Retos Tecnolgicos en Videojuegos

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Retos Tecnológicos en Videojuegos

• Jesús de Santos García
• Equipo de Tecnología
• Pyro Studios

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Retos Tecnológicos en Videojuegos

• Filosofía general de esta presentación
• Pocos detalles técnicos (referencias al final de
  la presentación)
• Abarcar el mayor numero de áreas posible
• Dar una visión general del tipo de problemas
  técnicos a los que nos enfrentamos los
  programadores de videojuegos
• No estrictamente problemas técnicos
• Qué tipo de retos tecnologicos?
• Puramente técnicos
• Problemas de tratamiento de datos
• Complejidad humana en el proceso

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Retos Tecnológicos en Videojuegos

• En la siguiente hora
• Tecnología gráfica
• Física
• IA
• Multithreading
• Desarrollo de Herramientas
• Metodologías / Procesos de Trabajo
• Resto
• Preguntas

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Retos Gráficos

• Potencia gráfica cada vez mayor.
• Ritmo de crecimiento superior a la Ley de Moore
• GPU cada vez mas funcionalidad de propósito
• CPU cada vez mas cores paralelos

http//www.reghardware.co.uk
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Retos Gráficos

• Potencia gráfica de cada plataforma
• PC
• Shader Model 3.0
• Shader Model 4.0
• OpenGL 2.0, DX9, DX10
• XBox 360
• 3 PowerPC 3.2GHz x 2 threads hardware
• Tarjeta ATI SM 3.0 - 500Mhz
• Memoria unificada 512Mb
• DX9.5
• PlayStation3
• 1 PPU (PowerPC 3.2Ghz) 6 SPU (3.2Ghz)
• Tarjeta nVidia SM 3.0 550Mhz
• 256Mb Video / 256Mb Sistema
• libgcm / OpenGL ES
• Wii
• PowerPC 729Mhz
• Tarjeta ATI 243Mhz (Gamecube)
• 64Mb

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Retos Gráficos

• Aprovechar todo el potencial disponible
• Cada vez podemos asimilar más técnicas
  provenientes del mundo del Cine 3D
• Materiales (Shaders)
• Modelado
• Iluminación
• Sombras
• Animación

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Gráficos - Materiales

• RenderMan
• Render empleado por Pixar para todas sus
  películas. La especificación es pública y ha sido
  empleado en un gran número de películas.
• RenderMan Shading Language un lenguaje para
  describir las propiedades visuales de los
  materiales (plástico, cristal)

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Gráficos - Materiales

• Ejemplo de RSL
• surface metal( float Ka 1 float Ks 1
• float roughness 0.1)
• normal Nf faceforward(normalize(N), I)
• vector V - normalize(I)
• Oi Os
• Ci Os Cs (Ka ambient() Ks
  specular(Nf, V, roughness))

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Gráficos - Materiales

• Los videojuegos empezaron el camino de los
  shaders hace mucho tiempo.
• Es ahora, en esta generación, cuando realmente
  estamos llegando a la libertad disponible en el
  cine. Fin de la época de los Pseudoshaders
• HLSL, GLSL, CG

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Gráficos - Materiales

• HLSL
• //
• // Directional Fragment Shader
• //
• float4 metal_fp( dirVertexOutput IN,
• uniform float Ks,
• uniform float SpecExpon,
• uniform float3 LightDir) COLOR
• float3 Nn normalize(IN.WorldNormal)
• float3 Ln -normalize(LightDir)
• float3 Vn normalize(IN.WorldView)
• float3 Hn normalize(Vn Ln)
• float spec pow(dot(Hn, Nn), SpecExpon)
• float3 color Ks spec
• return float4(color, 1.0)

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Gráficos - Materiales

• En el pasado
• Prácticamente un material común para todos los
  objetos.
• Quizá algún material específico
• Artistas ajustan el aspecto visual mediante
  parámetros de ese material
• Textura
• Color por vértice
• Aspecto muy uniforme

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Gráficos - Materiales

• En esta generación
• Materiales específicos para cada uso. Podemos
  emplear materiales distintos para un mismo
  personaje por ejemplo pelo, piel, ojos, metal
• Ajuste de parámetros específicos del material
• Librerías de materiales
• Un montón de herencia proveniente del cine, que
  por supuesto hay que optimizar ?

