Teardown im Technik-Test: Voxelgrafik, Raytracing und Dynamik als Herausforderung

Teardown im Technik-Test - Voxel und Strahlverfolgung

Teardown basiert auf einer hauseigenen Engine. Diese wurde maßgeblich von Dennis Gustafsson entwickelt. Anfang 2018 begann dieser mit der Arbeit an Teardown und gründete daraufhin zusammen mit unter anderem Emil Bengsston das Studio Tuxedo Labs im schwedischen Malmö. Dennis ist erfreulicherweise einer der auskunftsfreudigeren Spielentwickler, ist nicht durch Publisher-Verträge, NDAs und dealende Chefetagen in seiner Offenheit geknebelt und bietet unter anderem Einblick in die Entwicklung des Spiels und seine Herangehensweisen, aber auch in Schwierigkeiten, Herausforderungen und Schwachstellen bei der technischen Umsetzung in einem Dev-Blog (genauer: zwei, letzterer ist aber offenbar weniger aktuell). Diese Einblicke sind sehr spannend, aufschlussreich und ein Grund dafür, weshalb ein etwas tieferes Eintauchen in die Technik möglich ist.

Teardown nutzt die Open-GL-Schnittstelle und stellt gemäßigt hohe Mindestanforderungen - die einzelnen Punkte sind allerdings ein wenig schwammig definiert, insbesondere bezüglich CPU - ein Core i7 beschreibt schließlich theoretisch eine ganze Auswahl Intel-Prozessoren mit recht diversen Kernzahlen in einer Zeitspanne von mehreren Jahrzehnten. Der CPU kommen in Teardown durchaus einige gewichtige Aufgaben unter, ein gewisses Maß an Potenz ist ähnlich wie bei der Grafikkarte und deren Speicher also empfehlenswert. Ob der spezifischen Herangehensweise bei der Technik ist für Teardown keinerlei Raytracing-Hardware nötig, die Berechnungen für die verschiedenen Formen der Strahlenverfolgung laufen über die regulären Recheneinheiten der Grafikkarten sowie teilweise den Prozessor. Sie können also auch mit älteren Grafikkarten ein Spielchen wagen. Achtung: Nicht unterstützt werden Intel-IGPs!

Das Spezielle an Teardown ist ganz klar die auf Voxel basierende Grafik. Die sogenannten Volumen-Pixel (also Bildpunkte, die mit der z-Achse eine dritte Dimension und somit einen Körper oder besser quadratisches Volumen erhalten und mit den X-, Y-, Z-Koordinaten und ihrer spezifischen Größe eine Position im Raum einnehmen können) dienen dabei als Grundlage für die Darstellung der Umgebungen und Objekte. Der große Vorteil von Voxelgrafik: Im Prinzip kann jeder Block dynamisch gezeichnet und entfernt werden, obendrein kann ein Voxelgerüst für Beleuchtung, volumetrische Effekte und als Beschleunigungsstruktur (BVH, Bounding Volume Hierarchy) für Raytracing beziehungsweise eine Strahlenverfolgung genutzt werden. Es gibt sehr viele Spiele, welche aktuell auf Voxelbasis ihre globale Beleuchtung auftragen (z.B. Horizon Zero Dawn, Assassin's Creed, Dying Light 2, Spiele der aktuellen Cryengine, etc.). Bei den meisten dieser Spiele ist die (globale) Beleuchtung allerdings zurzeit noch vorberechnet - in Teardown fällt sie voll dynamisch aus, ebenso wie die Spielewelt.
Quelle: PC Games Hardware Die dynamische Zerstörung und die schicke Beleuchtung auf Raytracing- und Voxelbasis machen Teardown zu einem technisch sehr interessanten Spiel. Die potenziell hohe Dynamik ist ein großer Vorteil von Voxelgrafik. Nachteile sind - wie anhand der "Blockigkeit" der Grafik erkennbar - die eingeschränkte Auflösung in Bezug auf die Rechenintensität und insbesondere die Speicherbelegung. Letztere ist ein gewichtiger Punkt bei dynamischer Voxelgrafik: Prinzipiell muss jeder veränderliche Voxel stets im Speicher verwahren. Dies ist bei hochauflösenden, also "kleinblockigen" Voxelspielen ein gewisses Problem und unter anderem ein Grund dafür, weshalb Sie etwa in Minecraft 32 GiByte Hauptspeicher für die höchste Sichtweite und mit zugeschaltetem Raytracing außerdem massig Videospeicher benötigen, da das Raytracing in Minecraft das für die Weltdarstellung genutzte Voxelgerüst auch als BVH für das Raytracing verwendet. Teardown macht indes einiges anders und teils sehr geschickt, weshalb weder die Voxelgrafik noch die feine, voll dynamische Beleuchtung und Verschattung auf Raytracing-Basis allzu hohe Ansprüche an die Hardware stellen und das Spiel obendrein anders als Minecraft RTX nicht einmal Raytracing-fähige Hardware voraussetzt oder auch nur nutzt. Teardown verwendet obendrein mehrere unterschiedliche Voxel-Konstrukte als Basis für die Grafik, neben der Weltdarstellung etwa zusätzliche Beschleunigungsstrukturen für die Strahlenverfolgung, ein individuelles Voxel-Konstrukt für die Verschattung sowie ein weiteres Voxelgerüst, das für die Physik zuständig ist und etwa bestimmt, welche Teile der Voxelwelt bei Kollisionen bewegt werden, zusammenbrechen oder im Umfeld einer Explosion zerstört werden.

