Quake: чверть століття
Застосовуваність: ця робота може бути використана як дидактичний матеріал курсу комп'ютерна графіка
та курсу ігри та спорт кафедри теоретичної інформатики інституту формальної математики.
Об'єкт та предмет: комп'ютерна графіка, гра Quake.
Мета та завдання: розкриття інтерпретацій, аналіз 25-річного розвитку.
Інтро
Спочатку я хотів написати статтю присвячену технічній частині гри Quake аби заохотити молоде покоління, хто бажає поринути у світ лінійної алегбри і афінних перетворень, а також овертаймів в геймдеві та інших дравбеків. Використати її як дидактичний матеріал для курсу комп'ютерна графіка де побудова подібного шутера могла би бути заліковим проектом. Але потім я вирів розшири її застосовуваність та надати інтерпретації феномену гри Quake в інших галузях людської діяльності. Так, я намагатимусь розкрити Quake в декількох аспектах: з точки зори формальної філософії, як витвір мистецтва, як заліковий проект по курсу комп'ютерна графіку та як спортивну гру.
Формальна філософія
На мою думку побудова реальності на комп'ютері з клавіатурою і мишкою — це спроба глибокого занурення як математика, але є побудовою самсари в самсарі. Це спроба створити ту реальність, яка потрібна в даний момент, це може бути прихистком, це може бути дослідженням. Версія BPS дерев яка застосовувалася в DOOM обмежувала можливості повної свободи у трьох осях, і тільки з появою нової додаткової потужності процесорів Pentium це стало можливим. Джон Кармак переписав декілька імплементацій, це було справжнім дослідженням яке залишилось в його робочих щоденниках. До цих пір все що використовувалось в Quake окрім сучасних шейдерів використовується і сьогодні у всіх 3D рантаймах, тоді це було значно складніше через обмеженість обчислень.
Витвір мистецтва
Музика: альбом із саундтреком до однойменної відеоігри id Software 1996 року, створеної Трентом Резнором та його індустріальною рок-групою Nine Inch Nails. Він був випущений 22 червня 1996 року. Спочатку надрукований на тому ж диску, що й гра, Quake був комерційно недоступним до виходу на вінілі у вересні 2020 року. Резнор також створив звукові ефекти для гри.
Ігрова механіка: збалансована на референсному рівні. Набір зброї, карти, архітектура рівнів, розстановка персонажів, маршрути, спід рани, перший в світі чемпіонат по кіберспорту — це все про Quake.
Зброя: Axe, Shotgun, Double Barrell, Nailgun, Perforator, Grenade Launcher, Rocket Launcher, Thunderbolt.
Відновлення: Health Packs, Megahealth, Green Armor, Yellow Armor, Red Armor.
Удосконалення: Biosuit, Pentagram of Protection, Quad Damage, Ring of Shadows.
Вороги: Rottweiler, Grunt, Enforcer, Knight, Death Knight, Rotfish, Zombie, Scrag, Ogre, Spawn, Fiend, Vore, Shambler.
Боси: Chthon, Shub-Niggurath.
Імплементації які підтримують OpenGL/DirectX та масшабуюьться на сучасних моніторах:
DarkPlaces — darkplacesengine/darkplaces.
DirectQ — AAS/directq.
QuakeSpasm — sezero/quakespasm.
VkQuake — Novum/vkQuake.
Я перевірив всі імплементації зі всіма модами і залишився на VkQuake.
Пакети або моди
Для того аби вибрати карту, перейдіть в консоль `.
Потім введіть команду map ad_azad, наприклад для рівня з Arcane Dimensions,
або map e1m1 для першого рівня оригінальних епізодів Quake.
Корисна команда для того, щоб вивчити карту — це noclip, яка дає змогу літати, проходити крізь стіни і побачити рівень зі сторони.
Для запису проходжень використовуються команди record, stop, playdemo [hipdemo1], demos.