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Gráficos - Materiales

• Efectos de postproceso
• Un nuevo campo en este generación
• Soporte de imágenes en coma flotante
• Disponible todo el soporte de materiales
• Ejemplos
• Desenfoque
• Motion Blur
• Gamma/Color correction
• Flares / Glares

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Gráficos - Materiales
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Gráficos - Materiales
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Gráficos - Modelado

• Técnicas de modelado para tiempo real
• Bump Mapping.
• Jim Blinn (1978)
• Optimizada dio como resultado Normal Mapping.
• Usada prácticamente en todas las superficies de
  esta generacion
• Información proveniente de un modelo de alta
  poligonización

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Gráficos - Modelado

• Evolución del Bump Mapping
• Desplazamiento real de geometría. Displacement
  Mapping
• Ray Tracing implementado en el shader
• No aplicable a todas las superficies (costoso)
• Solo aquellos partes importantes (por ejemplo las
  más cercanas, cinemáticas)
• En superficies más aptas para esta técnica, como
  por ejemplo los terrenos

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Gráficos - Modelado

• Displacement Mapping

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Gráficos - Modelado

• Gracias a estas técnicas, los modeladores solo
  crean una malla visual
• Sin restricción de ningún tipo
• Polígonos
• Texturas / Mapeado
• Zbrush
• Esa malla es convertida luego a otra de menor
  detalle
• Alto Detalle Malla Bump Displacement
• Proceso automatizable (asistido)

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Gráficos - Modelado

• Subdivisión de superficies
• Complemento ideal Displacement Mapping
• Compresión / Reducción Bandwidth
• Complicado de implementar en software
• El siguiente paso necesario a implementar por
  hardware en la industria
• Fin de los polígonos ?

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Gráficos - Modelado

• Subdivisión de superficies

Modelo de http//developer.nvidia.com
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Gráficos - Iluminación

• Uno de los grandes retos actuales
• Técnicas habituales
• Iluminación estática pegada en texturas
  lightmaps. Generada offline. Baking
• Luces dinámicas ordenadas por importancia
• Luces por píxel
• Luces por vértice
• Luces por objeto

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Gráficos - Iluminación

• Retos en iluminación
• Iluminación dinámica
• Mapas de opacidad
• Precálculos de visibilidad
• Información de transmisión de luz (PRT)
• Ambient occlusion
• Luces de área
• Cube Maps
• Spherical Harmonics
• Cielos

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Gráficos - Sombras

• Tema tradicionalmente complicado.
• Muchos años luchando en este área.
• Muchos años por luchar
• Implementación más sencilla con restricciones
  conocidas
• Proyección en el suelo
• Juegos de lucha
• Juegos de coches
• Volúmenes de sombras precalculados

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Gráficos - Sombras

• Reto tecnológico
• Toda la iluminación dinámica
• Auto sombras
• Sin casos particulares
• Tras un periodo confuso de técnicas, el cine
  marca una vez mas el camino a seguir Shadow
  Mapping
• Lance Williams (1978)
• Simple
• Eficiente
• Soportado por hardware

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Gráficos - Sombras

• Shadow Mapping

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Gráficos - Sombras
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Gráficos Animación

• Morphos
• Animación facial
• Soporte HW
• Esqueletos / Bones
• Misma técnica desde 10 años
• Nuevos modelos
• Retargeting
• Generación dinámica de animaciones

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Gráficos

• En resumen
• Gran parte de técnicas heredadas del mundo del
  cine
• Poder creativo en manos del artista
• El principio básico sigue funcionando no tiene
  que ser realista, tiene que parecerlo. Y si es
  posible, de la manera mas sencilla.

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Retos Tecnológicos en Videojuegos

• En la siguiente hora
• Tecnología gráfica
• Física
• IA
• Multithreading
• Desarrollo de Herramientas
• Metodologías / Procesos de Trabajo
• Resto
• Preguntas

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Física

• Responsabilidad del sistema Físico
• Interacción del jugador con el entorno
• Interacción entre objetos
• Usos específicos según el tipo de videojuego
  telas, vehículos
• Ragdolls
• Por lo general el sistema físico emplea una
  representación del mundo independiente a la
  visual
• KDTree
• BSP
• OBBTree
• KDopTree

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Física

• La física de un videojuego es un campo en el que
  el empleo de middleware es una norma habitual
• Havok
• AGEIA / PhysX
• Un camino que acabaran siguiendo prácticamente
  todos los subsistemas de un videojuego
• Para qué reinventar la rueda si otro la vende
  mas barata?

