildete der Marketing-Hype darum einen der Sargnägel für den 3D-Pionier 3dfx, dessen Voodoo-Karten erst mit dem nicht mehr erschienenen "Rampage" dazu fähig gewesen wären.

Die Geometrie-Revolution

Im Bereich ernsthafter 3D-Grafik setzte neben dem 32-Bit-Rendering auch beschleunigte Geometrieverarbeitung zum Überholen an. Während 32-Bit-Rendering von vielen Karten mit Ausnahme von 3dfx-Modellen vor der Jahrtausendwende unterstützt wurde, war "Hardware Transform and Lighting" oder HTnL zunächst auf Nvidias Geforce-Karten beschränkt, die zunächst nur im High-End-Bereich angesiedelt waren. S3s Savage 2000 sollte es theoretisch zwar auch beherrschen, konnte das in der Praxis aber nicht zeigen. Somit war HTnL, auch wenn der 3D Mark 2000 bereits massiv Gebrauch davon machte, zu Lebzeiten der Geforce 256 ein reines Checklisten-Merkmal, wenn auch eines, das durch die große Beachtung, die es in der damaligen Fachpresse und auf Technikwebseiten fand, sicherlich zum Untergang von 3dfx beigetragen hat.

Quelle: PC Games Hardware Echtzeitschatten waren die letzte grundlegende Technik, die Spielen noch fehlte. Die Quake-3-Engine konnte Schablonenschatten (Stencil Shadows) optional darstellen. Zwar profitierten in Open GL programmierte Engines wie die beliebte und verbreitete Quake-3-Engine automatisch von den Transformationsschaltungen in Geforce-Chips, waren jedoch von ihrer Grundlage her mit so wenigen Dreiecken ausgestattet, dass die Polygonflut eher zusätzlich den Speicherbus der Karten belastete, als für eine echte Beschleunigung zu sorgen.

Unter den wirklich populären Spielen konnten wir erstmals in UT 2003 bei großen Gegnergruppen einen Fps-Vorteil gegenüber handelsüblichen Prozessoren messen, während zuvor eine verbesserte Geometriedarstellung manchmal nur als Geforce-exklusives Feature in ein Spiel eingebaut worden und auf Karten der Konkurrenz gar nicht erst anwählbar war. Das änderte sich zaghaft, als mit Direct X 7, der Geforce 2 MX und ab Mitte 2000 mit den Radeon-Karten von Ati Hard- und Software-Basis verbreitert wurden.

Die ersten Shader

Der wirkliche Durchbruch kam 2001, als die Schaltungen in den Grafikchips konfigurierbar wurden und die Entwickler vergleichsweise frei Effekte definieren konnten. Mit Geforce 3 und Radeon 8500 standen schon Mitte 2001 zwei Karten der Marktführer bereit, sich dieser Herausforderung zu stellen.

256³ Farben: 32 Bit Rendering: Werden viele Bildschichten übereinandergelegt, entstehen durch die geringe Anzahl möglicher Farbstufen Artefakte wie das unten gezeigte, sogenannte Dithering.

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16 Bit Fabtiefe 32 Bit Fabtiefe

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Entwicklung der Computergrafik

Die wichtigsten Grundlagen für die Zukunft sind mit einer Konsolidierung der Programmierstandards Direct X und Open GL sowie potenter Hardware der Marktführer gelegt. Spiele nutzen vermehrt Techniken wie 32-Bit-Rendering, Bump-Mapping und höhere Polygonzahlen zur Darstellung überzeugender Spielwelten.

>>> Hier geht es zu Teil 2: Spielegrafik im Wandel - Vom ASCII-Zeichensatz über DOS zur 3D-Grafik (Teil 1)

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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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