Version vom 13. Mai 2008, 14:17 Uhr

Der Enginepfad

Einführung

Willkommen auf dem Enginepfad des DelphiGL-Wikis. Dieser Pfad soll euch zeigen wie man eine Engine von Grund auf konzipieren und realisieren kann.

Wie funktioniert der Trampelpfad? Im nachfolgenden Abschnitt findet ihr einen Text, der euch etwas über Engines erzählen soll. Dieser Text ist durchsetzt mit Schlagwörtern, welche Links auf andere Artikel im Wiki sind. Wenn ihr diesen Links folgt, erfahrt ihr mehr zu den entsprechenden Themen.

Sinn des Trampelpfades ist es, euch die Artikel aufzuzeigen, welche ihr gelesen haben solltet und welche nützlich für den Einstieg in OpenGL sind. Am Ende dieses Trampelpfades findet ihr noch Links, die euch die Materie genauer erklären werden.

Der Trampelpfad

Am Beginn steht bei den meisten Anfängern zum Thema Engine die Frage "Was brauch' ich um eine Engine zu entwickeln?". Je nach dem welches Betriebsystem ihr als Plattform gewählt habt, können sich die Hilfsmittel unterscheiden.

Weiterhin ist die Wahl der Sprache zu treffen. Wenn ihr mit Object Pascal in seinen vielen Varianten (z.B. Delphi) arbeiten wollt, dann ist der DGLOpenGL.pas-Header genau das richtige für euch. Wenn es eine andere Sprache sein soll, müsst ihr euch dann nach einen aktuellen Header in Google umschauen. Es ist im vorhinein schon zu erwähnen, dass dieses Wiki Object Pascal in seiner Vielfalt verwendet.

Vorbereitung

Als erstes muss uns klar werden, welches Ausmaß die Engine erreichen soll. Davon abhängig ist unsere Planung zu gestalten.

1. Es ist ratsam mit der Plattformunterstützung anzufangen, da diese unsere unterste Schicht bilden wird.

Hier ist als erstes zu sagen, je mehr Platformen unterstütz werden sollen, des so aufwendiger wird das Projekt.

Mit Platformen sind hier z.B. PC mit 32Bit/64Bit, Consolen(PS1-3,XBox-360,Wii,GP2X,...) und Mobilegräte(Palm,PSP,...) gemeint.

Für jede Platform gibt es eine oder mehere Betriebssysteme, zur ansteuerung der Hardware.

Hier eine kleine Liste mit verschiedenen Betriebssystemen.

• Windows
• Linux
• MacOS X

2. Abhängig davon wählen wir nun unseren Compiler.

• Delphi (Windows 32Bit)
• FreePascal (support für alle erwähnten Platformen und OS)
• gcc (support für alle erwähnten Platformen und OS)
• Kylix (Linux 32Bit)
• VisualC++ (Windows 32/64Bit WinCE)

3. Nun sollten wir entscheiden, welche Libary wir für das Ansprechen der Grafikkarte verwenden.

Es gibt einige wie z.B. DirectX, GDI, AGG und Mesa aber wir wollen uns mit OpenGL auseinander setzen, denn dieses ist ein OpenGL Wiki.

Dieser Verweis führt Sie auf den Verwendungspfad in diesem Wiki und soll zeigen wie man OpenGL unter den einzelnen OS nutzten kann.

4. Nun kommen wir zu allgemeinen Libaries für das ansprechen unsere Hardware.

Im vorraus ist zu sagen, dass ALSA und OSS Treiber unter Linux sind, die das abspielen von Sound ermöglichen. Nur nur ein Bruchteil der Bibiotheken ist für 3D Sound ausgelegt und man müsste bei bedarf noch ein eigene Doppler Effekt hinzufügen.

Sound:

• ALSA (Linux only)
• BASS
• Direct Sound (Windows only)
• FMOD
• OpenAL
• OSS (Linux only)
• SDL

Netzwerk:

• DirectX Net (Windows only)
• SDL_Net
• Raknet

5. Jetzt sollte man entscheiden, ob und welche Libaries man zur Erleichterung der nicht Hardwarebezogenen Aufgaben wählt. Um den Rahmen nicht zu sprengen nur ein paar Beispiele.

