ビデオゲームIDソフトウェアの開発の魔法

翻訳者から：この記事は2002年にDavid Kushnerによって書かれ、その1年後に有名な「Masters of Doom」という本を出版しました。 この記事には、何らかの理由で本から欠落しているidテクノロジーの実装の詳細が含まれているので、私には興味深いように思えました。

IDゲームのアクションと攻撃の舞台裏には、デスクトップテクノロジーの革命があります

過去12年にわたり、グラフィックスリアリズムId Softwareの進化は、ビデオゲーム業界全体の水準を引き上げてきました。 先駆的なゲームには、[下から上、右から左] Commander Keen（1990）[約。 レーン：実際にスクリーンショットに登場するのは、幽霊屋敷の危険なデイブ]、ホバータンク（1991）、ウルフェンシュタイン3D（1992）、ドゥーム（1993）、クエイク（1996）[約。 transl .:実際にQuake II]およびCastle Wolfensteinに戻る（2001）。

真夜中の後、戦いが始まります。 兵士たちは城の廊下を通ってナチスを追跡します。 火炎放射器は巨大な炎の舌を吐き出します。 これは、ウルフシュタイン城への帰還です。これは、脊椎の冒険であるだけでなく、科学の奇跡にもなったコンピューターゲームです。 彼女はId Software（テキサス州メスキート）の最後の製品です。 技術的に革新的なゲームのおかげで、idはコンピューターコンピューティングの世界に大きな影響を与えました：現代のPCの通常の高速、フルカラー、高解像度のグラフィックカードから、大衆文化に貢献したプログラマーやオンラインゲーマーの出現まで。

idは10年前に、元のナチス狩猟ゲームWolfenstein 3Dをリリースして発表しました。 彼女と彼女のフォロワーであるドゥームとクエイクでは、プレイヤーは、迷路やモンスターを狩ったり、お互いに危険にさらされている歩兵兵士を制御しました。 これらのゲームをコンシューマPCの市場に投入し、市場リーダーの称号を獲得するために、複雑なグラフィックタスクを見事に簡素化し、グラフィックカード、処理能力、メモリサイズの技術的進歩を巧みに使用しました。 NPDグループによると、現在までに同社のゲームは1億5000万件以上の売り上げを上げています。

それはすべてマリオという男から始まりました

Idは、31歳のリードプログラマーであり、会社の共同設立者であり、思春期からゲームを作成したJohn Carmackの技術的スキルのおかげです。

1980年代後半、ビデオゲーム業界は特殊なビデオゲーム機に支配されていました。 ほとんどのゲームはコンソールに挿入されたカートリッジで配布されていたため、ゲームを作成するには高価な開発システムと企業のサポートが必要でした。

唯一の選択肢は、新人がソフトウェアを開発および配布できる地下世界である家庭用コンピューター向けのゲームのプログラミングでした。 弱いマシンでゲームを作成するために必要だったのは、プログラミングスキルとゲームに対する愛情だけでした。

ゲームに熱中しているのは、アーティストのエイドリアン・カーマック、プログラマーのジョン・カーマック（親relativeではない）、ゲーム・デザイナーのトム・ホール、プログラマーのジョン・ロメロの4人です。 ソフトディスクソフトウェアの小さな出版社（ルイジアナ州シュリーブポート）で働いていたこれらの熱心なゲーマーは、ひそかに独自のゲームを作成し始めました。

当時、PCは非常に機能するプラットフォームとして扱われていました。 最終的に、彼は十数色の画面色しか持たず、音は小さなキープ音を立てて鳴らされました。 しかし、Softdiskのゲーマーは、これでPCをゲームプラットフォームにするのに十分であることに気付きました。

