Original-URL des Artikels: http://www.golem.de/news/prozedurale-schoepfung-kuenstliche-welten-auf-knopfdruck-1212-96323.html    Veröffentlicht: 13.12.2012 14:00

Prozedurale Schöpfung

Künstliche Welten auf Knopfdruck

Vom künstlichen Lebewesen bis zur Galaxie können Spielinhalte scheinbar aus dem Nichts entstehen. Dahinter stecken jedoch komplexe Algorithmen, die unter dem sperrigen Begriff "prozedurale Generierung" große Umwälzungen erwarten lassen - für Spielentwickler wie für Spieler.

Die Zukunft der Spielentwicklung liegt in der Automatisierung, in der prozeduralen Generierung (Procedural Generation) von Inhalten. Drei Entwickler hat Golem.de zu dem Thema befragt - Miguel Cepero (Voxelfarm), Keith Newton (I-Novae Studios) und Vladimir Romanyuk (Space Engine)-, alle waren sich darin einig. Kein Wunder: Sie arbeiten selbst an Software, die die Spielwelt erst genau in dem Moment erstellt, in dem der Spieler sie betritt. Nicht Grafiker gestalten dabei den Großteil der Spielwelt, sondern ausgefeilte Algorithmen.

Die von Miguel Cepero entwickelte Software Voxelfarm etwa generiert in Echtzeit Berge, Täler und Höhlensysteme. Die lassen sich frei durchwandern und verändern. Was einmal generiert wurde, merkt sich die Software, ebenso wie Interaktionen mit der Landschaft - etwa wenn im Minecraft-Stil Gräben und Tunnel gegraben oder Häuser aus Blöcken gebaut wurden. Für Anfang 2013 ist ein öffentlicher Alphatest der Software geplant, bis dahin gibt es noch einiges zu tun.

Keine Zeit für 7 Tage Schöpfung!

"Das ist die schlimmstmögliche Kombination: ein kniffliges Problem, das in sehr kurzer Zeit gelöst werden muss", sagt Cepero im Interview mit Golem.de. Er arbeitet gerade an Echtzeitarchitektur. Gebäude werden generiert, während der Spieler sich ihnen nähert. "Das ist aus mehreren Gründen eine Herausforderung. Erst muss man dem System beibringen, wie es interessante Gebäude erstellt. Und das muss dann sehr schnell erfolgen."

Deshalb geht es bei prozeduraler Generierung auch um Rechenleistung, je mehr desto besser - auch Cloud Computing könnte dabei von Nutzen sein. Vor allem wenn in Kombination mit einer ausgefeilteren Landschaftssimulation auch Erosion, Wasserläufe und anderes berechnet werden sollen, um glaubwürdigere Welten zu realisieren. Cepero: "Die Hardware hat eine Stufe erreicht, an der nun einige coole Dinge möglich sind. Wir wissen schon seit einigen Jahren von ihnen. Es dauerte nur zu lange, sie auszuprobieren."

Es habe viel Forschung im Bereich synthetischer Realitäten gegeben. Der echte Engpass bleibe weiter die Hardware, sagt Cepero und nennt als Beispiel den Film Avatar. Pandora sei eine prozedurale Welt, dennoch habe es Millionen gekostet, sie zu generieren. "Wir müssen einen Punkt erreichen, an dem eine ähnlich detaillierte Welt durch unsere Spielkonsole oder unseren Computer erzeugt werden kann, oder durch einen bezahlbaren Cloud-Service."

Wer will schon jedes Blatt im Wald zeichnen?

Auch Keith Newton vom unabhängigen Entwicklerteam I-Novae Studios, das am Weltraumspiel Infinity arbeitet und es voraussichtlich Anfang 2013 über Kickstarter finanzieren will, führt Avatar als Beispiel an: "Es ist die Aufgabe von prozeduralen Algorithmen zu entscheiden, wo und wie dicht beieinander Bäume, Gräser, Steine, Blätter usw. platziert werden. Diese Technik hat eine große Bandbreite an Anwendungen, etwa um Städte, Wälder, Landschaften, Wolken zu generieren - und sie für komplette Planeten wie etwa Pandora im Film Avatar zu kombinieren."