Physik:

• Havok
• Newton
• NovodeX
• ODE

Fenster:

• GTK
• wxWidget
• SDL
• Win API (Windows)

Kompression:

• zLib

AI:

• openSteer

6. Nun beachten wir unser eventuell eingeplantes Budget (normalerweise 0€ ^_^) und gehen die Liste oben nochmal durch.

7. Ein Programm teilt sich in der Regel in 3 Teilbereiche(im Bereich Software Engineering auch Pakete genannt), diese sind die GUI, die Programmlogik und die Datenbank.

GUI:

• Die GUI sorgt dafür, dass alle Informationen dem User Grafisch dargestellt werden. Dabei geht dieses natürlich auch in die Gegenrichtung. Also der User gibt informationen in den Computer.

Logik:

• Die Logik ist der größte Teil vom ganzen Programm, denn hier ist der Ganze Code angesiedelt, der das Programm zum funktionieren bringt.

Datenbank:

• Das Datenbank Paket, ist der Part wo alle Daten, die das Programm benötigt, zwischengespeichert werden. Das wären z.B. Variablen, Texturdaten, Spielerinformationen und so weiter.

Wer sich in der Material nur ausprobieren will, kann anfangen so viel wie möglich selber zu programmieren. Wenn es aber darum geht eine Engine zu schreiben, welche man auch benutzten will. Dann sollte man versuchen so viel Code wie möglich wieder zu verwerten. Viele Programmierer haben schon Funktionen, Strukturen und Lösungen geschrieben und die gilt es so gut wie möglich wieder zu verwerten. Dies hat viele Vorteile, denn man spart Zeit, kann sich sicher sein, dass der Code standardmässig läuft und man hat sich viel Zeit mit der Konzeptphase gespart. Man muss in der Konstruktiven entwicklung nicht mehr das Rad neu erfinden. Der Trend in der Professionellen programmierung geht seit vielen Jahren in diese richtung. SDL, OpenAL, DirectX, OpenGL, zLib und viele andere Libaries haben sich so ihren Stellenwert erkämpft.

Planung

Wir gehen mal von ein "AllInOne Wonder" aus und nutzen FreePascal aufgrund der Plattformunabhängigkeit, SDL und sämtliche Zusatzpakete zur plattformunabhängigen Fensterinitialisierung sowie Laden von etlichen Bildformaten. Für die Soundausgabe werden wir aufgrund von Kostengründen auf OpenAL setzen.
Für die Physik ist eine vorhandene Bibliothek wie zum Beispiel ODE zu favorisieren, da diese schon ausgereifter als eine selbst entwickelte ist. Doch kann im Gegenzug eine eigene Physik Library eventuell schneller und viel schlanker sein, wenn man nur eine handvoll Dinge benötigt.

Geht's nun Los?
Na ja, nun kommt der warscheinlich unangenehmste Satz für alle.
Die Entwicklung einer Engine bedarf einer ausführlichen Planung, was kurz und knapp ein Softwarecycle bedeutet. Nun sollte man die einzelnen Schritte eines Softwarecycles abarbeiten und ganz am Ende, wenn viel Zeit rum ist, kann man dann endlich anfangen den Compiler flott zu machen. Kleiner Tip: macht euch die Mühe, da diese sich umso mehr auszahlt, je grösser das Projekt ist(für ein Packman Clon ist es aber eher Zeitverschwendung).
Das allerwichtigste bei großen Projekten ist, dass Aufgabenpakete/Module geschnürt werden. Diese sollten nach dem Blackbox-Prinzip erstellt werden. Dadurch können die Module unabhängig voneinander von verschiedenen Personen erstellt werden. Um so etwas realisieren zu können, ist natürlich klar, dass in die Planung der Schnittstellen zwischen den Modulen sehr viel Zeit eingesetzt werden sollte. Änderungen in den Modulen sind kein Problem, Änderungen an der Schnittstelle können Einfluss auf das gesamte Projekt haben. Eine Engine kann entweder auf Low-Level oder High-Level API aufsetzen, idealerweiser sollte man eine Zwischenlösung nutzen, hierzu finden Sie unter High/Low-Level API weitere Informationen.