まず、当時のゲーム業界で最大のヒットであったスーパーマリオブラザーズ3をPCで再現できるかどうかを確認することにしました。これは、スーパーニンテンドーエンターテイメントシステムの2次元ゲームです[約。 trans .:実際には、任天堂のエンターテインメントシステム]で、従来のテレビの画面で再生されました。 ゲームの目標は、マリオという名前の口ひげを生やした配管工を制御し、プラットフォームにジャンプし、脅威をかわして、青い空と雲の下で世界中を駆け回ることです。 マリオが実行されているとき、レベルは左から右にスクロールしたため、キャラクターは常に画面のほぼ中央にありました。 必要なグラフィックス速度を達成するために、任天堂のコンソールは専用の機器を使用しました。 「スムーズなスクロール機能を備えたコンソールゲーム（マリオなど）の良い例がありました」とジョンカーマックは言います。 「しかし[1990年に]誰もIBM PCで同じことができませんでした。」

数晩の実験の後、カーマックはPCで横スクロールをエミュレートする方法を見つけました。 ゲームの画面イメージは、16 x 16ピクセルのタイルの配列を組み立てることによって描画またはレンダリングされました。 通常、画面の背景には200を超えるこのような正方形のタイルが必要でした：ここに青空のタイル、そこに雲のタイルなど。 マリオなどのアクティブな要素のグラフィックが背景の上に描かれました。

各フレームの背景全体を再描画しようとすると、ゲームが非常に遅くなるため、カーマックは各フレームに少数のタイルのみを再描画する方法を見つけ、ゲームの速度を大幅に向上させました。 この手法は、最近リリースされたタイプのグラフィックカードの機能を使用し、プレーヤーの動きが緩やかである、つまり次のフレームのオブジェクトのほとんどが現在のものに既に描かれているという観察に基づいています。

新しいグラフィックカードは、Enhanced Graphics Adapter（EGA）カードとして知られていました。 彼らは、Color Graphics Adapter（CGA）カードよりも多くの内蔵ビデオメモリを持っていて、同時に4色ではなく16色を表示できました。 Carmackにとって、ビデオメモリの拡張には2つの重要な結果がありました。 まず、カードのメモリは比較的高解像度の単一画面画像用でしたが、通常は300 x 200ピクセルの低解像度画像のビデオ画面をいくつか保存でき、これはビデオゲームには非常に多くなります。 ビデオメモリ内のさまざまなアドレスをポイントすることで、カードは画面に1秒間に約60回送信される画像を選択し、ちらつきのないスムーズなアニメーションを提供できます。 第二に、カードは、PCのメインメモリからカードに画像データをコピーするよりもはるかに高速にビデオメモリ内のデータを移動できます。 これにより、グラフィックス速度の主な「ボトルネック」を取り除くことができました。

カーマックは、これらのプロパティの両方が最大限に使用された、いわゆるグラフィック表示エンジンを作成しました。 1970年代に元々開発された技術を使用して、衛星写真などの大きな画像をスクロールしました。 まず、ビデオメモリ内の画面全体をタイルごとに収集し、さらに1タイル幅の境界線を収集しました[参照 アクションイラストでスクロール]。 プレーヤーがいずれかの方向に1ピクセル移動した場合、ディスプレイエンジンは画面に送信された画像の開始点を対応する方向に1ピクセル移動しました。 この場合、新しいタイルを描く必要はありませんでした。 プレーヤーの動きが最終的に画面イメージを境界線の外側に移動したとき、エンジンはまだ画面のほとんどを再描画しませんでした。 代わりに、彼は完成した画像のほぼ全体（変更されていない部分）をビデオメモリの別の部分にコピーしました。 次に、新しいタイルを追加し、新しい画像を指すように画面表示の開始点を移動しました。



アクションを伴うスクロール： PCゲームで2次元のスクロールを作成するために、プログラマーのジョン・カーマックは、各フレームで画面を再描画することを拒否して、少しlittleしました。 彼はグラフィックタイル[左]からビデオメモリに保存される背景を作成しましたが、画像の一部[左上、オレンジ色の境界線内]のみを画面に送信しました。 プレイヤーのキャラクター[黄色の円]が移動すると、画面に表示される背景が変更され、境界線の外側[右上]にタイルが表示されます。 新しい背景要素が必要になったのは、1タイル幅だけシフトした後のみです。 次に、背景のほとんどが別のメモリ領域にコピーされ（右下）、画面イメージは新しい背景の中央に配置されました。

