Practical CG research, game development and the European Union gametools project

Abstract

Computergrafik spielt eine wichtige Rolle in der Entwicklung von 3D Computerund Videospielen, da alle Bilder, die dem Spieler während des Spiels präsentiert werden, auf Prinzipien und Algorithmen basieren, die aus der Computergrafikforschung stammen.<br />Ein wichtiger Aspekt in Bezug auf die Glaubwürdigkeit (und daraus folgend Immersion des Spielers in die Spielwelt), sind Schatten. Das Rendern von hochwertigen Schatten in Echtzeit ist nach wie vor ein offenes Problem und demzufolge aktives Forschungsgebiet der Computergrafik.<br />Ein Echtzeit-Schattenalgorithmus der wegen seiner verführerisch-schlichten Eleganz eine hohe Attraktivität besitzt, ist Shadow Mapping. Der Begriff "verführerisch-schlichte Eleganz" ist hier bewußt gewählt: Diese Eleganz basiert auf einer Diskretisierung des Sichtbarkeitsproblems der Szene aus Sicht des Lichtes auf ein regelmäßiges Raster, in welchen die Tiefenwerte der Szene aus Sicht der Lichtquelle gespeichert werden. Damit hat die Eleganz ihren Preis, denn dies führt in der Praxis zu Schattenartefakten, wenn zuwenig Information verfügbar ist, um die Frage der Sichtbarkeit eines Pixels in der Szene aus Sicht der Lichtquelle mit genügend hoher Genauigkeit beantworten zu können.<br />Diese Doktorarbeit präsentiert eine neue Familie von Shadow Mapping Algorithmen, die das Problem der zu geringen Information in der Shadow Map behandelt. Dabei wird das Problem umgangen, daß ein naiver Ansatz einer Shadow Map bedürfte, die weder in den Grafikkartenspeicher paßt, noch in Echtzeit schnell genug gefüllt werden könnte.<br />Basierend auf einem Brute-Force-Ansatz werden zwei weitere Algorithmen vorgestellt, die sich adaptiv an die Auflösungsanforderungen der Szene anpassen, und damit eine Beschleunigung um zumindest eine Größenordnung erzielen.<br />Ein weiteres in der Anwendung von Computergrafik in der Spieleentwicklung auftretendes Problem ist, wie man eine große Anzahl von Objekten schnell genug darstellt. Die Anzahl der generierten Bilder pro Sekunde hat wesentlichen Einfluß auf das Spielerlebnis und das Eintauchen des Spielers in die Spielewelt. Weiter entfernte Objekte sind durch die perspektivische Verkürzung kleiner und benötigen daher weniger Detail auf dem Bildschirm; diese Beobachtung führte in der Computergrafik zum Konzept, weiter entfernte Objekte durch einfachere grafische Repräsentationen darzustellen (LOD-Konzept; "LOD" = "Level of Detail", auf deutsch etwa "Detailstufe", "Detailstufen-Konzept") Bei richtiger Anwendung führt dieser Ansatz zu einer wesentlichen Geschwindigkeitssteigerung.<br />Das in der praktischen Anwendung bei weitem am häufigsten anzutreffende LOD-Konzept sind diskrete LODs, bei denen die verschiedenen Repräsentationen eines Objektes unabhängig voneinander ("diskret") sind.<br />Während verschiedenste LOD-Konzepte in der Computergrafik eingehend studiert wurden, wurde ein fundamentales Problems der diskreten LODs bis heute falsch behandelt oder ignoriert: Schaltet man einfach instantan zwischen zwei diskreten LOD-Repräsentationen um, führt dies beim Betrachter zu einer als störend wahrgenommenen temporalen Unstetigkeit.<br />Diese Doktorarbeit beleuchtet das Problem genauer, untersucht bisherige Lösungsansansätze und behandelt eine Lösung des Problems.<br />Von der Forschung auf dem Gebiet der Computergrafik führt der Bogen zur Beschreibung des "GameTools Projects", eines von der Europäischen Union finanzierten Projektes, das zur Aufgabe hat die Resultate des Computergrafikresearchs der innerhalb des Projektes an Universitäten in ganz Europa stattfindet, Spielefirmen und Firmen aus verwandten Gebieten zugänglich zu machen. Der Autor, der in dem Projekt die Position des Community Managers innehält (und damit Aufgaben aus den Bereichen Werbung, Vertragserstellung, Qualitätsverbesserung, Berichte und Präsentationen für die EU, Kontakt zu Firmen und interne Beratung der Projektmitglieder wahrnimmt), präsentiert einen Überblick über dieses richtungsweisende Projekt und einen detaillierteren Einblick in Aspekte seiner Arbeit als Community Manager.<br />Abschließend werden einige Denkanstöße zu Themen aus dem Bereich Computer- und Videospielentwicklung vorgestellt.<br />

Computergraphics today plays an important role in 3D computer and video game creation, since all the images which are presented to the player are based on principles and algorithms devised from computer graphics research. One important aspect with regards to the believability and consecutively immersion of players within game worlds are shadows. Creating high-quality dynamic shadows in real-time is still a very open field of research. One real-time shadowing approach that is very appealing due to its apparent elegant simplicity is shadow mapping. The term "apparent" is used deliberately here, since the elegance of shadow mapping comes at a price, namely the discretization of the first-hit visibility problem to a grid storing occluder depth information with regards to the light source. In practice this often leads to shadowing artifacts, due to too little information being available to answer the visibility query with enough accuracy. In this thesis,a new family of shadow mapping algorithms is presented, which address the problem of the shadow map not containing enough information. This is done without requiring a shadow map grid too large to be stored in memory and which cannot be filled with depth information in real time. Based on a basic brute-force approach, two smart algorithms are presented, which work in a manner adaptive to the resolution requirements of the scene, speeding up the process by at least an order of magnitude. Another problem with relevance to the practical application of computer graphics to games is how to render a large number of objects fast enough to give the player a high level of responsiveness (and thereby, again, immersion). Noticing that due to perspective shortening objects farther away from the player do not need as much detail as objects which are nearer, computer graphics has come up with the concept of level of detail (LOD), where farther away objects use simpler representations; if done correctly, this leads to a large increase in rendering speed. While LOD has been studied extensively in computer graphics, one problem of the LOD technique dominating practical application, discrete LOD, has been largely ignored: In discrete LOD the simpler representations of an object are, as the name implies, discrete, i.e. they exist independently of each other. Switching between representations of different complexity by simply switching the representation in use leads to a disruptive discontinuity in player perception. This thesis presents a practical algorithm, that addresses this problem. Linked to this research in the computer graphics fields of shadows and level of detail, is the case study of the GameTools Project, a Europe-wide project, funded by the European Union, which had as its agenda to bring the results of current computer graphics research done within the project to European game developing companies and companies from neighboring fields. The author holds the position of Community Manager within the GameTools Project (which includes activities in the field of advertising, contract creation, quality improvement, generating reports and presentations for the EU, contact with companies and internal consultingfor project members), and presents an overview over the project and a more detailed view of his work as Community Manager. Finally the thesis presents some food for thought by the author about some interesting questions from the field of game development.