Stimmung im Spiel
Feature

Stimmung im Spiel

Mehr filmische Effekte im Spiel und damit mehr Atmosphäre: Die Entwickler von Reality Pump über ihre grafischen Kniffe fürs Rollenspiel Two Worlds: Temptation.

Making Games

@ Facebook

Making Games

@ Twitter
comment

Die ganze Spielebranche redet bereits seit längerem von der zunehmenden Verschmelzung der Kino- und Spielebranche. Offensichtlich wird dies in der ständig steigenden Zahl mehr oder weniger guten Filmumsetzungen für PC oder Konsole und auch die steigende Anzahl an Adaptionen in der anderen Richtung. Von den dauernden Dollarvergleichen in Sachen Umsatz und Entwicklungskosten mal ganz abgesehen. Aber wie sieht es eigentlich an der Basis aus? Wie viel Kino hat bereits in die grundlegenden Entwicklungsschritte bei der Entstehung eines Computerspiels Einzug gehalten? Eine genauere Untersuchung führt schnell zu einer ernüchternden Antwort. Zwar haben die Entwickler in Sachen Story und Darstellung kräftig aufgeholt, aber gerade im Detail steckt noch der Teufel. Wo sind die glutroten Sonnenuntergänge, die wabernden Nebelschwaden oder die fantastisch illuminierten Nächte der Kinoleinwand? Auf dem Bildschirm haben sie, von einigen Ausnahmen abgesehen, leider bislang nur kurze Gastauftritte. Das wollen wir ändern und haben deshalb der Umsetzung cineastischer Effekte für unser kommendes Rollenspiel Two Worlds: The Temptation einen besonderen Schwerpunkt gewidmet.

Am Beispiel einer Ruine ein stimmungsvoller Tageszeiten- und somit Beleuchtungswechsel in Two Worlds: Temptation.

Welten wie das Two Worlds-Universum Antaloor leben extrem stark von einer dichten Atmosphäre, in die der Spieler eintauchen kann. Je nach Region müssen unterschiedliche Lichteffekte das Gefühl von Hitze, Kälte oder Gefahr vermitteln. Dunkle Höhlengänge und actionreiche Kämpfe wirken nur dann realistisch, wenn auch die entsprechenden grafischen Stilmittel zum Einsatz kommen. Wer in einem Rollenspiel durch eine schwarz Nacht rennt und so gut wie Nichts erkennen kann, wird schnell die Lust verlieren und sich auf die Tage zur Erforschung der Welt konzentrieren. Dabei bietet gerade die Dunkelheit eine Fülle atmosphärischer Extras, die bereits seit langem im Kino zum Einsatz kommen. Diese Kunstkniffe sollen jetzt auch unsere Welt mit Leben erfüllen.

Gefahr erkannt, Gefahr gebannt
Die visuellen Produktionsaspekte hatten wir bereits im ersten Teil des Spiels auf unserer Liste. Da es sich damals um unser erstes Rollenspiel-Projekt handelte, mussten wir allerdings bei Null beginnen und viele Sachen zunächst einmal völlig neu einrichten beziehungsweise sogar hinten anstellen. Entsprechend waren wir mit einigen visuellen Aspekten nicht ganz zufrieden und haben uns zum Start der Arbeiten an Two Worlds: The Temptation nun mit Hochdruck an die Behebung dieser Punkte gemacht. Dazu mussten wir uns zunächst noch einmal intensiv mit unserem eigenen Entwicklungssystem auseinandersetzen und die Schwachpunkte bei der Nutzung unserer Engine herausfinden. Ursprünglich war unsere Arbeit auf ein breit gefächertes Rendering-System fokussiert, die visuellen Produktionsaspekte unserer Technologie wurden dabei etwas außer Acht gelassen. Das Ergebnis dieser Ausrichtung war, dass wir am Ende des Projekts jede Menge Assets und technische Lösungen im Programm hatten, die von durchschnittlicher bis hin zur Next-Gen-Qualität reichten. Diese Situation wurde zusätzlich dadurch verschärft, dass wir mitten im Projekt einen Wechsel von einer 2.5D-isometrischen Ansicht zur vollen 3D-Next-Gen-Erfahrung vornehmen mussten. Das Ergebnis war ein Kompromiss, der höchste Grafikqualität und schnelles Rendering erlaubte, aber dafür Abstriche in Sachen Flexibilität und Robustheit hinnehmen musste.