Original (id1)
Quake — відеогра шутер від першої особи, розроблена компанією id Software і опублікована компанією GT Interactive Software. Роздрібна CD-ROM версія (1.01) була випущена 12 липня 1996 року для Microsoft DOS. Через застарілий характер гри користувачам рекомендується переглянути посібники з усунення несправностей.
Найраніша умовно-безкоштовна версія, 0.91, була завершена 21 червня 1996 року та випущена наступного дня після того, як її самостійно зібрав Джон Ромеро. Quake 2 було випущено 9 грудня 1997 року. Однак ця гра є продовженням лише за назвою. У Quake також є два офіційних пакети доповнень: Quake Mission Pack 1: Scourge of Armagon і Quake Mission Pack 2: Dissolution of Eternity.
Quake була однією з перших повністю тривимірних шутерів від першої особи. Вплив Doom на ігровий процес, дизайн і історію відчувався. Наприклад, у Quake є подібний арсенал зброї та телепортів. Функції, оригінальні для Quake, як-от консоль, пізніше з’явилися в портах Doom. Після публікації офіційного коду Quake деякі порти Doom включили частини коду Quake. Quake має три режими гри; Один гравець, кооператив і Deathmatch, схожі на ігрові режими Doom. Як і Doom, у цій грі були демо-версії та спідрани. Однак, незважаючи на те, що це вплинуло на стиль гри Doom, це була перша гра від id Software, яка містить 3D-моделі порівняно з 2D-спрайтами Doom, тут вперше з'явилися рокет джампи і дійсно створилася унікальна атмосфера, яку нікому не вдалося повторити та повністю задовільнити фанатів гри, окрім як випуском все нових і нових модів, і ремастерінгом існуючих.
Episode 1: Dimension of the Doomed: E1M1: The Slipgate Complex by John Romero, E1M2: Castle of the Damned by Tim Willits, E1M3: The Necropolis by Tim Willits, E1M4: The Grisly Grotto by Tim Willits, E1M5: Gloom Keep by Tim Willits, E1M6: The Door to Chthon by American McGee, E1M7: The House of Chthon by American McGee, E1M8: Ziggurat Vertigo* by American McGee; Episode 2: The Realm of Black Magic: E2M1: The Installation by John Romero, E2M2: The Ogre Citadel by John Romero, E2M3: The Crypt of Decay by John Romero, E2M4: The Ebon Fortress by John Romero, E2M5: The Wizard's Manse by John Romero, E2M6: The Dismal Oubliette by John Romero, E2M7: The Underearth* by Tim Willits; Episode 3: The Netherworld: E3M1: Termination Central by John Romero, E3M2: The Vaults of Zin by American McGee, E3M3: The Tomb of Terror by American McGee, E3M4: Satan's Dark Delight by American McGee, E3M5: The Wind Tunnels by Tim Willits, E3M6: Chambers of Torment by American McGee & Tim Willits, E3M7: The Haunted Halls* by American McGee; Episode 4: The Elder World: E4M1: The Sewage System by Tim Willits, E4M2: The Tower of Despair by Sandy Petersen, E4M3: The Elder God Shrine by Sandy Petersen, E4M4: The Palace of Hate by Sandy Petersen, E4M5: Hell's Atrium by Sandy Petersen, E4M6: The Pain Maze by Sandy Petersen, E4M7: Azure Agony by Sandy Petersen, E4M8: The Nameless City* by Sandy Petersen; End: Shub-Niggurath's Pit by John Romero.
Scourge of Armagon (hipnotic)
Quake Mission Pack 1: Scourge of Armagon — перший офіційний пакет місій для Quake, розроблений Hipnotic Software і випущений 5 березня 1997 року.
Після того, як Рейнджер перемагає Шуб-Ніггурата, він повертається додому, щоб побачити, що Армагон перебрав сили Квейка та планує знищити Землю за допомогою Розлому. Тому герой повинен знову вирушити в темні царства Квейка і перемогти армії зла.