要するに、プレイヤーが移動するたびに何万ものピクセルを再描画するようにPCを強制する代わりに、エンジンは通常、メモリ内の唯一のアドレス（画面イメージの開始点を指すアドレス）を変更するだけでよく、最悪の場合、比較的細いストリップを描画します新しいタイルのピクセル。 そのため、コンピューターのCPUは、移動するゲームプラットフォーム、敵対的なキャラクター、およびプレーヤーが対話した他のアクティブな要素のレンダリングやアニメーション化など、他のタスクに多くの時間を費やしていました。

ホールとカーマックは、PC用のマリオクローンを作成し、著作権侵害でDangerous Daveと呼びました。 しかし、雇用主のソフトディスクは当時の高価なEGAカード向けのゲームの公開には興味がなく、CGAアプリケーション市場に固執することを好みました。 それで、新生ソフトウェア会社は影に入り、その技術を使用して、Commander Keenと呼ばれるPC用の独自のサイドスクローラーを作成しました。 ゲームのリリースに関しては、彼らはゲーム出版社のスコット・ミラーに連絡し、スコット・ミラーは彼らに彼らのエンジンと同じくらい新しい分配スキーム、シェアウェアを使用するように説得しました。

1980年代に、ハッカーはシェアウェアモデルを使用してプログラムの販売を開始しました。シェアウェアモデルは、名誉あるコードに依存していました。ソフトウェアを試してみてください。 ただし、ファイルツールやワードプロセッサなどの実用的なプログラムにのみ使用されていました。 ミラーは、次のフロンティアはゲームになると決定しました。 彼は言った：ゲーム全体を配るのではなく、プレイヤーに残りを買わせる最初の部分だけを配ってみませんか？ idはMillerのApogee社がゲームをリリースすることに同意しました。 キーン司令官の前は、Apogeeで最も成功したシェアウェアゲームは数千部しか販売していませんでした。 しかし、1990年12月にKeenがリリースされてからわずか数か月で、その流通量は3万部に達しました。 Millerによると、新生のPCゲームの世界では、「それは小さな原子爆弾のようでした」。

深さを追加

一方、プログラマーのカーマックはグラフィックスの可能性を拡大し続けました。 彼は中学生の頃から3Dグラフィックスを試し、Apple IIでMTVワイヤフレームロゴを作成していました。 それ以来、一部のゲームクリエーターは3次元のファーストパーソングラフィックスを実験しました。このグラフィックスでは、2次元ゲームのフラットタイルが、周囲のスペースプレーヤーの表面を形成するポリゴンに置き換えられます。 プレイヤーはもはや世界の外にいるのではなく、内部からそれを見ました。

ただし、結果は矛盾していました。 プレイヤーが移動するにつれて、PCは遅すぎて詳細な3Dシーンを再描画できませんでした。 画面に転送されるフレームごとに多くのサーフェスを描画する必要がありました。これには、プレーヤーに近い他のサーフェスとオーバーラップするものも含まれます。

カーマックは、コンピューターがプレーヤーに見える表面だけを描くことを可能にするという考えを持っていました。 「アプローチの普遍性を制限する準備ができている場合、彼は言います。

したがって、彼は空間の任意の場所にある任意のポリゴンをレンダリングする一般的な問題を解決しませんでしたが、台形のみを描画するプログラムを開発しました。 当時、彼は天井や床ではなく壁（3Dでは台形）を心配していました。

彼のプログラムでは、カーマックは当時の強力なシステムで使用されている手法を簡素化して、リアルな画像をレンダリングしました。 いわゆるレイトレーシング（レイキャスティング）により、コンピューターはシーンを描き、プレイヤーの位置から視線の方向に線を引きます。 線が表面と衝突すると、プレーヤーの画面上のこの線に対応するピクセルが対応する色で塗りつぶされます。 コンピューターの計算時間は、まだ表示されない描画面で無駄になりません。 カーマックは壁だけを描いて、レイトレーシングを使用してシーンを非常に迅速に再作成できました。