Teardown - Bumm!

(1) Sprengstoff platziert (2) Sprengstoff gezündet (3) Nachwirkungen

Vollbild-Vergleich

Teardown - Dynamische Herausforderung

Dabei stellt die Technik und die nahezu uneingeschränkte Dynamik und Freiheit des Spielers eine große Herausforderung beim Design und auch bei der technischen Umsetzung dar. Die Design-Herausforderung ist, den Spieler trotz nahezu vollkommener Freiheit ohne restriktive Grenzen in gewisse Bahnen zu lenken und die Spielewelt so zu konstruieren, dass sie nicht durch unvorhergesehenes Handeln des Spielers in sich zusammenfällt. Ersteres Problem lässt sich mit geschicktem Game-Design umgehen, einige Begrenzungen stehen den Entwicklern außerdem zur Verfügung, um den vielleicht etwas arg umtriebigen Spieler ein wenig einzugrenzen, darunter Wasseroberflächen oder unzerstörbare Objekte wie Felsen oder den Grund. Die Entwickler haben sich indes bemüht, nur wenige Objekte zu nutzen, die der Spieler nicht zerstören kann, um Verwirrung und Gameplay-technische Unklarheiten zu vermeiden sowie die Kohärenz der Spielewelt zu bewahren.

Auf technischer Seite ist der hohe Verwaltungsaufwand für eine voll dynamische Welt ein Problem: So müssen im Grunde etwa sämtliche Koordinaten und Eigenschaften von allen in der Spielwelt vorkommenden Voxeln, die sich in ihrer Beschaffenheit und Größe ändern können, beim Spielen nicht nur im Speicher verweilen, sondern auch gespeichert werden, wenn Sie ein Savegame anlegen, das Spiel beenden und zu einem späteren Zeitpunkt wieder aufnehmen wollen. Dennis Gustafsson erklärt in seinem Blog, dass die größeren Level aus rund einer halben Milliarde Volumen Pixel bestehen, die, sollten ihre Eigenschaften regulär gespeichert werden, die Savegames jeweils auf über ein halbes Gigabyte anwachsen ließen - wie stellt man das also an, ohne den Umfang der Spielstände und auch die Level-Daten in ihrem Umfang explodieren zu lassen?