In der Industrie verwendet man in größeren Engines Wrapper. Dieser ist dazu da, dass OpenGL/SDL und DirectX über eine eigene API angesteuert werden kann und somit ist es möglich die Engine mit den verschiedensten Plattformen (PC, Konsole, etc.) zurecht kommt.
Laut einer neueren Umfrage schreiben 75% alle Amerikanischen Publisher ihren Entwicklerteams vor das sie eine Engine mit genau dieser Eigenschaft nutzen. Des weiteren ist es auch immer häufiger, dass Publisher auf der ganzen Welt ihren Entwicklerteams vorschreiben das sie eine fertige Engine (Middleware) zu verwenden haben. Dies hat den Grund, dass der Publisher somit das Risiko eines Spiels vermindert und Geld spart - schließlich kostet das Entwickeln einer Engine eine große Summe an Geld und die Künstler sitzen währenddessen ohne Arbeit herum. Diese kalkulierten Kosten sind in der Summe höher als der Preis einer aktuellen Engine, wie zum Beispiel die "Vision" oder "Source" Engine.

Wenn Sie es noch nicht getan haben, dann schauen Sie sich am besten noch ein Buch oder Artikel über Pattern/Muster an. So sind Adapter, Singleton, Observer Muster sehr sinnvoll zu kennen. So kann man z.B. für Materials, Texturen, Shader, Models, Animationen und alle anderen auf Daten basierte Komponenten mit dem Adapter Muster sehr flexibel sein. Für ein SceneGraph kann man das Observer Muster prima anwenden und Singleton kann man für alle Manager verwenden.

Die ersten Schritte in eine nicht reelle Welt.

Nachdem man weiß, was das Projekt einmal enthalten soll, besteht der erste Schritt darin, Manager zu erstellen, die die Arbeit erleichtern. Bei 3D-Spielen ist z.B. ein Leveleditor kein Feature, was am Ende entwickelt wird, sondern der Editor ist fertig noch bevor das Spiel getestet wird. Deshalb gibt es in Firmen Programmierer, die nichts anderes machen als Tools/Manager für die Erstellung der Inhalte zu fertigen. Dazu gehören:

1. Leveleditoren um die "Welt" zu erstellen.
2. Texturmanager um den Programmierern den Zugriff auf die Texturen so einfach wie möglich zu machen.
3. Soundmanager (siehe vorheriges)
4. Lademanager für eigene Dateiformate.

Nun ist es so weit, wir wissen was wir wollen und haben alles durchdacht. Nun gilt es die einzelnen Module in die Tat um zu setzen. Einige Module die es 3D Anwendungen/Spielen geben könnte:

Grundlagen:

1. Template
2. Kamera
3. Schrift
4. Input (Maus/Tastatur)

Fortgeschrittene Grundlagen:

1. Sound
2. Physik
3. Texturen
4. Levelformat
5. Modelformat
6. Console (Laufzeit-Schnittstelle zur Engine)
7. GUI (Game User Interface)
8. Netzwerk

Fortgeschritten:

1. Shader
2. Materials
3. Packformate
4. VFS (Virtual File System)
5. Soundformat-Erweiterungen
6. KI
7. Script
8. Scene Graph

Sieht doch eigentlich nach nicht so viel aus oder ? Doch der Schein trügt. In großen Firmen sitzen meist mehre Programmierer, die in diesen Gebiet erfahren sind, an nur ein, maximal 2 Modulen.
Wie ist es dann möglich, dass es trotzdem so viele Spiele/Engines gibt, die nicht von Firmen sind ?

1. die Planung wird bei weitem nicht so groß ausfallen wie in Grossfirmen
2. die Koordination von vielen Person ist sehr schwer und es kann zu großen Zeitlücken kommen
3. meistens wird die Planung sowieso nicht in die Tat umzusetzen sein, es gibt immer ein Problem
4. ein kleines Team kann sich im besten Fall gegenseitig hochpushen und zu mehr anspornen
5. Großfirmen haben selten die Möglichkeit, mal einen Codefetzen in Foren zu setzen und verbessern zu lassen
6. das nutzen von Libraries ist sehr zeitsparend

Die Engine ist fertig oder doch nicht ?

Fertig ist eine Engine nie, man kann sie immer wieder opimieren und erweitern. Doch kommt der Punkt, wo die Qualität den Ansprüchen völlig ausreichend ist. Man sollte nun noch überlegen, ob man eventuell ein Tool zur leichteren Handhabung der Engine entwickelt. So kann ein GUI-Editor oder Material-Editor die Arbeit um vieles erleichtern, wenn es dann heißt die Engine auch zu nutzen.

Nun bleibt es nur noch zu sagen: viel Glück und Erfolg mit der Entwicklung einer eigenen Engine. Mögen die bereitgestellten Links zur Erleuchtung führen.

Links

X-Dream Engine Projekt omorphia Andorra 2D