Historie vývoje počítačových her (91. část – vývoj v leteckých simulátorech od polygonových modelů k voxelům)

22. 8. 2013

Doba čtení: 20 minut

Líbí se vám článek?
Podpořte redakci

V dnešní části seriálu o historii výpočetní techniky a her si popíšeme další klasicky pojatý letecký simulátor nazvaný Chuck Yeager's Air Combat a pak si řekneme, jak se tvůrci simulátorů snažili o lepší zobrazení povrchu herního světa. Přelomovým dílem v této oblasti je hra Rescue on Fractalus! z roku 1985.

Obsah

1. Historie vývoje počítačových her (91. část – vývoj v leteckých simulátorech od polygonových modelů k voxelům)

2. Chuck Yeager's Air Combat – další geniální dílo Brenta Iversona

3. Techniky zobrazení herního světa ve hře Chuck Yeager's Air Combat

4. Mise a tvorba vlastních scénářů

5. Od polygonových modelů k voxelům

6. Techniky zobrazení výškových polí

7. Rescue on Fractalus! aneb technologická perla z roku 1985

8. Comanche: Maximum Overkill aneb Fractalus verze 2.0 :-)

9. Odkazy na Internetu

1. Historie vývoje počítačových her (91. část – vývoj v leteckých simulátorech od polygonových modelů k voxelům)

V předchozí části seriálu o historii výpočetní techniky i o historii vývoje počítačových her jsme se při popisu leteckých simulátorů dostali až do roku 1991, tj. zhruba do okamžiku, kdy se osobní počítače PC začaly ve větší míře vybavovat grafickými kartami VGA, které postupně nahrazovaly starší a v mnoha ohledech již nevyhovující grafické karty CGA (což byl výrobek, kterým se IBM vysmála celému rozumnému světu), EGA i Hercules. Všechny minule popsané hry, tj. F-19 Stealth Fighter, LHX Attack Chopper i F29 Retaliator vznikly ještě v době, kdy bylo nutné počítat s tím, že hráči mají počítače vybavené staršími grafickými kartami, proto zde ještě nenajdeme plnohodnotné využití všech možností, které programátorům nabízí VGA, zejména její standardní grafický režim s 256 barvami a módy, které jsou od tohoto režimu odvozené (Mode-X, Mode-Y atd.).

Obrázek 1: Logo společnosti Electronic Arts pocházející ze hry Chuck Yeager's Air Combat.

Dnes si nejdříve popíšeme hru nazvanou Chuck Yeager's Air Combat. Tato hra pochází z roku 1991 a jedná se o jeden z prvních široce rozšířených leteckých simulátorů, v němž programátoři využili již zmíněné možnosti grafické karty VGA. Posléze se budeme zabývat problematikou zobrazení herního světa, protože všechny až doposud popsané letecké simulátory zobrazovaly herní svět jako placku, na níž se kopce reprezentují různými jehlany, ať již zobrazenými formou drátového modelu či pomocí vyplněných polygonů. Kromě tohoto způsobu zobrazení však existují i alternativní způsoby, které například využívají voxely (což v tomto kontextu není zcela přesné označení) či výškové mapy. Jednou z prvních her tohoto typu je hra Rescue on Fractalus! pocházející z roku 1985; na počítačích řady PC se jedná zejména o hru Comanche: Maximum Overkill, což je, poněkud zjednodušeně řečeno, kombinace leteckého simulátoru se střílečkou.

Obrázek 2: Úvodní obrazovka hry Chuck Yeager's Air Combat.

Obrázek 3: Hlavní menu hry Chuck Yeager's Air Combat.

Obrázek 4: Chuck Yeager's Air Combat: charakteristiky jednotlivých typů letadel.

Obrázek 5: Chuck Yeager's Air Combat: charakteristiky jednotlivých typů letadel.