Episode 1: Fortress of the Dead: HIP1M1: The Pumping Station, HIP1M2: Storage Facility, HIP1M3: The Lost Mine, HIP1M4: Research Facility, HIP1M5: Military Complex, HIP2M1: Ancient Realms; Episode 2: Dominion of Darkness: HIP2M2: The Black Cathedral, HIP2M3: The Catacombs, HIP2M4: The Crypt, HIP2M5: Mortum's Keep, HIP2M6: The Gremlin's Domain; Episode 3: The Rift: HIP3M1: Tur Torment, HIP3M2: Pandemonium, HIP3M3: Limbo, HIP3M4: The Gauntlet, HIPDM1: The Edge of Oblivion; HIPEND: Armagon's Lair.
Dissolution of Eternity (rouge)
Quake Mission Pack 2: Dissolution of Eternity — другий офіційний пакет місій, випущений для Quake, розроблений Rogue Entertainment і випущений 19 березня 1997 року.
Перемігши Армагона, герой повертається на Землю. Однак все виглядає дуже неправильно - очевидно, Quake започаткував ще одну темну схему підкорити наш світ, змінивши хід часу. Герой сповнений рішучості покінчити з Квейком раз і назавжди, а тому сміливо знову вирушає в темні царства для останнього протистояння, щоб покінчити з усім злом раз і назавжди.
Episode 1: Hell's Fortress: R1M1: Deviant's Domain, R1M2: Dread Portal, R1M3: Judgement Call, R1M4: Cave of Death, R1M5: Towers of Wrath, R1M6: Temple of Pain, R1M7: Tomb of the Overlord; Episode 2: The Corridors of Time: R2M1: Tempus Fugit, R2M2: Elemental Fury I, R2M3: Elemental Fury II, R2M4: Curse of Osiris, R2M5: Wizard's Keep, R2M6: Blood Sacrifice, R2M7: Last Bastion, R2M8: Source of Evil.
Dimensions of The Past (dopa)
Dimension of the Past (скорочено «DOPA») — це додатковий епізод для Quake, розроблений MachineGames на честь 20-річчя гри. Його можна завантажити безкоштовно, а також було включено до сучасного порту Quake.
Незважаючи на те, що цей епізод не розроблявся самим id Software, епізод офіційно випущений у випуску 2021 року, розробляється іншою компанією, що належить Zenimax, яка раніше співпрацювала з id Software, а також з Nightdive Studios. Епізод також містить багато алюзій і зворотних посилань до Quake, таких як повторна поява пасхального яйця Dopefish, а також фінальний рівень епізоду, який майже ідентичний Ямі Шуб-Ніггурата.
E5START: Dimension of the Past, E5M1: The Military Base, E5M2: The Power Supply, E5M3: The Dark Days, E5M4: The Catacombs, 5SM1: The Forgotten Castle, E5M5: The Stronghold, E5M6: The Underworld, E5M7: The Otherworld, E5SM2: The House of Doom, E5END: The Year Zero.
Abyss of Pandemonium (impel)
Abyss of Pandemonium — це неофіційна комерційна часткова конверсія для Quake, розроблена командою розробників Impel і опублікована Perfect Publishing. Він був випущений 14 квітня 1998 року і включає 16 нових рівнів (10 одиночних матчів/6 смертельних матчів), шість нових ворогів, чотири нові види зброї та 1 посилення.
AOP1M1: Gates of Abyss, AOP1M2: Core Reactor, AOP1M3: The Power Station, AOP1M4: The Moon Temple, AOP1M5: The Dark Palace, AOP1M6: The Forgotten One, AOP2M1: Heresy, AOP2M2: Carnage Castle, AOP2M3: Central Complex, AOPEND: Legonds of Quake; Multiplayer Maps: AOPDM1: The Absolution, AOPDM2: Runic Raging, AOPDM3: Mental Overlord, AOPDM4: Mental Overlord II, AOPDM5: Midnight Darkness, AOPDM6.