Reality Pump nutzt zur Darstellung von Tageszeiten unterschiedliche Farbsättigung von Objekten, um Atmosphäre-Effekte zu erzielen.

Nachdem wir die Bestandsaufnahme abgeschlossen hatten, haben wir uns für Two Worlds: The Temptation neue Ziele gesetzt. Auf Basis unserer Erfahrungen können wir nun endlich visuelle Effekte mit höchster Qualität sowie ausreichend Flexibilität entwickeln und damit unsere Vision von einem packenden Rollenspiel umsetzen. Die Auffassung der Game Visuals folgt der Ideologie des cineastischen, visuellen Storytellings. Unser Hauptanliegen ist es deshalb, der künstlerischen Abteilung schnelle und verlässliche Tools zu liefern, damit diese eine direkte Verbindung zwischen der Storyline, der Spielwelt und dem entsprechenden visuellen Feedback herstellen können.
Wir haben bewusst die Ähnlichkeit zu den Licht- und Post-Processing-Systemen der Kinoproduktion gewählt, da viele unserer Designer aus der Filmbranche kommen und diese Erfahrungen nun bei unseren Spielen einfließen lassen können. Außerdem ist es ein absolutes Muss, das Wissen und die Erfahrungen aus beiden Branchen einfließen zu lassen, um dem Spieler ein völliges Eintauchen in eine freie Spielwelt und gleichzeitig die visuelle Wirkung eines Kinofilms bieten zu können.
Aus diesem Grund haben wir folgende Hauptpunkte in unser neues Rendering-System aufgenommen:

  • High Dynamic Range für jeder mögliche Situation im Tageswechsel, bei dynamischen Wetterzyklen sowie für Innen- und Außenwelten
  • Lineare Light-Pipeline
  • Mixed HDR-Lightning-Modell (Dynamic, Baked Global Illumination)
  • HDR-Atmosphäreneffekte (Licht, Wolken, Wellen etc.)
  • kameraähnliche Ausleuchtungsadaptionen wie Tiefenschärfe oder Bewegungsunschärfe
  • automatische Abwicklung von Bildcharakteristika (Level, Kurven, Kontrast, Farbe) mit manueller Nachbearbeitungsmöglichkeit für das künstlerische Szenen- und Umgebungs-Tweaking
  • flexible Post-Processing-Pipeline, die auf bewährten Lösungen aus der Filmindustrie beruht und einen Echtzeit-Editor enthält

Nicht nur Außenwelten sollen ein qualitativ hochwertiges HRD-Beleuchtungsmodell haben, auch Innenräume sollen entsprechend in Szene gesetzt werden.

HDR-Hürden und andere Klippen
Die erste Hürde, die wir für unseren Multiplattform-Titel nehmen mussten, war die Entwicklung einer waschechten HDR-Produktions- und Processing-Lösung, die sich sowohl auf Mainstream-PCs als auch auf den aktuellen Konsolen anwenden lässt. Die Lösung stellte schließlich ein HDR-Rendering-System dar, das auf Leuchtkraft basiert. Auf diese Weise haben wir ausreichend Kontrolle über das finale Bild und garantieren zugleich eine hohe Dynamik im Bildaufbau. Mit diesem Real-Life-Ansatz stand allerdings zugleich ein weiteres Problem parat: Das Verhältnis zwischen Dynamic Range, Speicherkapazität und Effizienz muss speziell auf den Konsolen sehr genau ausbalanciert werden, um brauchbare Ergebnisse zu erzielen. Gerade Situationen mit Gegenlicht oder eine nächtliche Atmosphäre mit vielen künstlichen Lichtquellen stellen höchste Anforderung an das Rendering-System. Nach zahlreichen Testläufen haben wir uns schließlich für das Format »A16B16G16R16F« entschieden.
Unsere 64-bit-Basis haben wir dabei für das Scene-Forward-Rendering verwendet, da HDR-bezogenes Post Processing in derselben Farbtiefe sich einfach als zu langsam erwies. Auch in Sachen LDR wurden neue Wege eingeschlagen. Zusätzliche Effekte wie Bloom, Tiefenschärfe oder Lichtkanäle lieferten auf diesem Weg zwar eine gute Performance, erzielten aber leider nur eine niedrige Qualität, die mit einer Verschlechterung des finalen Bilds einhergegangen wäre. Auch hier standen zahlreiche Testreihen auf der Tagesordnung, ehe wir endlich zu der für uns idealen Lösung gelangten. Letztendlich haben wir einen Teil der Inter-Color-HDR-Differenzen zu Gunsten einer größeren Range geopfert, indem wir das Format »RGBM 32-bit« nutzen. Diese Entscheidung ermöglicht es uns, Effekte mit einer zum 64-bit-Rendering vergleichbaren Range mit der halben Bandbreite zu produzieren. Der Unterschied ist letztendlich nicht sichtbar, da diese speziellen Effekte in der grundlegenden Entstehung ohnehin sehr überbelichtet und saturiert sind. Zusammenfassend nutzen wir jetzt also 64 Floating Point Buffer für das Hauptmotiv, 32-bit Buffer für die RGBM Light Buffer und 32-bit RGBM Texturen für Light-Emissive-Materialien wie zum Beispiel Baked Global Ilumination.