2. Chuck Yeager's Air Combat – další geniální dílo Brenta Iversona

První hrou, kterou si dnes popíšeme, je hra nesoucí poněkud dlouhý název Chuck Yeager's Air Combat. Tato hra pochází z roku 1991 a za jejím vývojem stál programátor Brent Iverson. S tímto vývojářem jsme se již setkali v předchozí části tohoto seriálu, protože tento programátor stál i za vývojem leteckého simulátoru LHX Attack Chopper. Zatímco však v případě hry LHX Attack Chopper mohli hráči plnit mise ve vybraném typu vrtulníku popř. speciálního letounu V-22 Osprey (které taktéž startuje vertikálně jako vrtulník), lze si ve hře Chuck Yeager's Air Combat vybírat z poměrně velkého množství různých letadel se standardním způsobem vzletu, ať již se jedná o vrtulové stíhačky a bombardéry pocházející z období druhé světové války, tak i o stroje s proudovými motory použitými například ve válce v Koreji. Zajímavé přitom je, že se výběr letadel neomezuje pouze na stroje používané a/nebo vyráběné v USA, ale lze si vybrat i některé typy MIGů, které mají na směrovém kormidle nakreslenou nezbytnou rudou hvězdu (ostatně MIG-15 je jedním z nejzajímavějších letadel ve hře).

Obrázek 6: Chuck Yeager's Air Combat: charakteristiky jednotlivých typů letadel.

Jak jsme si již řekli v úvodní kapitole, byla ve hře Chuck Yeager's Air Combat (zkráceně CYAC – pod touto zkratkou se tato hra označuje na diskusních fórech) podporována grafická karta VGA, konkrétně její grafický režim 0×13 (toto číslo je odvozeno od volání služby 10 BIOSu pro nastavení grafického režimu) s rozlišením 320×200 pixelů a možností současného zobrazení 256 barev. Díky použití tohoto grafického režimu bylo možné zobrazit palubní desku mnohem podrobněji, než při využití jen šestnácti barev – ostatně jednotlivé palubní desky se od sebe odlišují podle toho, jaký letoun si hráč vybral. Větší množství barev můžeme vidět i na zobrazení horizontu, který již není jednoduše pojat jako pouhá hrana mezi modrou a zelenou plochou, ale již se zde objevuje gradientní přechod od modré k bílé, což poměrně přesně odpovídá skutečnosti (tento gradientní přechod je možné na pomalejších počítačích vypnout a dosáhnout tak většího množství zobrazených snímků za sekundu).

Obrázek 7: Chuck Yeager's Air Combat: charakteristiky jednotlivých typů letadel.

Obrázek 8: Chuck Yeager's Air Combat: kokpit vybraného letadla.

Obrázek 9: Chuck Yeager's Air Combat: alternativní pohled na herní svět.

Obrázek 10: Chuck Yeager's Air Combat: mapa.

3. Techniky zobrazení herního světa ve hře Chuck Yeager's Air Combat

O některých aspektech zobrazení herního světa ve hře Chuck Yeager's Air Combat jsme se již zmínili v předchozí kapitole. Tento letecký simulátor stále využívá techniky, s nimiž jsme se mohli setkat minule i předminule. To například znamená, že herní svět je stále „placatý“ a jsou na něm s využitím polygonů nakresleny dvourozměrné obrazce představující například letiště, silnice či řeky. Kromě toho se v herním světě vyskytují i trojrozměrné objekty, které jsou vykresleny s využitím plošných polygonů – jedná se především o kopce, stromy či budovy. Pod letounem se zobrazuje stín, což vlastně není nic nového, protože jsme se s tímto prvkem již setkali ve stařičké hře Solo Flight pocházející z roku 1983. V herním světě se ještě setkáme s protivníky (hra je orientována na letecké souboje), přičemž letadla protivníků jsou reprezentována modely složenými z polygonů vyplněných konstantní barvou.

Obrázek 11: Chuck Yeager's Air Combat: kokpit vybraného letadla.