Für einen künstlichen Wald müssten Grafiker nur verschiedene Blattsorten, Baumrinden und Grastypen designen, die der prozedurale Algorithmus dann platziert. Grafiker mögen eine Hassliebe zu ihnen hegen, doch laut Newton würden wohl auch nur wenige von ihnen einen kompletten Wald mit all seinen Ästchen, Blättern und Grashalmen per Handarbeit erstellen wollen.

Das Problem: Um mit digitalen Umgebungen wie in Spielen und Computergrafikfilmen annähernd die Komplexität zu erreichen, wie sie Kameramänner mit ihren Bildern von der realen Welt zeigen, müssten laut Newton genügend Grafiker angeheuert werden. Und sie müssten an Details arbeiten, die zwar nur Hintergrundinformationen sind, aber dennoch unerlässlich, um einer Szene das richtige Feeling zu verschaffen.

Terra und Terabytes

"Nicht nur die Hardwareleistung ist gewachsen, sondern auch die finanzielle Belastung, da genügend Grafiker angestellt werden müssen", sagt Newton in Bezug vor allem auf die Produktion von Computergrafikfilmen. "Was Spiele angeht, verschärft sich das Problem noch durch den Fakt, dass Konsumenten alle diese Inhalte auf ihrer Festplatte speichern müssen, und da die digitale Distribution immer populärer wird, müssen sie auch warten, bis sie heruntergeladen wurden."

Würde man etwas Komplexes wie die Erde nachbilden, wüchse die Datenmenge schnell in den Terabyte-Bereich, aber "prozedurale Algorithmen lassen uns das mit ein paar Kilobyte Offlinespeicher erzielen", sagt Newton. Auch die Kosten würden sich im vertretbaren Rahmen halten, da Computer den Teams die banalen Aufgaben abnehmen.

Neu ist das nicht, so Newton: "Da diese Algorithmen hoch komprimierbar sind, kommen die meisten Dinge aus der Demoszene". Wenn es in deren Wettbewerben darum gehe, mit möglichst wenig Platzverbrauch auf dem Datenträger zu arbeiten, werde meist prozedural gearbeitet.

Das Zeitalter der Maschinen naht...

Cepero glaubt, dass die Rechenleistung schneller wächst als die Menge an von Grafikern produzierbaren Inhalten. Daher stünden wir vor dem "dritten Zeitalter der prozeduralen Generierung", in der Automatisierung aus Kostengründen der einzige Ausweg ist. Das erste Zeitalter hätten Spiele wie Elite eingeläutet. Cepero sagt: "Wir waren als Publikum damals sehr nachsichtig. Man konnte ein paar Punkte auf den Screen werfen und es eine Galaxie nennen."

Im gerade ausklingenden zweiten Zeitalter wuchs die Rechenleistung, realistischere Repräsentationen konnten gespeichert und gerendert werden. Und es konnten hochqualitative Grafiken in Spiele gepackt werden. Noch wurde das meiste aber handgemacht und nur hier und dort gibt es Cepero zufolge etwas "Prozeduralismus", meist im Hintergrund. Damit spielt er etwa auf Tools wie Speedtree an, die Vegetation und ganze Wälder in Spiele bringen.

Doch die Hardware der Endkunden, etwa die aktuelle Konsolengeneration, sei nicht in der Lage, Inhalte zu generieren, die detailliert genug sind, um an von Menschen gemachte Inhalte heranzukommen. In der Zukunft dürfte sich das ändern. "Man könnte sich eine Variation des Turing-Tests vorstellen: Ein Mensch spielt ein Spiel, ohne jemals zu realisieren, dass das meiste davon von einem Computer erzeugt wurde", sagt Cepero.