カーマックの最後の仕事は、宝箱、敵、その他のオブジェクトで3Dの世界を飾ることでした。 彼は再びタスクを単純化し、今回はスプライトと呼ばれる2次元のグラフィックアイコンを使用しました。 彼はプレーヤーの位置に応じてスプライトのサイズをコンピューターに拡大縮小させたため、オブジェクトを3次元の図形としてシミュレートする必要がなくなりました（そうでなければゲームのパフォーマンスが大幅に低下します）。 スプライトとレイトレーシングを組み合わせることで、カーマックはプレイヤーを高速3Dの世界に入れることに成功しました。 この作業の結果は、1991年4月にリリースされたゲームHovertankでした。 これは、PC用の最初の高速3Dファーストパーソンシューティングゲームでした。

同じ頃、仲間のプログラマーであるロメロは、テクスチャマッピングと呼ばれる新しいグラフィックテクニックについて耳にしました。 この技術により、ソリッドなモノフォニックカラーリングではなく、リアルなテクスチャを表面に押し付けることが可能になりました。 同社の次のゲーム、Catacombs 3Dでは、プレーヤーは迷路を駆け抜け、もう1つの目新しさで敵に火の玉を放ちました-画面の下部に描かれた手です。 プレイヤーが自分の手を見ているように、コンピュータの画面に差し出されました。 Catacombs 3Dに手を加えて、id Softwareは聴衆に深刻な心理的声明を出しました。今はゲームをプレイしているだけでなく、ゲームに参加しています。

インスタント感覚

次のIDゲームであるWolfenstein 3Dのために、カーマックはコードを改良しました。 グラフィックエンジンができる限り少ない作業を行うことを可能にした重要な決定は、次のとおりでした。壁のレンダリングを簡素化するには、すべて同じ高さにする必要があります。

これにより、レイトレーシングが大幅に加速されました。 標準のレイトレーシングでは、表示される各ピクセルのスペースに1本の線が投影されます。 320 x 200ピクセルの通常の画面イメージの場合、64,000行が必要でした。 しかし、カーマックの壁は上から下まで同じであったため、彼はたった1本の水平面、つまり320行のみをトレースする必要がありました[スキーム「3Dルームでのレイトレーシング」を参照）。


3Dルームでのレイトレーシング：レンダリング、つまり不必要なサーフェスを重ねずに3次元のルームをすばやく描画するために、カーマックは、リアルな3D画像を作成するために使用されるシンプルなレイトレーシングシステムを使いました。 レイトレーシングの場合、コンピューターはプレーヤーの視点から上記の想像上のグリッドに線を引くことでシーンを描画し、プレーヤーに見える表面と衝突します。 この場合、そのようなサーフェスのみが描画されます。
カーマックは、すべての壁を同じ高さにすることで、この手法を簡素化しました。 これにより、プレーヤーから1つの水平2D平面（中央）のみで光線を放出し、壁上の個々のポイントを定義する代わりに、プレーヤーからの距離に応じて壁の可視高さをスケーリングできました。 その結果、壁の最終的な3D画像が生成されました[下]。

カーマックのエンジンは非常に高速になり、ロメロ、エイドリアン・カーマック、ホールはアメリカ兵がナチスを破壊し、レベルの迷路を進む残酷なゲームを作成することにしました。 1992年5月のリリース後、Wolfenstein 3Dは即座にセンセーションとなり、PCのテレホンカードになりました。 インテルが新しいPentiumプロセッサの速度をレポーターに見せたいと思ったとき、Wolfensteinを実行しているシステムを示しました。

さらに、Wolfensteinはプレイヤーに予想外の自由を与えました-ゲームを変更し、独自のレベルとグラフィックで補完することができます。 ナチスの将校の代わりに、例えば、アメリカのテレビ番組のスター、バーニーの紫色の恐竜を使うことができます。 カーマックとロメロは、ウォルフェンシュタインのそのような「変異」バージョンの作成者に嫌がらせをしようとしませんでした。 ハッカーとして、彼らはそのような活動のみを喜ばせました。

次のゲームであるDoomでは、Ravenで別の1992年のゲーム、Shadowcasterで作業中にCarmackが実験した2つの重要な効果が追加されました。 1つ目は、壁だけでなく天井と床のテクスチャマッピングです。 2つ目は、調光照明の追加です。 そのような照明は、実際の生活のように、遠くのオブジェクトが不明瞭になっていることを意味し、ウルフェンシュタインでは、すべての部屋が日陰で変化することなく明るく照らされていました。