Ze screenshotů umístěných do tohoto článku jsou patrná i některá další vylepšení při zobrazení herního světa, především existence mraků, při jejichž zobrazování se používá pro tuto hru typický dithering využívající pravidelného šachovnicového vzoru. Zcela stejným způsobem je zobrazen i kouř zasažených či již havarovaných letadel a taktéž již zmíněný stín pod letounem. Díky použití šachovnicového vzoru bylo i při použití barvové palety s 256 barvami dosaženo alespoň částečné iluze existence poloprůhledných či průsvitných objektů, a to bez toho, aby bylo nutné složitě počítat průhlednost (složitost nespočívá v tom, že by se jednalo o komplikované vzorce, ale v nutnosti používat pomalou operaci násobení a/nebo rozsáhlé vyhledávací tabulky, nehledě na zvýšené množství barev použitých pro vykreslení objektů). I zobrazení mraků a kouře je možné na pomalejších počítačích zcela potlačit. V herním světě se lze setkat i se zobrazením výbuchů, kde byly použity bitmapy s různým měřítkem zobrazení (tj. vlastně programově vykreslované sprity).

Obrázek 12: Chuck Yeager's Air Combat: menu s ovládáním hry.

Obrázek 13: Chuck Yeager's Air Combat: další typ palubní desky.

Obrázek 14: Chuck Yeager's Air Combat: plochý svět má své výhody – výška 40 metrů, rychlost 484 km/h.

Obrázek 15: Chuck Yeager's Air Combat: v pozadí řeka zobrazená vodorovným polygonem.

4. Mise a tvorba vlastních scénářů

Hra Chuck Yeager's Air Combat je z hráčského pohledu zajímavá jak možností výběru různých typů letounů (vrtulové stíhačky i bombardéry, stroje s proudovými motory) tak i velkým množstvím misí. Pro mě osobně však byla mnohem zábavnější možnost vytvořit si vlastní mise. V těchto uživatelsky definovaných misích si hráč mohl zvolit jak letoun, s nímž se vrhá do boje, tak i typy letounů, které používají protivníci. Celkem je možné nadefinovat až tři skupiny protivníků vybavených různými typy letadel (v každé skupině je jedno až pět letadel). To umožňuje i mise ve stylu filmu „Tajemná bouře nad Pacifikem“, kdy se relativně moderní stíhačka s proudovým motorem pokusí sestřelit několik vrtulových letadel (kupodivu však ve hře není možné si vybrat japonská Zera ani další podobné stroje, na druhou stranu zde najdeme šílený stroj Messerschmitt Me 163 :-). Kromě leteckých soubojů si však hráč může vyzkoušet i start či přistání, a to i s možností nápovědy (opět zde můžeme vidět souvislost se stařičkou hrou Solo Flight).

Obrázek 16: Chuck Yeager's Air Combat: hledání místa na přistání.

Samotné ovládání letadel se příliš neliší od dalších typů leteckých simulátorů. Letouny lze ovládat buď pouze klávesnicí či kombinací klávesnice+myš popř. klávesnice+joystick (asi nejlepší možnost). Kromě vlastního řízení směru letu a náklonu letadla se ovládá výkon motorů (někdy i včetně dodatečného spalování), klapky, brzdy a zasouvání podvozku. U některých typů strojů lze taktéž zapnout radar, měnit zbraně a zaměřovat je (tam, kde je to technicky možné) na zvolený cíl. V ovládání se nachází i dvě zajímavé operace – možnost změny měřítka zobrazení, což odpovídá použití dalekohledu (zajímavé při přistávání či při zaměřování vzdáleného cíle) a dokonce i možnost změny měřítka času (x1, x2, x4), čehož lze využít v misích, kdy je nutné dlouho letět k cíli a/nebo k vlastnímu letišti. Podobná možnost změny měřítka času se začala objevovat i v některých dalších simulátorech; nikoli však nutně v simulátorech leteckých (ponorkové simulátory apod.).