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Retos Tecnológicos en Videojuegos

• En la siguiente hora
• Tecnología gráfica
• Física
• IA
• Multithreading
• Desarrollo de Herramientas
• Metodologías / Procesos de Trabajo
• Resto
• Preguntas

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Inteligencia Artificial

• Campo con increíble potencial
• Poco explotado hasta la fecha
• El puesto de programador de IA era algo poco
  reconocido hasta hace poco
• La potencia actual permite empezar a desarrollar
  inteligencia artificial de verdad. ?
• Comportamientos emergentes
• Principal área de desarrollo del propio juego
• Según vaya evolucionando el concepto de
  middleware los programadores del juego estarán
  mayormente en este campo

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Inteligencia Artificial

• Entidad / Actor
• Elemento principal
• Comunicación mediante mensajes / eventos
• Máquinas de estados

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Inteligencia Artificial

• Es práctica habitual recurrir a lenguajes más
  eficientes en este campo que C/C
• Lenguajes de script propios
• Lua
• Python
• Lenguajes funcionales

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Inteligencia Artificial

• Un lenguaje paralelizable es altamente deseable
• Queremos cientos de actores ejecutándose
  individualmente
• Cada uno es un cerebro implementado en un
  procesador virtual
• Comunicación con otros cerebros mediante mensajes
• Ejecución en una máquina virtual
• Dominio diferente al del motor
• Virtualización de recursos
• Replicación de entidades por red
• Analogía con un sistema operativo

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Inteligencia Artificial

• UnrealScript
• // This is the automatic state to execute
• auto state Idle
• // When touched by another actor
• function Touch( actor Other )
• log( "I was touched, so Im going to Attacking"
  )
• GotoState( Attacking )
• Log( "I have gone to the Attacking state" )
• Begin
• log( "I am idle" )
• sleep( 10 )
• goto Begin
• // Attacking state. state Attacking
• state Attacking

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Retos Tecnológicos en Videojuegos

• En la siguiente hora
• Tecnología gráfica
• Física
• IA
• Multithreading
• Desarrollo de Herramientas
• Metodologías / Procesos de Trabajo
• Resto
• Preguntas

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Multithreading

• Reto principal
• Arquitecturas con varios núcleos
• La evolución de los microprocesadores está
  cambiando
• No se evoluciona creando micros con mayor
  frecuencia de cálculo
• Se crean micros con varios núcleos que trabajan
  en paralelo

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Sistema

• La concurrencia hardware es una realidad a día de
  hoy
• PC
• procesadores con 2 núcleos, con 4 núcleos
• XBox 360
• 3 procesadores con 2 threads por hardware 6
  unidades de ejecución en paralelo
• PlayStation3
• 1 procesador principal (PPU) 6 procesadores
  (SPU) de cálculo

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Sistema

• Estamos ante una nueva revolución a nivel de
  software
• Es necesario adaptar las técnicas de programación
  actuales para sacar provecho de la concurrencia.
• Adaptar el motor de un videojuego a estas
  técnicas nuevas para poder sacar provecho.
• The free luch is over Herb Sutter

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Sistema

• Objetivo
• Descomponer el trabajo realizado a lo largo de un
  fotograma en muchas tareas pequeñas
• Conseguir una aplicación escalable a n núcleos
• Portabilidad siempre interesante

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Sistema

• Riesgos
• El nuevo paradigma es difícil de llevar a cabo
  con los lenguajes actuales.
• Lenguajes funcionales al rescate? Prolog, Haskell
• C/C sigue siendo el principal lenguaje para
  crear videojuegos
• Diseños con una gran cantidad de bloqueos
  ineficientes y muchas veces innecesarios
• El resultado son arquitecturas complejas y con un
  alto riesgo
• Primera generación de juegos de Xbox360 solo
  empleaba un núcleo
• No existe una solución clara a día de hoy.

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Retos Tecnológicos en Videojuegos

• En la siguiente hora
• Tecnología gráfica
• Física
• IA
• Multithreading
• Desarrollo de Herramientas
• Metodologías / Procesos de Trabajo
• Resto
• Preguntas

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Herramientas

• La parte más importante en todo el proceso de
  producción del videojuego
• El verdadero reto actual en la producción de
  videojuegos
• Interface de la tecnología para los artistas
• Una tecnología potente no vale para nada sin unas
  herramientas que expongan la potencia a los
  artistas
• Esta es posiblemente la pagina mas importante de
  la presentación ?