In nebelverhangenen Sumpflandschaften kommen die vielen unterschiedlichen Effekte zur Atmosphäre-Erzeugung besonders gut zur Geltung.

Reise in den linearen Raum
Eine weitere wichtige Grundlage für die allgemein gültige Berechnung von HDR-Beleuchtungen ist die Kalkulation im linearen Raum. Damit noch nicht genug, operieren die aktuellen Konsolengenerationen doch auf einer stückweisen linearen Schätzung des Gammaraums und erzwingen dadurch eine spezielle Produktions-Pipeline. Während unserer Rendering-Pipeline bewegen wir die Daten zu Beginn in den linearen Raum, wo wir die Daten mit Hardware-Unterstützung evaluieren und dann als benutzerdefinierte Gammawerte zurück zum Ausgang befördern.
Und wieder einmal spielen die Konsolen eine besondere Rolle. Hier ist ein zusätzlicher Arbeitsschritt in Sachen Textur-Preprocessing notwendig. Dadurch werden die Daten an die konsoleninterne Gammakurve angepasst. Auch hier mussten die Designer wiederum einen Extracheck machen, um die erfolgreiche Ausführung zu gewährleisten. Die Arbeit bestand darin, spezielle Gammaprofile während der auf einem Autorensystem basierenden Strukturierung der Konsoleninhalte zu nutzen.