Obrázek 17: Chuck Yeager's Air Combat: první pokus o přistání.

Obrázek 18: Chuck Yeager's Air Combat: při této rychlosti to bude o fous.

Obrázek 19: Chuck Yeager's Air Combat: tvorba vlastní mise.

Obrázek 20: Chuck Yeager's Air Combat: letecký souboj.

5. Od polygonových modelů k voxelům

Hra Chuck Yeager's Air Combat je posledním prozatím popsaným leteckým simulátorem, kde bylo využito již několikrát zmíněné zobrazení „plochého“ herního světa. Tento způsob zobrazení byl akceptovatelný zejména u těch leteckých simulátorů, které byly orientovány na letecké souboje probíhající ve velkých výškách a méně již na mise, v nichž bylo nutné vyhledávat pozemní cíle, popř. zachraňovat vojáky z nepřátelských území. Proto není divu, že se programátoři vytvářející letecké simulátory snažili o využití jiných technik, než je použití polygonových modelů. Na tomto místě nesmíme zapomenout na fakt, že se bavíme o době, kdy bylo veškeré vykreslování řízeno programově, protože tehdejší grafické akcelerátory byly velmi drahé a především byly určeny pro odlišný segment trhu – CAD systémy (PGC, TIGA, IBM 8514/A), video (Targa) a nikoli pro tak „nezajímavou“ oblast trhu, jako jsou počítačové hry :-) V tomto ohledu se situace radikálně změnila až po úspěchu grafického akcelerátoru Voodoo 1.

Obrázek 21: Chuck Yeager's Air Combat: letecký souboj.

Ovšem akcelerátor Voodoo 1 (přesnější označení je Voodoo Graphics PCI) začal být prodáván až v roce 1996 a do tak nedávné minulosti jsme se ještě v tomto seriálu nedostali; zatím si totiž popisujeme situaci panující v osmdesátých a devadesátých letech minulého století. Mohlo by se zdát, že vylepšené zobrazení herního světa nebude při použití programového vykreslování možné, zejména tehdy, pokud by byl svět reprezentován sítí trojúhelníků vykreslovaných programově jako sada polygonů, a to samozřejmě s nutností řešit viditelnost (ať již použitím malířova algoritmu či softwarovým Z-bufferem/pamětí hloubky). Jediným schůdným řešením bylo zcela se vzdát možnosti použití polygonů a namísto toho použít nějakou alternativní reprezentaci povrchu herního světa. Alternativní řešení se skutečně našlo a dokonce bylo poprvé aplikováno na osmibitových mikropočítačích s pouhými 64 kilobajty operační paměti a mikroprocesorem s hodinovou frekvencí zhruba 1,7 MHz!

Obrázek 22: Chuck Yeager's Air Combat: letecký souboj, snad je přední sklo pojištěné.

Obrázek 23: Chuck Yeager's Air Combat: statistika po ukončení mise.

Obrázek 24: Chuck Yeager's Air Combat: kokpit historických strojů.

Obrázek 25: Chuck Yeager's Air Combat: kokpit historických strojů.

6. Techniky zobrazení výškových polí

Jedním ze způsobů alternativní reprezentace herního světa je použití takzvaných výškových polí (heightfields, height-fields). Výšková pole představují ve své podstatě velmi specifický druh pravidelných trojúhelníkových sítí (TRN – triangular regular network). Tato pole jsou většinou použita pro úspornou reprezentaci části zemského povrchu nebo povrchu jiné (fiktivní) planety, u kterého neuvažujeme zaoblení, tj. danou planetu považujeme za „placku“, což však v praxi přináší pouze zanedbatelnou chybu, která se u dnes používaných rozlišení pohybuje v řádu sotva jednoho či dvou pixelů. Výšková pole přináší oproti obecné trojúhelníkové síti jedno zásadní, ale relativně snadno splnitelné omezení – jednotlivé trojúhelníky se nesmí po projekci do roviny x-y překrývat (při reprezentaci zemského nebo mimozemského povrchu jsou osy x a y orientovány vodorovně, kdežto osa z svisle vzhůru; všechny osy jsou na sebe samozřejmě kolmé).

