Technologie Ewolucja grafiki 3D na przestrzeni lat – historia rozwoju tekstur w grach

Tak beznadziejnego artykułu na GOLu dawno nie było... Lepiej zastanówcie się zanim będziecie robić przedruki z niemieckich stron.

Artykuł to lista losowych gier, w których napisano "o jakie to ładnie w porównaniu do wcześniejszych gier".

Historia tekstur w grach wyglądała mniej więcej tak:

1. Brak tekstur, tylko jednokolorowe wielokąty. To był początek gier 3D. Pięknym przykładem jest Virtua Racing od Segi, która mimo iż wyszła w czasie, gdy gry z teksturami już były, to zachwycała ilością detali, rozdzielczością i płynnością. Takich gier było sporo na PC, Amidze, a także pojawiały się na konsolach np. Star Fox na SNESie.

2. Początki tekstur były trudne. Najpierw pojawiły się gry "Super Scaler", które wykorzystywały sprzętowe układy potrafiące skalować i obracać sprite'y w czasie rzeczywistym. Pamiętny AfterBurner z automatów to doskonały przykład tej technologii. Na PC pierwszy Wing Commander używał tej technologii, aczkolwiek na znacznie mniejszą skalę generując tylko pojedyncze statki kosmiczne na tle ciemnego kosmosu.

3. Później konkurowały ze sobą dwie technologie. Voxele, mogące generować piękne jak na tamte czasy tereny oraz raycasty (i ich pochodne). Comanche robił niezły użytek z Voxeli, a Wolfestein 3D, czy DOOM doskonaliły technikę raycastów. SIlnik Duke Nukem 3D był najbardziej zaawansowanym przedstawicielem tej technologii, kreatywnie unikając wielu limitów tej technologii. Pojawiły się skośne podłogi, oraz możliwość wielopoziomowych pomieszczeń. DOOM miał tylko jedną podłogę i sufit.

4. Wejście w prawdziwe 3D było trudne. Descent to jedna z pierwszych gier z prawdziwą trójwymiarową i oteksturowaną geometrią, a także z modelami wrogów w 3D. Silnik gry opierał się na podzieleniu lokacji na zamknięte pomieszczenia łączone korytarzami, co rozwiązało problem testowania widoczności.

5. O ile raycasty i voxele pięknie radziły sobie z problemem perspektywy i skalowania, tak oteksturowanie polygonów niosło ze sobą nowe wyzwania. Głównym problemem była perspektywa, która była piętą achillesową pierwszego Playstation. Skalowanie tesktur z korekcją perspektywy to był feature wymieniany w materiałach promujących pierwsze generacje akceleratorów 3D na PC. Wiele gier z PSXa zmagało się z pływającymi teksturami.

Początkowo używanie trójkątów do rysowania 3D nie było takie oczywiste. Sega Saturn generowała obraz przy pomocy quadów, co miało sporo wad, ale również jedną zaletę. Na pojedynczego Quada potrzeba dwóch trójkątów. Specjalnie przygotowane modele np. w Virtua Fighter robiły z tego użytek i były bardziej szczegółowe niż w konkurencyjnych grach z tego okresu.

6. Rewolucją w teksturowaniu był Quake. Jako pierwszy wprowadził lightmapy, czyli dodatkową teksturę, liczoną przy pomocy raytracingu w czasie tworzenia gry, która symulowała statyczne oświetlenie. Od Quake'a zaczęło się podwójne teksturowanie. To właśnie jest największą rewolucją wprowadzoną przez Quake'a. Przy okazji warto wspomnieć o bardzo sprytnych metodach generowania półprzezroczystości dla wody i innych obiektów. To co Quake i Quake II osiągnęli w tym zakresie w 256 kolorach, było wybitne, w necie jest świetne opracowanie na ten temat.

7. Dynamiczne oświetlenie realizowano poprzez kolorowanie wierzchołków. Początkowe płaskie cieniowanie zastąpiono algorytmem Gourada dającym płynne przejście kolorów. Rozwiązanie nie było idealne, ale bardzo szybkie i implementowane sprzętowo w konsolach i akceleratorach 3D dla PC.

8. Przez pewien okres czasu gry rozwijały te metody. Tak jak Quake używał 2 tekstur, tak Unreal posiadał miejsca, gdzie używano aż 7. Nowe generacje kart dodawały kolejne ciekawe efekty. Warto wspomnieć tutaj o problemie kart Voodoo, które nie potrafiły wyświetlać tekstur większych niż 256x256 pikseli. Konkurencja pozwalała na 2048x2048. Co prawda takich tekstur w grach nie używano bezpośrednio długie lata, ale programiści zaczęli stosować tzw. atlasy, czyli na jednej dużej teksturze umieszczali wiele mniejszych. Pozwoliło to nie tylko na łatwe zarządzanie teksturami o wymiarach nie będących wielokrotnością potęg dwójki, ale również na optymalizacje. Atlasowanie tekstur zmniejsza ilość tzw. Draw Calls, które są ciężkie dla CPU.

9. Ostatnim gigantycznym przełomem były shadery. W kolejnych wersjach programista miał coraz większą kontrolę nad tym w jaki sposób karta generuje obraz.

10. Pojęcie tekstury zniknęło, a pojawił się materiał, czyli tekstury + shader. Materiał to nie tylko kolor, ale także definiuje jak odbija światło. Wzrost mocy obliczeniowej pozwalał na coraz więcej, aż gry w końcu przeszły na Physically Based Rendering, czyli prawie wszystkie obiekty w grze używają jednego materiału, który ma wiele parametrów definiujących jak materiał reaguje na światło zgodnie z prawami fizyki.

11. Poprzednia generacja wprowadziła techniki deffered, gdzie fazę geometrii oddzielono od oświetlenia. Silnik gry generuje kilka ramek obrazu, a złożone algorytmy post-process przetwarzają je, by uzyskać finalny obraz. W ten sposób odseparowano koszt geometrii od oświetlenia, co pozwoliło na używanie setek źródeł światła w pojedynczej scenie.

To tak w wielkim skrócie. Pominąłem mnóstwo rzeczy i ciekawych implementacji różnych technologii. Szczególnie lata 90te były pod tym względem ciekawe, bo co kilka miesięcy wychodziła gra, która robiła coś nietypowo.

Jeśli chodzi o początek gier 3d to nie zapominajmy o takich grach jak "Alone in the dark" 1992

Z tym, że Alone in The Dark technologicznym przełomem nie był. Było sporo tzw. wektorówek na rynku w tym czasie, a sama gra ma się nijak do tematu tekstur. AITD to przede wszystkim ciekawe połączenie statycznych teł z grafiką 3D. Pomysł rozwijany później w Resident Evil.

Przy okazji AITD warto wspomnieć o Esctatica, która oferowała podobną grafikę, ale zamiast wielokątów budowała postacie i przedmioty ze sfer, a dokładniej rysowała cieniowane okręgi i elipsy, co nawet nieźle wyglądało w tamtych czasie. Postacie były pozbawione kanciastości znanej z innych gier.

A gdzie Dark Seal na mame32 (automaty) ? Do roku 1996 w żadnej grze nie było takiej jakości grafiki, a przypominam, że Dark Seal jest z roku 1990. To samo Network Q Rac Rally Championship. Do roku 1999 był graficznie nie do przebicia, póki nie powstał Rally 2000 i on trzymał standardy kolejne 3 lata. To samo Re-volt w 1999. Z wyścigów chyba aż do 2006 roku był nie do przebicia.