その時までに、CarmackはすでにEGAカードに取って代わるVideo Graphics Adapter（VGA）カード用にプログラムしていました。 VGA規格では256色の使用が許可されていました。16EGA色を超える大きな進歩ですが、照明の減衰効果に必要なすべてのシェーディングを実現するにはまだ十分ではありません。

解決策は、ゲームのグラフィックパレットを制限することでした。おかげで、16色それぞれ16階調を使用できました。 その後、カーマックは、部屋のプレイヤーの位置に基づいてさまざまな色合いを表示するようにコンピューターをプログラムしました。 部屋の背面に適用される最も暗い色合い。 近くの表面は、遠くのものよりも常に明るい。 これにより、ゲームに没入感のある雰囲気が加わりました。

カーマックとロメロは、以前のゲームのレベルで使用されていたシンプルなスキームを取り除きたいと考えていました。 「私の全体的なアプローチはこれでした。ウォルフェンシュタインにあったものは何も繰り返さないでください」とロメロは言います。「同じレベルの照明がなく、同じ天井の高さがなく、壁が90度にならないようにします。度[互いに対して]。 まったく異なるものを作成して、カーマックの新しいテクノロジーを実証しましょう。」

Carmackは、コンピューターの速度とメモリ容量の進歩を利用して、Wolfensteinの台形よりも任意の形状のポリゴンをレンダリングする作業に着手しました。 「[グラフィックエンジン]は十分に高速ではないように思われました」と彼は回想します。「新しいアプローチを模索しなければなりませんでした。 この問題の解決策は、バイナリ空間分割（BSP）として知られる手法でした。 Bell Labsで働いていたHenry Fuchs、Zvi Kedem、およびBruce Naylorは、1980年代に画面上のオブジェクトの3Dモデルをレンダリングするために使用されるBSPテクニックを普及させました。

オブジェクトの3Dモデルを画面イメージに変換する際の基本的な問題は、どの表面が見えるかを判断することです。つまり、計算に帰着します。つまり、表面Yは表面Xに対してどこにありますか。 従来、これらの計算は、モデルの位置が変わるたびに実行されていました。

BSP手法では次の観察結果が使用されました。モデル自体は静的であり、その異なる位置は異なる画像を作成しますが、表面間の関係は実際には変更されません。 BSPでは、これらの関係を一度決定してから、任意の視点から他のサーフェスに隠されたサーフェスを決定するために、それらを保存し、すべてを再計算するのではなく、関連情報を見つける必要がありました。

BSPは、モデルが占めるスペースを取得し、2つの部分に分割します。 パーツにモデルの複数のサーフェスが含まれている場合、スペースが1つのサーフェスを含むパーツに完全に分割されるまで、モデルは再び壊れます。 結果のブランチ階層はBSPツリーと呼ばれ、スペースの初期パーティションから個々の要素まで、すべての操作に拡張されます。 保存されたツリーのノードを通る特定のパスに沿って移動すると、モデルの特定の視点からサーフェス間の関係に関する重要な情報を生成できます。

カーマックは、BSPを使用してオブジェクトの1つの3Dモデルだけでなく、仮想世界全体を作成することは可能だろうと考えました。彼は再び制限を導入してタスクを簡素化しました。壁は垂直に、床と天井は水平にすべきです。つまり、BSPを使用して、3D空間そのものではなく、この空間のはるかに単純な2次元平面を分割し、表面の相対位置に関するすべての重要な情報を保持できます[参照除算および規則スキーム]。


イラスト：Armand Veneziano
分割して征服する：「Doomはすべて[3次元世界の表面]を線として認識します」とCarmack氏は言います。 3Dワールドのポリゴンではなく...平面に適用します。これにより、タスクが大幅に簡素化されます。

さらに、Doomは、ハッカーの作業を容易にし、独自のグラフィックスとレベルでゲームを補完するような方法で設計されました。ネットワークを介してゲームがDoomに追加され、複数のプレイヤーがローカルネットワークまたはモデムを介して戦うことができるようになりました。

