Spiel-Engine

Spiel-Engine

Eine Spiel-Engine (englisch game engine ([ˈgeɪmˌɛndʒɪn]), auf deutsch etwa: Spiel-Motor) ist eine spezielle Laufzeitumgebung für Computerspiele, welche den Spielverlauf steuert und für die visuelle Darstellung des Spieleablaufes verantwortlich ist. In der Regel werden derartige Plattformen auch als Entwicklungsumgebung genutzt und bringen dafür auch die nötigen Werkzeuge mit.

Inhaltsverzeichnis

Bestandteile

Die Engine besteht, je nach Spiel, unter anderem aus folgenden Bereichen:

Basisfunktionalitäten

Grafik-Engine

Die Grafik-Engine ist für die grafische Darstellung auf dem Bildschirm verantwortlich. Eine Grafik-Engine beinhaltet meistens folgende Werkzeuge:

  • Funktionen zum Laden, Verwalten und Anzeigen von Texturen beziehungsweise Sprites
  • Textausgabe
  • Effekte wie Feuer, Explosionen, Wasser, Schnee, Nebel

Im Falle einer 3D-Engine kommen oftmals folgende Werkzeuge hinzu:

  • Funktionen zum Laden, Verwalten, Darstellen und Animieren von 3D-Modellen
  • Shader-System zur möglichst realistischen Darstellung der Wirkung von Licht und Schatten auf verschiedene Materialien (Metall, Holz, Haut)

Physiksystem

Aktuelle Spiele werden mit zusehends realistischeren Physiksystemen (Physikengine) ausgestattet. Neben höherem visuellen Realismus kann das Physiksystem auch Auswirkung auf das Spielgeschehen haben, wenn beispielsweise ein fallendes Objekt (z. B. eine geworfene Handgranate) einen Hügel herunterkullert, anstatt darauf liegen zu bleiben. Man kann zwischen verschiedenen Arten von Physik unterscheiden:

  • Weit verbreitet ist Rigid-Body-Physik, das heißt die Simulation der Newton'schen Mechanik für feste Körper.
  • Ein Teilaspekt von Rigid-Body-Physik ist Ragdoll-Physik: Virtuelle Charaktere können physikalisch korrekt fallen.
  • Manche Spiele simulieren auch das realistische Verhalten von Soft Bodies, (z. B. Fahnen, Kleidung) oder Fluiden (z. B. Wasser, Rauch)

Physikengines bekamen im Jahr 2005 auch eine Hardwareunterstützung spendiert, sogenannte Physikbeschleuniger, um die Berechnung der physikalische Effekte auf eine spezielle Physikkarte oder die Grafikkarte auszulagern.

Soundsystem

Nahezu alle aktuellen Spiele bzw. ihre zugrundeliegende Engine unterstützen 5.1 oder 7.1-Raumklang und Technologien wie z. B. EAX, entsprechende PC-Hardware (Soundkarte) und Boxen vorausgesetzt. Dadurch wird der räumliche Eindruck der Spielwelt verstärkt, indem ein differenzierter Raumklang entsteht, der es beispielsweise erlaubt, die Position von Gegnern zu orten. Außerdem können klanglich verschiedene Räumlichkeiten wie Badezimmer, Hallen, Gänge, Höhlen oder Unterwasser-Klangdämpfung simuliert werden. Auch andere, physikalisch bedingte Effekt wie der Dopplereffekt sind Hardwarebeschleunigt umsetzbar.

Zustandsspeicherung

Um den aktuellen Spielstand abzuspeichern und wieder zu laden gibt es zwei Ansätze:

  • Serialisierung des Objektbaums: Alle Objekte, deren Zustände und Beziehungen werden gespeichert.
  • Nur bestimmte Daten werden gespeichert. Vorteil sind kleine Dateien, und die Spielzustände können etwa auch auf Speicher-Modulen von Konsolen gespeichert werden. Nachteil ist ein größerer Programmieraufwand, weil die Programmierer genau programmieren müssen, was abgespeichert wird. Aufgrund dieser Komplexität greifen Spiel-Engines daher oft auf einfachere Verfahren zurück, etwa, dass man den Spielzustand nur an bestimmten Stellen im Spiel abspeichern kann.