Arcane Dimensions (ad)
Arcane Dimensions створювався великою командою дизайнерів рівнів, художників і програмістів протягом багатьох років. Мод містить понад 30 деталізованих та унікальних тематичних середовищ для дослідження та цілу нову армію монстрів, щоб перевірити ваші навички та рефлекси на цьому шляху. Початок мода сповнений порталів у всіх напрямках, які візуально оформлені тим, що лежить за їхніми чорними зоряними покривалами. Немає фіксованого порядку чи бажаного шляху до того, як ви досліджуєте цей мод, вибір за вами.
ad_sepulcher: The Forgotten Sepulcher by Giftmacher and Sock, ad_azad: The Realm of Enceladus by mfx, ad_necrokeep: The Necromancer’s Keep by Scampie and Lunaran, ad_swampy: Foggy Bogbottom by mfx, ad_zendar: The City of Zendar by Sock, ad_tfuma: Terror Fuma by FifthElephant and Ericw, ad_magna8. Leptis Magna by Ionous and PuLSaR, ad_e2m: Ogre Bastille by Sock, ad_end. Final destination for AD travellers by mfx. ad_dm1: Place of Many Deaths by FifthElephant,
Dimensions of The Machine (mg1)
Dimension of the Machine — це абсолютно новий епізод розширення для Quake, випущений 19 серпня 2021 року. Епізод поділено на п’ять «підепізодів», кожен з яких містить два або три рівні. Наприкінці гравець знову повинен битися з Хтоном. Самі рівні набагато деталізовані та мають збільшену кількість ворогів.
Realm of the Machinists: MGE1M1: The Pain Drain, MGE1M2: The Wishing Well, MGE1M3: Sandy's Room (Secret Level); Realm of the Blacksmiths: MGE2M1: Acid Sanctuary, MGE2M2: Fading Embers; Realm of the Stonemasons: MGE3M1: Down the Waste, MGE3M2: Hell or Dark Water; Realm of the Cultists: MGE4M1: Grave Machine, MGE4M2: A Grave Mistake; Realm of the Astrologers: MGE5M1: Nazard Terminal, MGE5M2: Too Deep, Too Greedy; Final Level: MGEND: Chthon's Vengeance; Deathmatch Levels: MGMD1: Art of the Condemned, MGMD2: The Bad Space, MGMD3: The Mustard Factory, MGMD4: The Boiler.
Capture The Flag (ctf)
Мультіплеєр карти доступні в ремастерінгу 2021 року.
CTF1: McKinley Base, CTF2: McKinley Station, CTF3: Spill the Blood, CTF4: Gloom Castles, CTF5: Capturephobopolis, CTF6: Vertigo, CTF7: The Strongbox, CTF8: Chthon's Capture House, CTF9: Da Ancient War Grounds.
Мова програмування
Quake C — id-Software/quake-rerelease-qc — мова програмування яка була створена для скриптування рівнів: поведінки, колізій, ефектів, нові види зброї, тощо. Репозиторій містить всі модифікаціє цієї мови, які були випущені для всіх останніх ремастерингів. Приклад еволюції цієї мови у пізніх рантаймах Quake III.
Комп'ютерна графіка
Лінійні перетворення
Трансформація точки, наприклад, із світового простору у простір перегляду, є однією з найбільш часто використовуваних операцій FP у 3-D у реальному часі. Концептуально перетворення — це не що інше, як три скалярних добутку та три додавання. Тут йдеься про підмножину загальної матриці перетворення 4x4, де четвертий рядок завжди неявно [0 0 0 1]. Цієї обмеженої форми достатньо для звичайних трансформацій і вона виконує на 25 відсотків менше роботи, ніж повна трансформація 4x4. Перетворення розраховується як:
або
На 100 МГц Pentium теоретично можливо виконати майже 3 000 000 перетворень за секунду, хоча це чисто гіпотетичне число через ефекти кешу та витрати на налаштування. Тим не менш, більше 1 000 000 перетворень за секунду, безумовно, можливо; при частоті кадрів 30 Гц це вражаючі 30 000 трансформацій на кадр.
