WikiSort.ru - Комьютерные игры

Сокращение трёхмерной сложности для увеличения скорости

Компьютерная игра Quake стала одной из первых в мире «полноценных» трёхмерных игр.

Игра использует специальную систему проектирования карт, которая выполняет предварительную обработку и предварительный рендеринг трёхмерного окружения с целью уменьшения необходимой мощности для обработки изображения во время процесса игры. Данная возможность была востребована, так как во время выхода игры стандартные процессоры имели частоту 50-75 МГц. Трёхмерная среда, в которой происходят действия игры, относится к карте даже при том, что эта среда трёхмерная по природе, а не плоское двухмерное пространство. Программа для редактирования карт использует многие простые выпуклые трёхмерные геометрические объекты, известные как «браши» (от англ. brush — рус. кисть), которые имеют возможность устанавливать свой размер и степень поворота — такими объектами могут быть различные предметы окружения.

Кисти размещаются и поворачиваются так, чтобы создать закрытые, пустые, объёмные пространства. Когда дизайн карты закончен, эта карта пропускается через препроцессор рендеринга. Этот препроцессор используется для определения местонахождения двух типов пустого пространства на карте: пустого пространства, созданного кистями, в котором будет находиться игрок во время игры; и другого пустого пространства, которое находится снаружи кистей и которое игрок никогда не увидит. Потом препроцессор убирает невидимые поверхности с отдельных кистей, которые находятся вне игрового пространства, и оставляет только те полигоны, которые определяют лишь внешний периметр внутреннего игрового пространства — таким образом достигается значительная оптимизация движка, и как следствие, ускоряется его работа.

У обработанного файла с картой количество полигонов может быть существенно меньшим, чем у первоначального необработанного файла. На компьютерах того времени, центральные процессоры которых имели частоту в районе 50—70 МГц, было нормальным, что операция по отсечению занимала много часов.

Процесс предварительной обработки не может быть осуществлён, если есть хоть одно небольшое отверстие или «утечка» (англ. leak), которая связывает внутреннее игровое пространство с внешним пустым пространством. Эта проблема была обычным делом для сложных карт с многими строительными объектами, так как дизайнер уровней не мог уследить за всеми утечками на карте. Чтобы предотвратить утечки, кисти должны были накладываться одна на другую и немного проникать друг в друга. Попытка отлично выровнять кисти с необычной формой вдоль их краёв и граней могла привести к возникновению очень маленьких щелей, которые было очень трудно найти.

Небо с облаками в картах игры Quake фактически не является открытым, однако оно покрыто и закрыто от внешнего пустого пространства большими кистями, а также текстурируется специальной скайбокс-текстурой, которая всегда и в любых точках обзора выглядит одинаково. Благодаря этому создаются иллюзия бескрайнего горизонта.

После того, как карта была предварительно обработана, она уже не подлежит изменению. Вместо этого первоначальные данные из редактора карт вместе с кистями сохраняются и используются для создания новых версий карты. Несмотря на это, возможно редактировать обработанную карту, открыв её в специальном вершинном (англ. vertex) редакторе и редактировать необработанные вершинные данные, или же добавлять или удалять конкретные полигоны. Читеры использовали такую методику для создания «окон» в стенах, чтобы видеть передвижения противников во время сетевой игры. В современных играх сделать подобное является затруднительным, так как игры обычно сверяют контрольную сумму каждого файла при помощи античитерской программы, и если файл не совпадает с оригинальным — вход в сетевую игру не допускается.

Предвычисление освещения и затенения

Движок Quake также задействует использование карт освещения и трёхмерных источников света, в отличие от статического освещения, основанного на секторах, которое использовалось в прошлых играх. Эта инновационная методика id Software начала использоваться во многих играх, которые были выпущены после Quake, особенно в шутерах от первого лица. При этом сама id Software переключилась на использование новой модели унифицированного освещения и затенения (англ. unified lighting and shadowing model), применив её в движке id Tech 4 (первая игра на его основе — Doom 3)^[5].

После того, как карта избавлялась от лишних полигонов, использовалась вторая система предварительной обработки, которая рассчитывала и внедряла карты освещения в игровую карту, тем самым ещё более уменьшая нагрузку на центральный процессор во время игры.

Секционирование карты для увеличения скорости

Для оптимизации рендеринга разработана методика, которая позволяет не выполнять обработку тех частей пространства, которые в данный момент не видны игроку (например, находятся за стеной). Если игрок во время игры не может видеть какую-то область карты, находящуюся поблизости, то движок загодя может не включать невидимые объекты в процесс рендеринга, что существенно уменьшает загрузку центрального процессора.

Трёхмерный движок без подобной оптимизации был бы вынужден рисовать каждую часть игрового пространства и затем пытался бы определить, какие полигоны являются самыми близкими. Затем неоптимизированый движок скрывал бы все полигоны, размещённые позади самых близких (методика, известная как Z-буферизация).

Этот эффект может быть замечен в игре как маленькие туннели с изгибами под прямым углом, ведущими от одного большого пространства в другое большое пространство (данный дизайнерский прием особенно заметен в игре Half-Life, где небольшие коридоры за прямым углом скрывают следующий игровой уровень). Маленький туннель используется для блокировки взгляда в смежное неотрендеренное пространство, и специальный тип прозрачной кисти (называемый visportal) используется для определения краёв того места, где движок должен прекратить рендеринг смежного пространства. В игре Quake возможность видеть через всю длину карты является довольно редкой, открытые пространства часто являются очень узкими и высокими, прежде всего используя расстояния «выше» — открытое небо и «ниже» — лава (а не «шире» и «дальше»); таким образом, создаётся низкополигональная иллюзия открытого пространства.