Obrázek 26: Rescue on Fractalus! logo společnosti LucasFilm.

Toto omezení však na druhou stranu přináší možnost reprezentace povrchu pomocí výšek uložených v pravidelné rastrové mřížce (bitmapě, pixmapě), což je výhodné především z hlediska značně snížených paměťových nároků, ale, jak si ukážeme v dalším textu, i z hlediska rychlosti vykreslování. I přes dnešní výraznou dominanci polygonových modelů trojrozměrných těles se výšková pole pro svoje dobré vlastnosti stále používají. Výškové mapy můžeme z jiného pohledu považovat za speciální případ reprezentace trojrozměrné scény pomocí objemových elementů, neboli voxelů.

Obrázek 27: Rescue on Fractalus! úvodní animace.

Voxely se začínají stále více používat ve specializovaných aplikacích, zejména medicíně; jejich dalšímu rozšíření brání především praktická neexistence vhodných grafických akcelerátorů (kromě již dosti zastaralého Volume Pro či pokusů o využití programovatelné pipeline). Jejich největší nevýhodou jsou však velké nároky na paměť, protože celý trojrozměrný model musí být rozdělen na elementární krychle (voxely), podobně jako při rastrování obrázku při převodu do bitmapové (rastrové) reprezentace pomocí pixelů.

Obrázek 28: Rescue on Fractalus! začátek mise.

Výšková mapa jakožto speciální případ voxelového modelu, je z programátorského pohledu datová struktura reprezentující výšku sloupce voxelů, tj. počet „plných“ voxelů ležících nad sebou. Vzhledem k tomuto zjednodušení se nemohou ve výškové mapě vyskytovat některé krajinné útvary, které vyžadují přerušení sloupce voxelů. Jedná se zejména o různé skalní převisy a jeskyně. Pokud se s tímto omezením smíříme (což v 99% případů můžeme udělat), představuje výšková mapa ideální datovou strukturu pro popis povrchu, která v sobě spojuje značnou jednoduchost voxelového vyjádření a paměťovou nenáročnost vyjádření pomocí polygonů či nepravidelné trojúhelníkové sítě (TIN – Triangular Irregular Network).

Obrázek 29: Rescue on Fractalus! objevují se první hory na planetě.

Obrázek 30: Rescue on Fractalus! zásah do ochranného pole.

Obrázek 31: Rescue on Fractalus! zde je pěkně vidět metoda zobrazení povrchu planety.

7. Rescue on Fractalus! aneb technologická perla z roku 1985

All successful synthetic terrain models for computer graphics are fractal: That is, they feature complexity resulting from the repetition of form over a variety of scales.
Ken Musgrave

Obrázek 32: Rescue on Fractalus! začátek mise.

Patrně nejstarší technikou použitou pro vykreslování výškových polí je zobrazování řezů (slices). Řezy jsou ve výškovém poli vedeny tak, aby po promítnutí na obrazovku vytvořily horizonty kolmé na obrazovku. Samotnou adresaci jednotlivých výšek, tj. hodnot pixelů ve výškovém poli, je možné provést celočíselným Bresenhamovým algoritmem, původně určeným pro rasterizaci úsečky. Pro určení viditelnosti jednotlivých řezů a jejich částí se používala metoda plovoucího horizontu, při které se vykreslování provádělo od pozorovatele směrem do vzdálenějších prostor scény a pro každý sloupec pixelů na obrazovce se pamatovala minimální a zejména maximální vykreslená výška.

Obrázek 33: Rescue on Fractalus! začátek mise.