Genutzt werden mehrere Kniffe: Die für Physik und einige Effekte nötigen Voxel(beschleunigungs)gerüste können von dem Voxelgerüst der Leveldarstellung zur Laufzeit abgeleitet werden, benötigen also keine eigene Speicherung. Da sich Voxel obendrein gut komprimieren lassen, fiel die Wahl bei der Methodik zum Speichern der Level schließlich auf ein recht simples Kompressionsverfahren nach Lauflängenkodierung (RLE, run length encoding). Dabei werden sich wiederholende Zahlenbündel zusammengefasst, um Platz zu sparen. Haben Sie also beispielsweise einen Binärcode "1111 1110 0000" dann können Sie mit RLE stattdessen nur die beiden Zahlen 7 und 5 speichern - 7 für die aufeinanderfolgende Zahl Einsen, 5 für die darauffolgenden Nullen (Anm.: Das Beispiel wäre allerdings kein wirklich effizientes Anwendungsgebiet, 1 und 0 speichern benötigt ein Bit, für eine 7 ist indes zumindest tendenziell ein Byte nötig, also achtmal so viel. Für die Einsen und Nullen im genannten Beispiel reichen 12 Bit, die zwei Zahlen benötigen aber im schlimmsten Fall 16, wären mit "Kompression" also potenziell gar größer als ohne). RLE-Verfahren sind gegenüber Enthropiekodierung schnell, daher dauert der Speichervorgang in Teardown nicht über Gebühr lange und die Spielstandgrößen können auf rund 80 MiByte eingedampft werden - interessant: Die Levelstarts für die Missionen sind im Grunde genau so ein Spielstand.
Quelle: PC Games Hardware Nicht nur die Umgebung, deren Beleuchtung und Verschattung ist voll dynamisch, sondern auch die Physik und einige andere Aspekte, darunter Feuer, dessen Rauch obendrein sehr schick und mittels Raymarching ebenfalls volldynamisch ausgeleuchtet wird.
Teardowns Level selbst sind zumindest gemessen an vielen aktuellen Spielen oder gar großen Open-World-Szenarien vergleichsweise begrenzt. Die Entscheidung zugunsten der verhältnismäßig kleinen Spielumgebungen ist gewissermaßen durch das gewünschte Design begründet, im Blog äußert der Entwickler, dass sich das aktuell umfangreichste Level Villa Gordon, sich seines Erachtens bereits etwas langatmig und anstrengend anfühlt. Die Entscheidung zugunsten Teardowns vergleichsweise begrenzter Level hatte aber ursprünglich auch technische Gründe, denn bei AMD-GPUs waren die Entwickler an eine maximale Größe von 400 In-Game-Metern für "3D-Texturen" gebunden. Damit gemeint sind Volume Textures, 2D-Texturen, aus dessen Basis eine 3D-Fläche (auch Height Map, -Field) errechnet werden kann. Sie werden in vielen aktuellen Spielen etwa zum Applizieren einer vorberechneten globalen Beleuchtung und/oder für volumetrische Effekte eingesetzt. Die Limitierung hätte von den Entwicklern umgangen werden können, etwa durch den Nutzen eines u-förmigen Levels, dessen kompaktere Ausmaße verglichen mit einem linearen die Längen-Limitierung nicht gesprengt hätte. Stattdessen haben sich die Entwickler auf kleinere, aber dafür feiner und detaillierter ausstaffierte Karten samt größerer Vertikalität konzentriert, da diese nicht nur innerhalb der Limitierung liegen, sondern außerdem das bessere, straffere und interessantere Gameplay versprachen.

Für die Darstellung der Voxelwelten und die Interaktion zwischen Spielwelt und -beleuchtung werden obendrein PBR-Materialien benötigt, mit denen die Blöcke bekleidet werden können. Auch hier ist die Wahl interessant und für eine möglichst simple Berechnung und Verwaltung optimiert: Die "Texturen" der Spielewelt bestehen aus einer 8-Bit-Farbpalette, also (Farb-)werte von 0 bis 255. Jedes Voxel kann jedes dieser 255 Materialien in seiner jeweiligen 8-Bit-Palette annehmen, das Material für den Voxel kann darauf mit einem einzelnen Byte gespeichert werden, also mit jenem 8-Bit-Wert versehen werden, der die Färbung, die Specular-Eigenschaften, Rauheit und die Art (Holz, Stein, Vegetation etc.) des Materials bestimmt.

Jedes Material kann eine eigenen 8-Bit-Palette verwenden, doch wurden viele dieser Materialien zusammengefasst und nutzen die gleiche (Farb-)Palette, um Verwaltungsaufwand und Speicher zu sparen. Die sehr interessante Art und Weise, die Voxelwelt mit Texturen zu versehen, resultiert unter anderem darin, dass Teardown etwa im Gegensatz zu Minecraft (zumindest samt RTX und die dafür benötigten RTX-Materialien) trotz tendenziell sehr speicherintensiver Voxelgrafik vergleichsweise bescheidene Mengen Grafik-RAM benötigt, die größte Menge dürfte nicht für Texturen, sondern für die dynamischen Voxelgerüste sowie Beleuchtung, Verschattung und Effekte benötigt werden.

Artikel teilen

Teardown im Technik-Test - Dynamische Zerstörung und Voxelpracht der nächsten Generation Im Folgenden stürzen wir uns hinein in unseren Technik-Test zu Teardown. Es geht lost mit der Voxelgrafik, Raytracing und der dynamischen Herausforderung.

Per E-Mail versenden

46

1. Seite 1 Teardown im Technik-Test: Dynamische Zerstörung und Voxelpracht der nächsten Generation
2. Seite 2 Teardown im Technik-Test: Voxelgrafik, Raytracing und Dynamik als Herausforderung
3. Seite 3 Teardown im Technik-Test: Dynamische Beleuchtung, schicke Schatten und mehr
4. Seite 4 Teardown im Technik-Test: Performance und Fazit