ATI CHIP TECHNOLOGY

Das Herz und die Seele eines interaktiven 3D-Spiels sind die Charaktere, denen Sie begegnen. Charaktere sind dynamische, ausdrucksstarke und einzigartige Figuren, die dem Spiel Leben einhauchen, wenn man mit ihnen spricht, sie bestaunt oder sie einfach nur in Fetzen schießt. Aus diesem Grund investieren Spieleentwickler viel Zeit und Energie in den Entwurf, die Modellierung und die Animation der 3D-Darsteller.

Aussehen, Bewegungen und Verhalten der Spielfiguren sollen absolut realistisch wirken, ob es sich nun um Menschen oder um beeindruckende Fantasy-Geschöpfe handelt. Ein Blick auf aktuelle 3D-Spiele zeigt jedoch, dass dieses Ziel noch lange nicht erreicht ist. Viele Spielfiguren erscheinen grob und detailarm und werden immer unansehnlicher, je näher man ihnen kommt. Sie bewegen sich mechanisch und gleichförmig wie Roboter oder Zeichentrickfiguren, nicht wie lebende Wesen. Wenn der Gesichtsausdruck überhaupt Emotionen darstellt, dann ändert er sich völlig übergangslos.

Die Spielfiguren sind nicht das Einzige, was in aktuellen 3D-Spielen unrealistisch wirkt. Achten Sie einmal auf die Umgebungen, in denen sie sich bewegen. In der Regel wirken diese Landschaften noch gröber und eckiger als die Charaktere. Zwar gibt es inzwischen Spiele, in denen Umgebungen mit geschwungenen Formen zu bewundern sind, aber die Entwickler müssen noch sehr darauf achten, nicht zu viele und zu sanfte Rundungen einzusetzen. Außerdem sind die Landschaften fast immer statisch. In vielen Spielen wird mit animierten Texturen versucht, sich bewegende Flüssigkeiten oder Gewebe darzustellen. Diese Objekte bewegen sich aber nicht wirklich und können ihre Form nicht ändern.

All diese Probleme beruhen auf der Tatsache, dass die aktuelle Grafiktechnologie die Wirklichkeit nur unvollkommen nachbilden kann. Spieleentwickler sind daher gezwungen, diese Enschränkungen mit hohem Aufwand irgendwie auszugleichen. Mit der Charisma-Engine ist es nun problemlos möglich, 3D-Charaktere und deren Umgebung glaubhaft darzustellen.

Grenzen für lebensechte 3D Echtzeitgrafik

Die 3D-Computergrafik hat seit ihrem ersten Einsatz auf dem Desktop-PC eine beeindruckende Entwicklung erlebt. Zweifellos kommt die Grafik moderner 3D-Spiele wie Quake 3 und Unreal der Wirklichkeit schon wesentlich näher, als das bei älteren Spielen wie Doom der Fall war. Doch auch die modernsten 3D-Technologien können, selbst im Zusammenspiel mit erstklassiger künstlerischer Arbeit und Animationstechnik, längst nicht den Eindruck erwecken, man würde statt auf einen Bildschirm durch ein Fenster in eine lebende, atmende Welt schauen. Mit der zur Zeit verfügbaren Hard- und Softwaretechnologie ist es möglich, animierte Welten zu schaffen, die nahezu fotorealistisch erscheinen. Allerdings ist dies nur für vorberechnete 3D-Sequenzen möglich. Für ein interaktives Spiel müssen 3D-Szenen in Echtzeit berechnet werden, was eine enorme Rechenleistung erfordert.

Drei große Probleme machen es der derzeitigen PC-Grafikhardware unmöglich, wirklich fotorealistische 3D-Umgebungen in Echtzeit darzustellen:

Lebensechte Charaktere

Bei der Darstellung von 3D-Charakteren in derzeitigen Spielen gibt es folgende Probleme:

Grobes, unnatürliches Aussehen, vor allem bei Nahaufnahmen
Ungelenke, roboterhafte Bewegungen
Kurze, sich ständig wiederholende Bewegungsabläufe ohne Variationen
Fehlende Gesichtsmimik und somit keine sichtbaren Emotionen
Zu wenige unterschiedliche Charaktermodelle, alle Personen sehen gleich aus
Nur wenige Charaktere gleichzeitig darstellbar

Detaillierte Objekte

Die verschiedenen Objekte und Gegenstände in 3D-Szenen unterliegen folgenden Einschränkungen:

Geringe Komplexität, nur einfach geformte Objekte sind darstellbar
Grobe Texturen in Nahansichten (erscheinen flach und unscharf)
Häufig fest und unbeweglich (so wird vermieden, alle Seiten und Einzelheiten eines Objekts darstellen zu müssen)
Reflexionen fehlen, erscheinen grob oder reagieren nicht auf Änderungen in der Umgebung
Werfen keine dynamischen Schatten (höchstens vorberechnete)