Die Rendering-Pipeline von The Temptation


Indem wir verschiedene Encoding-Formate und unterschiedliche Gamma-Response-Kurven miteinander vermischt haben, mussten wir uns abschließend auch mit Mach Banding herumschlagen, das vor allem bei den Nachtszenen ins Gewicht fällt. Auch wenn unsere Basistechnologie genügend Raum für Non-Banded-Bilder lässt, brach unser spezielles Post-Processing-Programm die finale Zusammensetzung in Sachen Bildfrequenz zu weit herunter. Das galt speziell für dunkle Gebiete in Kombination mit Bloom-Effekten. Die Artefakte traten sowohl beim PC als auch bei den Konsolen auf. Im Konsolenbereich sogar noch stärker, da die stückweise, lineare Gamma-Annäherung in dunklen Bereich noch verlustreicher war. Doch auch für dieses Problem wurde schließlich eine Lösung gefunden. Wir haben die Lichteffekte einfach in verschiedenen Gammabereichen evaluiert und dadurch eine größere Genauigkeit in den niedrigen Range-Spektren erreicht. Mit den bislang erwähnten Methoden waren wir schließlich in der Lage, Szenen mit einem Kontrast zu rendern, der 20 Exposition-Levels überschreitet. Damit haben wir eine solide Basis geschaffen, um unsere anfänglichen Ziele zu erreichen.
Um die perfekte atmosphärische Darstellung zu realisieren, sind allerdings zahlreiche verschiedene HDR-Komponenten zu beachten. Dazu gehört neben den bereits vorgestellten Punkten auch ein qualitativ hochwertiges HDR-Beleuchtungsmodell für Innenräume und Außenareale. Mit unserer bisherigen Forward-Rendering-Lösung waren wir in der Lage, drei LDR Dynamic Point/Directional Lights in One Pass per Object zu nutzen. Das war uns aber nicht genug und nach einigem Hin und Her hatten wir schließlich ein Modell mit acht HDR Lights (zwei pro Pixel, sechs pro Vertex) per Object per Pass entwickelt. Damit haben wir die ideale Grundlage für Multiplane-LOD-Rendering in hoher Qualität. Alle dynamischen Lichteffekte basieren auf Leuchtstärke in Kombination mit einem RGBM-Äquivalent. In den Außenräumen müssen wir damit in den meisten Fällen eine Hauptlichtquelle, also die Sonne, sowie zusätzliche dynamische Lichter abdecken. Etwas anders ist es bei Innenräumen. Hier sind Baked Solutions in Kombination mit beweglichen Lichtquellen (zum Beispiel von NPCs) von Nöten.
Bei Baked Data greifen wir auf Self Occlusion Radiosity Normal Maps im RGBM-Format zurück, während bei dynamischen Beleuchtungseffekten ein Mix aus dynamischen Ambient Cube Maps und dynamischem Licht für Close Range HQ Rendering zum Einsatz kommt. Gerade im Außenbereich mussten wir ein weiteres Problem im Zusammenhang mit der Eingliederung der Global Illumination lösen. In allen belebten Szenen mit großer Komplexität und vielen dynamischen Objekten können Baked Solutions aufgrund des limitierten Speichervolumens nicht zum Einsatz kommen, beispielsweise in Städten. Deshalb haben wir uns für eine Screen Space Ambient Occlusion entschieden. Mit dieser Lösung haben wir in unterschiedlichen Testreihen bereits exzellente Ergebnisse mit einer sehr guten Performance erzielt, die völlig unabhängig von der Komplexität eine Szene ist.

Der Mond strahlt etwa ein sanftes bläuliches Licht ab, das vom Wasser reflektiert wird.

Hollywood über die Schulter geschaut
Während wir die Leistungsfähigkeit unseres Rendering-Systems hinsichtlich der Funktionalität abgestimmt haben, wurden zusätzlich verschiedene Effekte produziert, die sich eng an die Kameraeffekte der Kinoindustrie anlehnen.
Als erstes ist hier die automatische Belichtungskontrolle zu nennen, auf die wir besonders stolz sind. Zu Beginn unserer Arbeit nutzten wir zunächst simple Eye-Adaption-Modelle und Tone Mappers vom Rendering-Guru Greg Ward. Anschließend folgten verschiedene Lösungsansätze, die sich in Performance, Stabilität und Flexibilität unterschieden, aber alle keine zufrieden stellenden Ergebnisse lieferten. Deshalb haben wir uns letztendlich dazu entschieden, eine eigene Belichtungskontrolle zu entwickeln, die sich eng an der echter Kameras orientiert. Um eine ständige Kontrolle über die Frames zu haben, basiert unser Modell auf einem Histogramm für maximalen Daten-Input. Dieses Histogramm baut sich innerhalb der letzten 50 Frames mit Occlusion-Abfragen ständig neu auf, so dass die Reaktionszeit auf eine bestimmte Spielszene unter zwei Sekunden liegt. Anschließend werden die Berechnungsergebnisse noch statistisch über die CPU analysiert.
Zu Beginn unserer Arbeiten an einem eigenen Belichtungsmodell standen auch lineare Mapping-Lösungen mit einem minimalen und maximalen Leuchtkraftwert zur Diskussion. Dies erwies sich allerdings gerade im Bereich sehr niedriger Leuchtdichte als nutzlos, da zu viele Details verloren gingen. Nach einem weiteren gedanklichen Abstecher in die Filmindustrie haben wir uns dazu entschieden, unseren Designern eine prozentuale Screen-Kontrolle über die Bildbelichtungseigenschaften zu geben. Diese Art der Kontrolle basiert auf Schwellenwerten und ist deshalb sehr leicht optisch wahrzunehmen. Die Art und Weise, wie das System funktioniert, ist einfach: Wenn die Über- oder Unterbelichtung der Screenpixel außerhalb der gesetzten Grenzen liegt, wird die Belichtung entsprechend der prozentualen Abweichung angepasst. So sind die Belichtungswechsel in The Temptation sehr flüssig, und die mögliche Verschiebung der zuvor festgelegten Belichtungsklammer über das Histogramm ermöglicht die totale Kontrolle bei der Darstellung von Details in dynamischen Szenen voller Kontraste.