Структури даних BSP та VSD
Найкращі речі не стаються ні легко, ні швидко, але коли вони стаються, увесь піт стає невід’ємним. З точки зору графіки, Quake відповідає DOOM, як DOOM був для свого попередника Wolfenstein 3-D. Quake додає справжній довільний 3-D (ви можете дивитися вгору-вниз, нахилятися і навіть падати на бік), детальне освітлення та тіні, а також 3-D монстрів і гравців замість спрайтів DOOM. Тривимірною проблемою Quake полягала у визначенні видимої поверхні (малювання правильної поверхні на кожному пікселі), і його близьких, вибракування (відкидання невидимих полігонів якомога швидше, спосіб прискорення визначення видимої поверхні). Для стислості я буду використовувати абревіатуру VSD для визначення як видимої поверхні, так і вибракування.
Чому я вважаю VSD найважчим 3-D завданням? Хоча питання растеризації, такі як відображення текстури, є захоплюючими та важливими, вони є завданнями відносно обмеженого обсягу, і вони переміщуються в апаратне забезпечення, коли з’являються тривимірні акселератори; Крім того, вони масштабуються лише зі збільшенням роздільної здатності екрана, яке є відносно скромним.
Навпаки, VSD є відкритою проблемою, і зараз використовуються десятки підходів. Ще важливіше те, що продуктивність VSD, виконана нехитрим способом, залежить безпосередньо від складності сцени, яка має тенденцію до збільшення як квадратної чи кубічної функції, тому це дуже швидко стає обмежуючим фактором у відтворенні реалістичних світів. Великий рівень Quake містить близько 10000 полігонів, приблизно втричі більше полігонів, ніж порівнянний рівень DOOM.
Перш ніж зануритися в VSD, дозвольте мені зауважити, що кожен рівень Quake зберігається як одне величезне 3-D дерево BSP. Це BSP-дерево, як і будь-яке BSP, поділяє простір, у цьому випадку вздовж площин багатокутників. Дерево BSP Quake не зберігає багатокутники у вузлах дерева, як частину площин розбиття, а скоріше в порожніх (несуцільних) листках.
Правильний порядок малювання можна отримати, малюючи листи в порядку BSP спереду назад або ззаду наперед. Крім того, оскільки листи BSP завжди опуклі, а багатокутники знаходяться на межах BSP, листя, звернені всередину, багатокутники в даному листі ніколи не можуть закривати один одного і можуть бути намальовані в будь-якому порядку. (Це загальна властивість опуклих многогранників.)
В ідеалі процес побудови VSD працював би так: по-перше, ви б видалили всі багатокутники, які повністю знаходяться за межами кута огляду (піраміда перегляду), і відрізали б нерелевантні частини будь-яких багатокутників, які частково знаходяться за межами. Тоді ви намалюєте лише ті пікселі кожного багатокутника, які фактично видно з поточної точки огляду, не витрачаючи часу на повторне малювання пікселів. Нарешті, в ідеальному світі тести для визначення того, які частини яких багатокутників видно, були б безкоштовними, а час обробки був би однаковим для всіх можливих точок огляду, що давало б грі плавний візуальний потік.
Як це трапляється, легко визначити, які багатокутники знаходяться за межами всіченої поверхні або частково обрізані, і цілком можливо визначити, які саме пікселі потрібно намалювати. На жаль, світ далекий від досконалості, і ці тести далеко не безкоштовні, тому справжня хитрість полягає в тому, як прискорити або пропустити різні тести і все одно отримати бажаний результат.