Steuerung

Unpräzise Steuerung führt schnell zu Frustration. Haben die Entwickler früherer PC-Spiele noch auf die Pfeiltasten der Tastatur gesetzt, so gibt es heute für verschiedene Genres andere, besser geeignete Lösungen. In der Sparte Rennspielen ist dies das Lenkrad, eventuell mit Force-Feedback-Unterstützung. Bei Sportspielen, zum Beispiel der FIFA-Reihe, greifen viele Spieler zum Gamepad. Für Flugsimulationen werden in der Regel Joysticks verwendet. Strategie- und Aufbauspiele werden normalerweise per Maus gesteuert. Bei Ego-Shootern hat sich eine Kombination aus Maus und Tastatur durchgesetzt.

Der Vorteil der Maus gegenüber den Pfeiltasten besteht unter anderem darin, dass es nicht nur einen An/Aus-Zustand gibt, sondern eine analoge Unterteilung der Bewegungsstufe gibt.

Netzwerk-Code

Der Netzwerk-Code bestimmt die Voraussetzungen für den Multiplayer-Teil eines Spiels, z. B. wie viele Spieler gleichzeitig am Spiel teilnehmen können oder ob ein 56k-Modem ausreichend ist oder ein Breitbandinternetanschluss wie xDSL oder TV-Kabel benötigt wird.

Der Entwickler kann sich zwischen den zwei Netzwerkprotokollen UDP und TCP entscheiden. Der Vorteil von TCP besteht in der Sicherheit, dass Daten sicher und in der richtigen Reihenfolge beim Clienten ankommen. UDP hingegen ist schneller, es können aber Paketverdopplung, Paketverlust oder Durchmischung auftreten. Meistens werden beide Protokolle gleichzeitig verwendet, um flüchtige Daten über UDP zu senden und sichere Daten, wie zum Beispiel die Anmeldung über TCP.

Datenverwaltung

Zum Laden und Speichern von Spielständen, Benutzer- und Leveldaten sowie zur Speicherverwaltung ist ein Datenverwaltung erforderlich. Spiel-Engines verfügen deshalb über folgende Funktionen:

Skripting

Skriptsprachen dienen der Programmierung der Spielabläufe. Grundsätzlich sind Spielabläufe auch in der Entwicklungssprache programmierbar, dennoch bieten Skriptsprachen folgende Vorteile:

  • Skriptsprachen sind für den Anwenderkreis der Spieledesigner, die nicht notwendigerweise professionelle Programmierer sind, leichter zu erlernen als reine Entwicklungssprachen.
  • Skriptsprachen können oftmals iterativ während der Programmausführung vorgenommen werden, was die Entwicklungszeit verkürzt; eine Neukompilierung des Engine-Codes ist hierbei nicht erforderlich.
  • Die Spiele-Engine wird universeller und kann auch von den Nutzern erweitert werden

Eine Scriptsprache ist meistens langsamer als andere Programmiersprachen wie etwa C++. Die Spiel-Engine selbst ist daher meistens nicht in einer Scriptsprache programmiert, sondern in den meisten Fällen in C++. Die Spiel-Engine stellt aber meistens eine Scriptsprache zur Verfügung. Insbesondere für größere Spieleproduktionen hat sich daher eine Zwei-Schichten-Architektur etabliert: Das eigentliche Spiel wird in der Scriptsprache entwickelt, welche von der zugrundeliegenden Spiel-Engine zur Verfügung gestellt wird.

Manche Spiel-Engines greifen auf vorhandene Skriptsprachen zurück, etwa Lua. Aufgrund der besonderen Anforderungen besitzen viele Spiel-Engines eine eigene Skriptsprache, beispielsweise UnrealScript in der Unreal-Engine, C-Script bzw. Lite-C im 3D Gamestudio, Clonk, oder Perch in der Shark 3D-Engine.

Unterschiede von Engines für Konsolen und PC

Spiel-Engines für Konsolen

Moderne Konsolen unterscheiden sich technisch von PCs vor allem in folgenden Aspekten:

  • Deutlich weniger Hauptspeicher
  • Spezialhardware, insbesondere zur Berechnung der 3D-Grafik
  • optische Medien CD/DVD/Blu-Ray als primäres Speichermedium

Je nach Konsole kann man die Hardware zwar ähnlich programmieren wie PC-Hardware; allerdings geht dieses dann auf Kosten der Qualität, da die Konsolen-Hardware dann nicht ausgeschöpft wird. Da die technischen Eckdaten von Konsolen aber typischerweise deutlich hinter aktuellen PCs zurückfallen, ist ein optimales Ausnutzen der Konsolenhardware wichtig für eine gute Spiel-Engine. Konsolen-Engines besitzen daher in aller Regel viel Code, welcher ausschließlich für eine spezielle Konsole entwickelt wird. Da CD, DVD oder Blu-Ray merklich langsamer sind als Festplatten, andererseits Ladezeiten bei Konsolen besonders kurz sein sollen, spielt die Organisation der Daten auf diesen Medien und die Ladetechnik eine wichtige Rolle.