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Herramientas

• Evolución en la complejidad de los datos en
  videojuegos
• Commandos Strike Force (Pyro Studios)
• 31000 ficheros
• 12 GB
• NextGen en desarrollo (Pyro Studios)
• 65462 ficheros
• 17.7 GB

48
Herramientas

• Características deseables en cualquier
  herramienta decente
• Interacción entre las herramientas y el motor lo
  mas rápida posible
• Visualización directa en el motor del juego
• Recarga en caliente
• Texturas
• Modelos
• Lógica

49
Herramientas

• Ejemplo
• Editor de partículas

50
Herramientas

• Video de ejemplo

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Retos Tecnológicos en Videojuegos

• En la siguiente hora
• Tecnología gráfica
• Física
• IA
• Multithreading
• Desarrollo de Herramientas
• Metodologías / Procesos de Trabajo
• Resto
• Preguntas

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Metodologías / Procesos de Trabajo

• Principales problemas a resolver en esta área
• Problemas de comunicación en equipos grandes
• Optimizarla
• Importancia de las personas en el equipo
• Difusión del conocimiento en equipos

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Metodologías / Procesos de Trabajo

• Herramientas para mejorar el flujo de trabajo y
  comunicación
• Wiki
• Más eficiente que documentos sueltos
• Comunicación entre departamentos
• Mensajería interna
• RSS
• Más eficiente que el mail

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Metodologías / Procesos de Trabajo

• Concepto de compilación continua
• Una máquina dedicada exclusivamente a compilar la
  ultima versión del juego
• Directamente del repositorio de código
• Compilación en las diversas configuraciones
• Ejecución de test de regresión
• Compilación de datos
• Empaquetado
• Siempre existe una última versión del juego en la
  máquina de compilación
• Importante para mejorar la sensación de
  progresión. Moral del equipo

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Metodologías / Procesos de Trabajo

• Metodologías Agile
• Nuevas filosofías de trabajo con el objetivo de
  incrementar la productividad
• Scrum
• Dos ciclos de desarrollo
• Sprint 2 - 3 semanas
• Scrum diario

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Video Tecnología

• Demo para probar tecnología
• Estrictamente tecnología
• No jugable
• Stress a todos los subsistemas

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Resumen

• Realización de un videojuego cada vez más y más
  compleja.
• Mucha herencia proveniente del cine
• Evolución del HW muy superior a lo asimilable
• Desarrollo de videojuegos con un alto factor de
  riesgo tecnológico
• Reducción del riesgo mediante middleware
• Importancia de las herramientas durante la
  producción
• Nueva revolución de software paralelismo
• Nuevas metodologías de trabajo

58
Fin de la presentación

• Preguntas?
• Esta presentación con todos los links y más
  información en
• http//entland.homelinux.com/blog

59
Referencias

• Real-Time Rendering
• http//www.realtimerendering.com/
• D3D10 Unleashed New Features and Effects
• d3d10 unleashed - new features and effects.zip
• Spherical Harmonic Lighting The Gritty Details
• http//www.research.scea.com/gdc2003/spherical-har
  monic-lighting.html
• Generalized Displacement Maps
• http//research.microsoft.com/users/xtong/gdm_elec
  tronic.zip

60
Referencias

• Hardware Shadow Mapping
• http//developer.nvidia.com/object/hwshadowmap_pap
  er.html
• Practical Dynamic Parallax Occlusion Mapping
• http//ati.amd.com/developer/SIGGRAPH05/Tatarchuk-
  ParallaxOcclusionMapping-Sketch-print.pdf
• Subdivision Surface Theory
• http//www.gamasutra.com/features/20000411/sharp_p
  fv.htm
• The RenderMan Companion A Programmer's Guide to
  Realistic Computer Graphics
• http//www.amazon.com/RenderMan-Companion-Programm
  ers-Realistic-Computer/dp/0201508680

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Referencias

• The Free Lunch Is Over A Fundamental Turn Toward
  Concurrency in Software
• http//www.gotw.ca/publications/concurrency-ddj.ht
  m
• Software and the Concurrency Revolution
• http//www.gotw.ca/resources/Software20and20Conc
  urrency20-20OGDC.pdf
• Agile Game Development - GDC2007 Tutorial
• http//www.agilegamedevelopment.com/2007/03/sessio
  n-and-tutorial-slides-are-posted.html