Маючи BSP, легко й недорого ходити по світу в порядку «спереду назад» або «ззаду наперед». Найпростіше рішення VSD, полягає в тому, щоб просто пройти по дереву задом наперед, обрізати кожен багатокутник до всіченої точки та намалювати його, якщо він спрямований вперед, а не повністю обрізаний (алгоритм художника). Чи це адекватне рішення?
Для відносно простих світів це цілком прийнятно. Однак це не дуже добре масштабується. Одна проблема полягає в тому, що в міру того, як ви додаєте більше багатокутників у світі, потрібно виконувати більше трансформацій і тестів, щоб вилучити багатокутники, які не видно; в якийсь момент це значно знизить продуктивність.
Концептуально відобразити з дерева BSP дійсно так просто, але реалізація дещо складніша. Повний конвеєр візуалізації, координований UpdateWorld(), такий:
1) Оновити поточне місцезнаходження.
2) Перетворіть усі кінцеві точки стін у простір огляду (світ, який видно з поточного місця під поточним кутом огляду).
3) Прикріпіть усі стіни до піраміди огляду.
4) Спроектуйте вершини стіни в координати екрана.
5) Пройдіть по стінах задом наперед і для кожної
стіни, яка принаймні частково лежить у піраміді перегляду,
виконайте вибракування зворотного боку (пропустіть стіни,
спрямовані від глядача), і намалюйте стіну, якщо вона не вилучена.
Похідні твори
Quake III Arena
Багатокористувацький шутер від першої особи, випущений 2 грудня 1999 року. Він відрізняється від інших ігор із серії Quake (не враховуючи Quake Live) тим, що в ньому жертвують режимом для одного гравця, щоб зосередитися на багатокористувацькій грі. Його одиночний сегмент майже ідентичний багатокористувацьким боям, хоча інші гравці замінені ботами.
Серед відомих особливостей Quake III — мінімалістичний дизайн, відсутність рідко використовуваних предметів і функцій, широке налаштування налаштувань гравця, таких як поле зору, деталізація текстури та модель ворога, а також розширені функції руху, такі як стрейф-джампінг, які дають більшу швидкість із більшою навички на відміну від цифрового дизайну багатьох комп’ютерних ігор «все або нічого».
American McGee's Alice
American McGee's Alice, або просто Alice, — пригодницька відеогра, розроблена Rogue Entertainment і видана Electronic Arts. Він був випущений 6 жовтня 2000 року для ПК і 20 липня 2001 року для Mac.
Апарат:
[1]. S.J.Teller. Visibility Computations in Densely Occluded Polyhedral Environments. University of California, PhD, 1992.
[2]. L.Bishop, D.Eberly, T.Whitted, M.Finch, M.Shantz. Designing a PC Game Engine. IEEE CGA, 1998.
[3]. P.Jaquays, B.Hook. Quake III Arena Shader Manual Revision #12. CS448. 1999.
[4]. D.Pohl, S.Panneer, D.S.Vembar, C.S.Marshall. 15 Years Later: A Historic Look Back at "Quake 3: Ray Traced". IEEE FEDCSIS. 2020.
[5]. J.F.Hughes, A.Van Dam, M.McGuire, D.F.Sklar, J.D.Foley, S.K.Feiner, K.Akeley. Computer Graphics Principles and Practice. 2014.
[6]. A.Mohr, M.Gleicher. Non-Invasive, Interactive, Stylized Rendering. ACM, 2001.
[7]. A.Ilie. Non-Photorealistic Rendering Techniques for a Game Engine. COMP 238, 2008.
[8]. ARS Technica. How much of a genius-level move was using binary space partitioning in Doom? 2019
[9]. F.Sanglard. Game Engine Black Book. 1992.
[10]. M.Abrash. Michael Abrash’s Graphics Programming Black Book, Special Edition. 1997.
[11]. J.D.Foley et al., Computer Graphics: Principles and Practice, Addison Wesley, 1990
[12]. https://quake.fandom.com/wiki/Quake