Povšimněte si, že se jedná o přesný opak klasického a dodnes často používaného malířova algoritmu (painter's algorithm), při kterém se naopak provádí překreslování směrem od nejvzdálenějších objektů k objektům nejbližším pozorovateli. Speciální vlastnosti výškových polí (zejména jejich spojitost a fakt, že se v poli nemohou nacházet body ležící nad sebou) nám však umožňují provést výše popsanou optimalizaci, která zcela zásadním způsobem zjednodušuje a současně i urychluje vykreslování.

Obrázek 34: Rescue on Fractalus! hornatý povrch planety.

Urychlení vykreslování výškových polí pomocí řezů je natolik zřetelné, že se metoda řezů (i když značně modifikovaná) objevila ve známé hře Rescue On Fractalus!, která byla firmou LucasFilm (později LucasArts) vytvořena již v roce 1985 pro některé typy osmibitových počítačů, jakými jsou Atari 800XL či Commodore C64. Nejednalo se sice o tradiční letecký simulátor, přesto však v této hře najdeme několik prvků, které se k leteckým simulátorům přibližují (umělý horizont atd.).

Obrázek 35: Rescue on Fractalus! hornatý povrch planety.

Je až neuvěřitelné, že se na osmibitových mikroprocesorech taktovaných pod 2MHz (na C64 dokonce pod 1 MHz) dala vykreslovat grafika systémem, jehož funkční obdoba se objevila až o mnoho let později na mnohem silnějších strojích (80286 16MHz). Použitý engine umožňoval, aby se nad trojrozměrným povrchem planety vznášela loď ovladatelná se šesti stupni volnosti, zatímco mnohé pozdější enginy buď nepovolovaly náklon a/nebo ani otáčení (viz demo Mars – pamatuje si ho někdo :-). Navíc se povrch při průletu nad planetou postupně dopočítával, takže vlastně neexistovaly žádné limity velikosti plochy planety (dtto zmíněné demo Mars).

Obrázek 36: Rescue on Fractalus! hornatý povrch planety.

Obrázek 37: Rescue on Fractalus! závěrečné zhodnocení.

8. Comanche: Maximum Overkill aneb Fractalus verze 2.0 :-)

Výše popsaná hra Rescue on Fractalus! ještě nemohla využít všech možností výškových polí, a to zejména kvůli nízké výpočetní rychlosti použitých osmibitových mikroprocesorů a malé kapacitě operační paměti. Ovšem již na počátku devadesátých let minulého století technické možnosti počítačů pokročily do takové míry, že již bylo možné vytvořit vizuálně mnohem lepší hry. V oblasti stříleček (a v menší míře leteckých simulátorů) se to povedlo společnosti NovaLogic se hrou nazvanou Comanche: Maximum Overkill, která byla vydána v roce 1992.

Obrázek 38: Comanche – úvodní obrazovka.

V této hře byl využit zcela nový zobrazovací engine nazvaný „Voxel Space“, který byl naprogramován v assembleru (stejně jako celý Rescue on Fractalus :-). Díky novému enginu bylo možné zobrazit velmi variabilní herní svět i různé objekty na jeho povrchu. Jediné omezení bylo popsáno v šesté kapitole – problematické jsou například mosty či skalní převisy. Nový engine taktéž dokázal na povrch nanést texturu, což ještě více vylepšilo vizuální dojem (například voda není nic jiného než voxely konstantní výšky obarvené modrou barvou).

Obrázek 39: Comanche – tabulka s hodnocením pilotů.

V této hře najdeme ještě další technické vylepšení. Používá se zde poněkud nestandardní grafický režim s rozlišením 320×240 pixelů a 256 barvami, který se nazývá mód-X, X-mode atd. Tento režim umožňuje kromě jiného i na běžné VGA kartě provádět double buffering či dokonce triple buffering, což je zajisté v oblasti her výhodné (double buffering zamezuje nepříjemnému překreslování jednotlivých částí scény, triple buffering urychluje double buffering, protože není nutné čekat na vertikální zatemnění obrazovky monitoru před smazáním zadního bufferu).