Аппаратное 3D-ускорение

Движок Quake, кроме того, что являлся одним из первых в мире трёхмерных движков, также являлся первым движком, который поддерживал аппаратную 3D-акселерацию (ускорение). Первоначально игра Quake (и, соответственно, движок) имела лишь поддержку программного рендеринга. Однако позже Джон Кармак создал версию движка, которая использовала преимущества графического чипа Vérité 1000 компании Rendition (эта версия движка получила внутреннее имя VQuake).

Поддержка OpenGL была вскоре добавлена в движок для ОС Windows 95 и выше (внутреннее имя этой версии — GLQuake). Многие полагают, что именно это создало своеобразную революцию в производстве и продаже специализированных видеокарт, которые были нужны тогда для перекладывания обработки графики с центрального процессора, а GLQuake стал первым приложением, которое действительно демонстрировало возможности графического чипсета Voodoo от компании 3dfx. Только две другие карты были способны показывать изображение на GLQuake: карта Intergraph 3D OpenGL и карта PowerVR. Обе эти карты были профессиональными и очень дорогими.

Передвижение игрока

В отличие от современных шутеров от первого лица, в которых игрок полностью управляет взглядом протагониста с помощью движений компьютерной мыши, в Quake по умолчанию используется клавиатура для поворотов налево и направо, а также движений назад-вперед. Для совершения этих же движений можно использовать мышь, подобно игре Doom. Движения персонажа были достаточно неудобными и требовали опций, таких как авто-уровень, который бы автоматически настраивал точку зрения по движениям игрока, а также автоприцеливание для стрельбы по вещам ниже или выше персонажа. Дизайн локаций в Quake был упрощенным и схожим на псевдотрёхмерное (2.5D) окружение в Doom. Только на нескольких уровнях игры был монстр, способный атаковать уровнем выше или ниже игрока.

Quake имела возможность выбрать мышь для управления взглядом и клавиатуру для движений, но по умолчанию такая опция была отключена. В более поздней игре серии Quake III Arena — эта возможность учтена сразу.

Опытные игроки во время однопользовательской и многопользовательской игры использовали управление зрением при помощи мыши и движения при помощи клавиатуры, так как это позволяло лучше контролировать персонажа и выполнять вращательные движения, которыми можно было уворачиваться от выстрелов.

Многопользовательская игра

Изначально движок Quake поддерживал только многопользовательскую игру по локальной сети и два сетевых режима — кооперативная игра и deathmatch. Такая сетевая игра работала по принципу клиент-сервер.

Это значит, что все игроки, чтобы начать совместную игру, соединяются с выделенным сервером, который высылает им ответ на события в игре. Кроме того, использование такого принципа защищает игроков от де-синхронизации сервера. В зависимости от специфического маршрута к серверу, различные клиенты имеют разный пинг (скорость передачи пакета информации в локальной сети). Высокий пинг у игрока вызывает лаги, которые затрудняют его движения и делают его более уязвимым для других игроков.

Сетевой код игрового движка был переработан, а для игры Quake выпущено отдельное дополнение — QuakeWorld — которое позволило игрокам играть друг с другом по интернет-соединению, используя игровые режимы, которые впоследствии стали классическими. Мультиплеер оригинального Quake впоследствии приобрел в сообществе игроков название LAN-Quake (от англ. Local Area Network, LAN — локальная сеть).

Одним из нововведений в QuakeWorld является предсказывание поведения клиента (англ. client-side prediction). Этот режим позволяет компьютеру игрока предсказывать движения объектов до ответа сервера, что позволило значительно снизить требования к скорости интернет-соединения, тем самым открыв доступ к одновременной игре на сервере огромному количеству людей.

Открытые игровые движки, основанные на Quake

• DarkPlaces — реализованы тени и освещение в реальном времени, шейдерные эффекты, поддержка BSP-карт Quake III и формата ogg. Используется в Nexuiz (и ее дальнейшем развитии, Xonotic.)^[9].
• Tenebrae — один из первых игровых движков, основанных на Quake, в котором появилась поддержка затенения и освещения в реальном времени.
• Telejano — модификация движка, которая добавляет много современных эффектов системы частиц.
• Tomaz Quake — одна из первых появившаяся модификаций движка. Использовалась в бесплатной автомобильной аркаде MiniRacer, а также в одноимённом порте, улучшающем графику в оригинальном Quake.
• Twilight Engine — движок, основанный на Quake с большим количеством нововведений. Полностью изменена файловая структура. Можно подсоединить сторонний рендерер (графический движок), например, OGRE.
• JoeQuake — движок, а также одноименный графический порт для игры Quake. Имеется поддержка текстур высокого разрешения, а также готовая сборка для операционной системы Linux.
• Tremor Quake engine — пользовательский движок, основанный на одной из ранних версией движка DarkPlaces, с добавлением наработок движка JoeQuake. Поддерживаются различные форматы текстур, система частиц, динамические тени и модели формата MD3.