Zertifizierungsprozess

Spiele die für Konsolen veröffentlicht werden, müssen einen strengen Zertifizierungsprozess des Konsolenherstellers durchlaufen. Um diesen zu bestehen, müssen die Spiele eine umfangreiche Anforderungsliste erfüllen, welche beispielsweise bestimmte Anforderungen an die Ladezeiten von DVD fordert. Die meisten Anforderungen haben deutliche Konsequenzen für die darunterliegende Spiel-Engine. Aufgrund dieser Anforderungen besitzen Spiel-Engines für Konsolen typischerweise eine ganz andere Software-Architektur als PC-Engines.

Portierung von Konsole auf PC

Einfacher ist dagegen der Schritt von Konsolen zu PC: Eine Engine, die auf Konsolen läuft, lässt sich in aller Regel problemlos auf den PC portieren, weil dort die Anforderungen geringer sind. Allerdings beklagen Computerspieler bei derartigen Spielen dann öfters, dass das Spiel auf dem PC nicht die weitreichenderen Möglichkeiten aktueller PC-Hardware ausnutzt. Ein klassisches Beispiel sind Playstation-2-Spiele, welche auch auf den PC portiert worden sind, und welchen man oft ansieht, dass die Grafik für die technisch eher beschränkte Konsolen-Hardware entworfen worden ist. Ein anderer Aspekt ist, dass die Spiele-Entwickler bei Konsolen nur für eine feststehende Hardware entwickeln müssen, während ein PC-Spiel auf PCs mit verschiedenster Ausstattung laufen muss. Dieses hat weniger Einfluss auf die Software-Architektur, bedeutet aber für den Spieleentwickler, dass er die Engine umfangreich mit verschiedenen Hardware-Konfigurationen testen muss.

Entwicklungswerkzeuge

Entwicklungswerkzeuge spielen eine immer wichtigere Rolle bei der Entwicklung von Computerspielen. Viele professionelle Entwickler messen diesen inzwischen sogar eine größere Bedeutung zu als der eigentlichen Spiel-Engine. Grob kann man verschiedene Ansätze unterscheiden, die meistens auch in Kombination eingesetzt werden:

  • Plug-ins für existierende Programme. Beispielsweise ermöglichen derartige Plug-ins, Daten aus bekannten 3D-Modellierungsprogrammen in ein spezielles Format für die Spiel-Engine zu konvertieren.
  • Eigenständige Programme.
  • Die Spiel-Engine hat eingebaute Editierfunktionalität. Dieses ist bei Konsolen nur wenig praktikabel.
  • Dynamische Verbindungen: Änderungen, die man in eigenständigen Programmen oder Plug-ins vornimmt, werden von der Spiel-Engine direkt übernommen. Dieser Prozess etabliert sich insbesondere für professionelle Konsolenentwicklung.

Immer wichtiger werden die sogenannten Turn-Around-Zeiten: Je schneller ein Spieleentwickler das Ergebnis seiner Änderungen im Spiel sieht, desto produktiver kann er arbeiten. Da Spieleproduktionen immer aufwendiger werden, spielt dieser Aspekt eine immer wichtigere Rolle. Aus diesem Grund werden die Entwicklungswerkzeuge und die Spiel-Engines immer weiter verzahnt.

Engines zum Abspielen vorhandener Spieldaten

Da ältere Spiele (DOS) auf aktuellen Plattformen nicht mehr ohne weiteres laufen, haben engagierte Entwickler verschiedene Projekte gestartet, um neue Engines zur Interpretation von Spieldaten zu schreiben. In diesem Fall liefert das Projekt meistens nur die Engine, die Spieldaten muss der Nutzer bereitstellen (auf diese Weise werden von den Entwicklern die Urheberrechte der ursprünglichen Hersteller nicht verletzt). Beispiele hierfür sind ScummVM, ein auf modernen Plattformen lauffähiger Interpreter für die Scriptsprache SCUMM von LucasArts-Adventures und anderen oder Exult, eine nachprogrammierte Engine für Ultima VII und Ultima VII Teil 2.

Liste von Spiel-Engines

Hauptartikel: Liste von Spiel-Engines

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Einzelnachweise



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