Das zweite wichtige Filmstilmittel, das wir in die Spielewelt verfrachten, ist die Tiefenschärfe. Hier greifen wir auf eine HQ-Stochastikfilterung zurück und nutzen eine dynamische Poisson-Verteilung zusammen mit abhängigem Sampling. Dadurch ist ein hoher Qualitätsstandard gewährleistet, und wir können zusätzliche Extras wie eine Simulation der Blendenöffnung integrieren. Unsere Designer haben zusätzlich manuelle Kontrolle über Brennweite und Belichtung, um im Fall der Fälle den automatischen Fokus kalt stellen zu können. Ein sehr wichtiger Aspekt, um bestimmte Atmosphären unter schwierigen Bedingungen zu kreieren.
Zu einem weitern Stilmittel aus der Filmwelt, das wir mit ins Programm genommen haben, gehört die Bewegungsunschärfe. Sie wird als letzter Schritt im Post-Processing-Ablauf gerendert. Der RGBM-Modus sorgt für Beleuchtungsgenauigkeit und damit für reelle HDR-Werte. Die Standardeinstellungen spiegeln die einer realen Kamera mit 24 Bilder pro Sekunde dar, können allerdings für besondere Effekte, wie zum Beispiel schnelles Reiten, manuell hochgesetzt werden.
Abgesehen von den Lichteffekten jeglicher Art ist eine flexible Post-Production-Pipeline extrem wichtig für eine erfolgreiche und qualitätsorientierte Arbeit. Zu diesem Zweck haben wir einen Teil des Editors für The Temptation komplett neu designt und eine Annäherung an die Postproduktionsmöglichkeiten einfacher Film-Post-Production-Tools geschaffen. Dadurch haben wir ein Echtzeit-Feedback zu jeder möglichen HDR-Einstellung -- auch atmosphärisches Setting genannt. Darüber hinaus erlauben die offen gelegten Bild-Processing-Optionen mehr Verbesserungen bezüglich der engen Verbindung zwischen der gezeigten Szene und der Storyline inklusive der aktuellen Handlung. Alle zur Verfügung stehenden möglichen Einstellungen laufen im Stundenrhythmus während des Tag- und Nacht-Wechsels ab und können fließend ineinander übergehen. Das garantiert die Einrichtung atmosphärischer Settings über ein Scheitelpunktsystem, das zu den Rändern der entsprechenden Zeitfenster neutral ausläuft.

Künstliche Lichtquellen wie Fackeln, die bei Tag kaum Wirkung haben, bekommen dank des Lichtmodells besondere Kraft in der Nacht.