...aber keine Panik!

Ersetzt werden könne alles, was wenig kreative Eigenleistung enthalte. So lasse sich wohl problemlos der Grafiker ersetzen, der etwa die Steine modelliert. "Wenn du nur geistlose Arbeit verrichtest, dann ist es wahrscheinlich, dass du, selbst als 'Schöpfer', durch irgendeine Technik ersetzt wirst", sagt Cepero. "Doch was ist mit dem, der die Konzeptzeichnungen oder die Storyline anfertigt?" Es gebe da noch einige kniffelige Probleme, für die noch Lösungen fehlten, die aber eng mit der Entwicklung künstlicher Intelligenzen zusammenhängen.

"Prozedurale Generierung kann nichts erschaffen, es gibt immer noch viel Arbeit für Menschen. Beispiele sind Modelle von Fahrzeugen, Personen und Tieren", sagt auch der russische Space-Engine-Entwickler Vladimir "SpaceEngineer" Romanyuk. Die von Romanyuk und anderen in der Freizeit für Windows-PCs entwickelte Space Engine soll irgendwann Basis eines Weltraumerforschungsspiels werden. Bereits jetzt berechnet sie Planeten inklusive Küstenlinien und Wolken. Die können unter Windows bereits selbst besucht werden.

Auf Grafiker will er daher nicht verzichten, Entwickler könnten ihnen die Tools programmieren, doch nur, um ihnen noch mehr Möglichkeiten zu geben, ihre Aufgaben zu erledigen. "Für Entwickler ist es schwierig, realistische Ergebnisse zu erzeugen, etwa Landformen. Prozedurale Generierung sollte mit anderen Methoden kombiniert werden, etwa mit Simulation von Erosionsprozessen für Landschaften."

Seid menschlicher!

Dass auch Fahrzeuge durchaus prozedural erzeugt werden können, zeigt beispielsweise der 3D-Grafikprogrammierer Josh Parnell. Er will mit seinem bisher sehr erfolgreich über Kickstarter finanzierten Weltraumspiel Limit Theory alle Inhalte prozedural erzeugen - und das beinhaltet neben gegnerischen Fraktionen auch Missionen, Raumstation- und Raumschiffdesigns.

Auch einer der Begründer der prozeduralen Spiele, David Braben, ist wieder mit einem neuen Elite-Spiel auf Kickstarter vertreten - und auch Elite: Dangerous soll wieder Maßstäbe im Bereich prozeduraler Inhalte setzen. Das neue Weltraumspiel wird voraussichtlich im März 2014 fertig werden und wird seine Finanzierung über Kickstarter voraussichtlich ebenfalls schaffen - Braben muss dazu Zusagen in Höhe von mindestens 1,25 Million Pfund einsammeln.

Kreative, die in Zukunft nicht untergehen wollen, müssten sich laut Cepero anpassen: "Seid menschlicher, weniger robotisch", rät er. Und dazu, den Tatsachen ins Auge zu sehen: "Automatisierung lässt sich in der Spielindustrie nicht vermeiden, andernfalls wird die ganze Industrie stagnieren und wie ein Haus in Flammen aufgehen. Ob Automatisierung besser oder schlechter ist, spielt dabei keine Rolle."

Als Einstieg in die Materie für Entwickler, Grafiker und Interessierte raten Miguel Cepero, Keith Newton und Vladimir Romanyuk jeweils zu dem Buch: Texturing and Modeling: A Procedural Approach (David S. Ebert, F. Kenton Musgrave, Darwyn Peachey, Ken Perlin, Steve Worley). Newton dazu: "Dieses Buch wurde von einigen der Leute geschrieben, die die moderne prozedurale Theorie erfunden haben." Schließlich sei das Internet eine großartige Ressource, um Fragen zu stellen und eine Idee davon zu bekommen, was andere bereits mit prozeduralen Algorithmen erreicht haben.  (ck)


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