Natürliche Landschaften

Einschränkungen der 3D-Umgebungen, in denen sich die Spielfigur bewegt und mit der sie interagiert:

Einfache, wenig detaillierte Architektur ohne runde Formen
Statisch, nicht in Echtzeit veränderbar
Reagiert nicht auf Aktionen des Spielers
3D-Effekte wie sich kräuselndes Wasser oder sich auftürmende Wolken werden zweidimensional dargestellt

Die derzeitigen Grafikchips können Spielfiguren, Objekte und Landschaften schon sehr realistisch und detailliert darstellen, aber diese Funktionen müssen leider mit einem unvertretbaren Leistungsverlust erkauft werden. Der Kreativität der Spieleentwickler werden daher durch die Grafiktechnologie enge Grenzen auferlegt. Die Programmierer sind gezwungen, mit großem Aufwand die Beschränkungen der Hardware zu kaschieren. Diese Energie sollte besser in die Gestaltung des eigentlichen Spieles einfließen. Der ATI RADEON tritt nun mit innovativen Technologien an, um diese Grenzen endlich zu überwinden.

Die CHARISMA ENGINE

Die Charisma-Engine eröffnet eine neue Dimension für die Darstellungsqualität von 3D-Charakteren und deren Umgebung. Der Radeon führt komplexe Transformations-, Clipping- und Lighting-Berechnungen schneller aus als jede CPU und jeder Grafikchip vor ihm. Innovative neue Funktionen wie Vertex-Skinning mit 4 Matrizen und Keyframe-Interpolation bieten Spieleentwicklern mehr Freiheit und Flexibilität als je zuvor.

Schnelle, flexible Hardwarebeschleunigung für Transformation, Clipping und Lighting (TCL)

Ein Grafikprozessor ist ein hochspezialisiertes System für die Berechnung von Grafik und deren Darstellung auf einem Bildschirm. Eine CPU dagegen muss viele verschiedene Aufgaben und Berechnungen für jede denkbare Anwendung ausführen können. Eine CPU ist sozusagen ein "Hansdampf in allen Gassen", aber in keiner Disziplin besonders stark. Normale Prozessoren werden zwar immer schneller und effizienter und beherrschen sogar spezielle Multimedia-Befehle, können es aber nie mit dem Tempo und der Effizienz spezialisierter, gezielt für eine Aufgabe konstruierter Prozessoren aufnehmen. Die Grafikleistung kann also nur gesteigert werden, wenn immer mehr Aufgaben bei der Grafikdarstellung von der CPU an spezialisierte Grafikprozessoren abgegeben werden. Die Auslagerung von Berechnungen von der CPU in den Grafikprozessor bringt noch weitere Vorteile mit sich. In fast allen 3D-Spielen beansprucht die Berechnung der Grafik einen Großteil der Prozessorleistung. Ohne diese Last kann der Prozessor für andere Aufgaben eingesetzt werden. Das kann z.B. dem physikalischen Modell, der künstlichen Intelligenz oder der Kollisionsabfrage zugute kommen. Und weil die Grafikberechnungen von der Hardware ausgeführt werden, kann der Entwickler sie auf einer hohen Abstraktionsstufe über Schnittstellen wie Direct3D® oder OpenGL® programmieren. Die Zeit und Energie, die der Programmierer beim Schreiben und der Optimierung des Codes für diese Berechnungen spart, kann er dann endlich in bisher vernachlässigte Aspekte der Spieleentwicklung investieren. Die letzte bedeutende Entwicklung im Bereich der Computergrafik war die Beschleunigung von 3D-Funktionen durch den Grafikprozessor. Damit wurden die ersten echten 3D-Spiele möglich, deren Grafikqualität im Vergleich zu früheren 2D- und Pseudo-3D-Spielen eine echte Revolution darstellte. Für die nächste Revolution werden die Berechnungen für Transformation, Clipping, und Lighting sorgen, die bei der Berechnung jeder 3D-Szene anfallen. Die Anzahl der in diesen drei Schritten durchzuführenden Berechnungen ergibt sich direkt aus der Anzahl der Polygone in der Szene. Die Charisma-Engine führt diese Berechnungen wesentlich schneller aus als jeder moderne Prozessor und beschleunigt außerdem mehr Funktionen als jede bisherige T&L-Hardware. Das ermöglicht eine enorme Verbesserung der Grafikqualität, da für 3D-Szenen und Spielfiguren nun wesentlich mehr Polygone verwendet werden können. Betrachten Sie die Charaktere in der folgenden Darstellung:

Charaktere mit wenigen / vielen Polygonen

Die Figur links besteht aus ungefähr 900 Polygonen, was den Möglichkeiten heutiger Spiele entspricht. Die Figur rechts enthält etwa zehnmal mehr Polygone als die Figur links. Wie Sie sehen, erscheint die Darstellung wesentlich realistischer. Der Umriss der rechten Figur zeigt natürliche Rundungen, während an der linken Figur Ecken und gerade Linien auffallen. Finger, Zehen und das Gesicht der rechten Figur sind viel detaillierter und realistischer. Die Lichteffekte sehen bei der rechten Figur wesentlich besser aus, obwohl für beide Figuren dasselbe Vertex-Lighting-Verfahren eingesetzt wurde. Dies veranschaulicht die Vorteile des hardwarebeschleunigten Vertex-Lighting für Charaktere mit vielen Polygonen. Die schnelle Verarbeitung von Polygonen und Lichteffekten verbessert aber nicht nur die Darstellungsqualität der Spielfiguren. Aktuelle Spiele verwenden für Elemente der Spielumgebung wie Gebäude, Gegenstände und Landschaftsmerkmale häufig nur wenige Polygone, da diese gegenüber den 3D-Charakteren in den Hintergrund treten. Das führt zu simplen, eckigen Objekten. Mit schnellen Transformations- und Lighting-Funktionen können für solche Objekte auch komplexere Formen und Rundungen verwendet werden. Wenn kleine Objekte wie Kisten, Steine und Büsche in 3D modelliert und nicht mehr einfach über den Hintergrund gezeichnet werden, können sie sogar bewegt und verändert werden. Die Spielumgebung kann also deutlich realistischer, dynamischer und auch interaktiver werden. Mehr Polygone und Lichteffekte in einer Szene bedeuten zwar eine deutlich höhere Grafikqualität, lassen die Charaktere aber noch lange nicht wirklich lebendig aussehen. Die Animation der Spielfiguren ist in dieser Hinsicht ebenso wichtig, da sie darüber entscheidet, wie realistisch das Verhalten und die Bewegungen einer Figur wirken. Die Charisma-Engine bietet einzigartige Hardware-Funktionen, die eine neue Dimension für die Animation von Charakteren bedeuten. Diese Funktionen werden im Folgenden beschrieben.

Skelettanimation und Skinning

3D-Figuren werden heute in der Regel als ein Netz aus miteinander verbundenen Polygonen dargestellt. Wenn die Haltung einer Figur geändert werden soll, müssen die Knotenpunkte des Modells für jede Animationsphase verschoben und zusätzlich gespeichert werden. Die Figur kann dann animiert werden, imdem diese Animationsphasen schnell hintereinander abgespielt werden. Dieses Prinzip hat sich durchaus bewährt, aber in einigen 3D-Spielen wird bereits eine hochinteressante neue Technik eingesetzt, die Skelettanimation. Dabei werden Figuren mit "Knochen" versehen, die von einem Netz von Punkten wie mit einer Haut überzogen sind. Die Position jedes 3D-Punktes (Vertex) kann von den Bewegungen eines oder mehrerer Knochen abhängig gemacht werden, entsprechend einer definierten Gewichtung. So kann man eine Figur animieren, indem man einfach die Skelett bewegt, während die Bewegungen der durch 3D-Punkte definierten Haut automatisch berechnet werden. Die Skelettanimation vereinfacht die Animation einer Figur und benötigt wesentlich weniger Speicher als herkömmliche Animationsverfahren, da nicht mehr für jede Animationsphase die Positionen aller Knotenpunkte des Modells gespeichert werden müssen. Die ursprünglichen Positionen der Punkte sowie deren Gewichtungen werden nur einmal gespeichert, während für die Animationsphasen lediglich die Bewegungen der Knochen zu speichern sind. Der gewonnene Speicherplatz kann genutzt werden, um Animationen ausführlicher und feiner zu gestalten, oder um zusätzliche Modelle und Animationen einzusetzen. Ein Schwachpunkt der Skelettanimation ist die Behandlung der Gelenke zwischen zwei Knochen. Jeder Knochen ist steif und seine Bewegungen werden durch Transformationen beschrieben. Wenn ein Gelenk durch eine Transformation gebeugt wird, können unschöne Lücken entstehen.

Mit dem sogenannten Skinning-Verfahren werden die Positionen der 3D-Punkte so den Bewegungen der Gelenke angepasst, dass eine glatte, flexible Haut zu sehen ist.