Die Königin der Nacht
Nach langen und mühsamen Entwicklungsstunden war es endlich soweit: Die gesamte Rendering-Pipeline und ein attraktives Toolset standen parat, und wir konnten uns endlich auf unser eigentliches Ziel konzentrieren: das dynamische Nacht-Rendering. Aufgrund der völlig offenen Spielwelt in sind wir quasi gezwungen, uns auch in der Nacht völlig auf ein Rendering-System zu verlassen, da wir nicht voraussehen können, wo sich ein Spieler zu dieser Zeit befindet. Wie bereits angedeutet, bringt das Rendering zur Nachtzeit eine Menge Probleme mit sich: Extrem starke Kontraste zwischen hellen und dunklen Stellen mit dynamischem Licht, Working-Eye-Adaption, Detailverlust in dunklen Bereichen und die generelle Sichtweite sind dafür nur einige Beispiele.
Deshalb entschlossen wir uns, auch die Nacht im Hollywoodstil anzugehen. Das bedeutet stilisierte Darstellung, dynamische Anpassung und gute Sichtverhältnisse. Da wir den Spielern auch zu Nachtzeiten eine packende Spielerfahrung bieten wollen, schied die stockdunkle Nacht sofort aus. Dadurch wird das Spielerlebnis einfach zu sehr eingeschränkt und viele atmosphärische Vorteile, die die Nacht bietet, können nicht umgesetzt werden. Auch ein weiterer, häufig bei Spielen angewendeter Ansatz war uns zu statisch: die alleinige Ausleuchtung mit blauem Licht und entsprechende Spielerei mit dem Helligkeit-Kontrast-Balancing verfälscht die visuellen Effekte und verhindert das völlige Eintauchen in eine Spielwelt.
Wir haben all diese Ansätze mit unseren neu erstellen Tools kombiniert und gehen letztendlich von einem absolut simplen Ansatz aus. Die entsprechende Szene wird in der Nacht im Grunde genauso erleuchtet wie am Tage. Der Mond agiert als Sonnenlichtersatz, allerdings mit einer sehr stark reduzierten Lichtstärke. Bestimmte Szenenparameter wie Umgebungslicht oder diffuse Farben werden mit Hilfe der neuen Tools zusätzlich an die entsprechende Szene angepasst. Um potentielle HDR-Kontrastverluste abzufangen, haben wir die Reflexionswerte in der Nacht durchgängig leicht angehoben. Zusätzlich wird die Eye-Adaption bei schlechten Lichtverhältnissen limitiert und verlangsamt. Gebiete mit einer minimalen Ausleuchtung werden zudem farblich entsättigt und ganz leicht unscharf dargestellt. Durch diese Kunstgriffe erscheint selbst eine eigentlich völlig unbeleuchtete Szene gut sichtbar und ermöglicht es dem Spieler, seine Umwelt bewusst wahrzunehmen. Zudem bleibt die Dynamik einer Szene erhalten, ohne das Nachtgefühl zu verlieren. Das verdanken wir vor allem dem biologischen Eye-Adaption-Modell.
Künstliche Lichtquellen, die bei Tageslicht nicht sichtbar sind, bekommen in der Nacht dank eines auf Leuchtkraft basierenden Lichtmodells eine besonders starke Wahrnehmungskraft. Auf diese Weise wird das echte Lichtempfinden bei Nacht nahezu perfekt nachgeahmt. Im Radius der Lichtquelle herrschen beste Sichtverhältnisse, während es außerhalb dieses Bereichs fast stockdunkel ist. Dafür sorgen das Eye-Adaption-Modell und der entsprechende Leuchtkraftkontrast. Durch zusätzliche Kontrolle über HDR- und Lichteffekte können wir zudem eine sehr stylische Nacht kreieren. Ein starker Leuchtkraftkontrast in Kombination mit einem breit angelegten Bloom-Effekt sorgt zum Beispiel für die perfekte Fantasy-Atmosphäre. Also genau das, was wir für The Temptation anstreben.
Michal Drobot, Miroslaw Dymek

Michal Drobot
ist Visual Technical Director bei Reality Pump.

Michal lernte das Grundwissen für seine jetzige Arbeit am Institut für Computerwissenschaft und Psychologie an der Universität Jagiellonian in Krakau. Der Einstieg in die Spielebranche erfolgte 2007 beim polnischen Entwicklerteam Reality Pump. Dort war er zunächst als 3D Charakter Artist und Effect Programmer für das Rollenspiel Two Worlds aktiv. Jetzt ist er für den Nachfolger The Temptation als Visual Technical Director maßgeblich für die Bereich Image Processing und weitere, grafische Entwicklungsaspekte verantwortlich.

Miroslaw Dymek
ist CEO bei Reality Pump.

Miroslaw ist bereits ein alter Veteran in der Spieleindustrie. Er studierte von 1992 bis 1997 an der AGH University of Science and Technology in Krakau. Bereits zu Studienzeiten war er in der Games-Branche aktiv und veröffentlichte 1996 sein erstes kommerzielles Spiel in Polen. In den weiteren Jahren folgten bei TopWare Titel wie Earth 2140, Earth 2150, World War III oder Heli Heroes. Seit 2003 leitet Mirek das Entwicklerstudio Reality Pump und ist hier für Titel wie KnightShift, Earth 2160 oder Two Worlds verantwortlich.