Für die Bestimmung der Positionen aller Punkte in jeder Phase einer Skelettanimation werden Matrixtransformationen eingesetzt. Matrixtransformationen sind mathematische Funktionen, mit denen die Position eines Objekts im Raum berechnet werden kann. Für jeden Knochen, der einen bestimmten 3D-Punkt beeinflusst, wird eine eigene Matrixtransformation benötigt. Die Gewichtungen einer Matrix können für jeden Punkt anders gewählt werden, was besonders für Punkte wichtig ist, die in der Nähe von Gelenken liegen. Natürlich aussehende Gelenkbewegungen sind nur möglich, wenn die Matrixgewichtungen für jeden 3D-Punkt in der Nähe des Gelenks einen allmählichen Übergang von einem Knochen zum anderen bilden. Diese Technik wird als Vertex-Skinning bezeichnet. Die für das Vertex-Skinning notwendigen Matrixtransformationen sind äußerst rechenintensiv und die Komplexität steigt mit jeder zusätzlichen Matrix. Die leistungsstarke Charisma-Engine bietet für das Vertex-Skinning eine Hardwarebeschleunigung mit bis zu 4 Matrizen. Dadurch werden enorm komplexe und natürlich wirkende 3D-Animationen möglich, ohne dass die CPU zusätzlich belastet wird. Die folgende Abbildung zeigt, wie sehr die Darstellungsqualität durch zusätzliche Transformationsmatrizen gesteigert werden kann. Jede Farbe steht für die Gewichtungen der unterschiedlichen Matrizen (Rot/Blau für zwei Matrizen links, Rot/Blau/Grün für drei Matrizen rechts). Beachten Sie, wie die Gewichtungen der einzelnen Matrizen am Schultergelenk einen Übergang bilden.

Im rechten Bild wird mit der zusätzlichen grünen Matrix die "Beule" an der Schulter ausgeglichen. Mit zusätzlichen Matrizen können auch komplexere Übergänge realistisch dargestellt werden, bei denen mehr als zwei Knochen zu berücksichtigen sind. Diese Art von Animationen kann mit herkömmlichen Transform & Lighting-Engines, die nur 2 Matrizen unterstützen, nicht dargestellt werden. Ein vergleichbarer Effekt ist nur mit einer reinen Softwarelösung zu erreichen, was für die Performance allerdings absolut tödlich wäre.

Selbst bei Einsatz der Skelettanimationstechnik kann die Animation eines 3D-Modells viel Zeit und Energie beanspruchen. Je flüssiger die Animation wirken soll, desto mehr Phasen müssen erstellt werden. Detaillierte Animationssequenzen können aber Unmengen an Speicher belegen. Daher ist es in aktuellen Spielen nicht möglich, die Spielfiguren wirklich flüssig und lebensecht zu animieren. Außerdem ist es mit der Skelettanimation selbst mit 4-Matrix-Transformationen schwierig, realistische Gesichtsausdrücke oder sich bewegende Muskeln glaubhaft darzustellen. Doch gerade diese Feinheiten sind es, die ein 3D-Modell erst wirklich lebendig aussehen lassen. Hier bietet die Keyframe-Interpolation der Charisma-Engine eine einfache aber wirkungsvolle Lösung. Sie erzeugt durch Interpolation zwischen zwei aufeinander folgenden Bildern, den sogenannten Keyframes, zusätzliche Bilder, die die Lücke füllen. Die 3D-Punkte werden von ihrer Position im ersten Keyframe nahtlos in die Position im zweiten Keyframe überführt. Die Anzahl der interpolierten Bilder kann frei gewählt werden, wobei mehr Bilder für flüssigere Animationen und weniger Bilder für mehr Leistung sorgen. Nehmen wir als Beispiel ein missmutiges Gesicht, auf das ein Lächeln gezaubert werden soll. Mit der Keyframe-Interpolation werden nur zwei Keyframes für die Animation benötigt: Ein 3D-Netz, das ein schlecht gelauntes Gesicht darstellt, und ein lächelndes Gesicht. Die Charisma-Engine kann diese Gesichter in beliebig vielen Schritten sanft ineinander überblenden, ohne die CPU dabei zu belasten (siehe Abbildung). Diese Funktion ist mit Standbildern kaum zu beschreiben, man muss sie schon in Bewegung sehen und die grandiose Wirkung selbst genießen.

Mit der Keyframe-Interpolation wird die Animation skalierbar. So kann die Detailebene so gewählt werden, dass der gewünschte Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Qualität entsteht. Mit dieser Technik kann ein Spiel seine Geschwindigkeit selbst überwachen und beispielsweise automatisch Animationsphasen auslassen, sobald die Bildrate eine gegebene Grenze unterschreitet. Die Keyframe-Interpolation macht Animationen skalierbar, spart Zeit während der Entwicklung und senkt den Speicherverbrauch. Die Charisma-Engine bietet als erste Technologie eine Hardwarebeschleunigung für die Keyframe-Interpolation.