ゲームは1993年12月にリリースされました。マルチプレイヤーモード、拡張性、魅力的なグラフィックス、質の高いレベルのおかげで、プレイヤーは宇宙空tro部隊の未来的な世界に没頭し、地獄の軍団と戦って、本当の現象になりました。続編であるDoom IIでは、より多くの武器が登場し、新しいレベルになりましたが、ゲーム自体は同じエンジンを使用していました。それは1994年10月にリリースされ、販売額は1,500,000コピーで、それぞれ約50ドルでした。NPD Groupによると、ベストセラーのコンピューターゲームのリストでは3番目のままです。

フィニッシュライン

1990年代半ば、カーマックはPCテクノロジーが次のゲームであるQuakeで次の2つの目標を達成するのに十分強力になったと感じました。彼は、DoomやWolfensteinのフラットスプライトとは異なり、任意の角度から実際の3Dオブジェクトを表示できる任意の3Dワールドを作成したいと考えていました。ソリューションは、最新世代のPCのパワーを使用し、BSPを適用して、2次元計画の領域だけでなく、真の3次元空間のボリュームを分割することでした。彼はまた、インターネット上でプレイできるゲームを作りたかったのです。

インターネット上でプレイするには、クライアント/サーバーアーキテクチャを使用しました。サーバー（任意のPCで起動可能）は、部屋、移動オブジェクトの物理、プレイヤーの位置などで構成されるゲーム環境全体を処理する必要があります。クライアントPCは、プレーヤーがキーボードとマウスを介して入力したデータ、およびグラフィックスとサウンドの形式で表示される情報を処理します。ただし、オンライン接続では、ゲームはネットワークパケットの遅延と損失の影響を受けやすく、高速でアクティブなゲームの妨げになります。この干渉の影響を減らすために、idはパケットの送信を最も必要な情報、たとえばプレーヤーの位置のみに制限しました。

「解決策は、信頼性の低いチャネルを使用してすべてのデータを送信することでした」とCarmack氏は言います。ネットワークの負荷を軽減するために、さまざまなデータ圧縮方法も使用されています。 1996年6月にプロジェクトがリリースされた後、新しいゲームのマルチプレイヤーモードであるQuakeの利便性は、巨大なオンラインコミュニティの出現によって報われました。

グラフィック品質の重要性
ゲームはビデオカードの進化を刺激しました。しかし、より多くの高度なグラフィックシステムへの飽くなき需要を生み出したのはマルチプレイヤーゲームであり、市場に最も大きな推進力を与えました。ビジネスユーザーは、電子メールの読み取りに使用するグラフィックカードが1秒間に8回画面を更新し、隣接するカードが1秒間に10回画面を更新するかどうかは気にしませんでした。しかし、生と死の違いを10分の1秒単位で測定するQuakeゲーマーにとって、これは非常に重要な質問でした。

Quakeはすぐに、消費者向けグラフィックスカード業界の事実上のパフォーマンス指標になりました。 NVIDIA、主要なGPUメーカー（カリフォルニア州サンタクララ）の主任研究者であるDavid Kirk氏：「idソフトウェアゲームは常に進歩を促してきました。」

Quake IIはその前身の改良版であり、PCで使用できるハードウェアアクセラレーションを利用して、3Dシーンのレンダリング作業のほとんどをCPUからグラフィックカードに転送します。 1999年12月にリリースされたQuake IIIはさらに一歩前進し、ハードウェアアクセラレーションが必須となった最初の注目すべきゲームになりました。これは、1990年にidが「橋を燃やす」ことを望んでいたことを思い起こさせ、司令官がCGAではなくKeen EGAを使用することを主張しています。

カーマック自身は、最も重要な革新がQuakeに含まれていたと信じています。彼は、Quakeの後のすべてが本質的にトピックの改善であったと言います。たとえば、Return to Castle WolfensteinはQuake IIIエンジンに基づいており、レベルとゲームロジックのほとんどはサードパーティ企業によって作成されました。

「この道に沿って重要な開発ポイントがありました」とCarmack氏は言います。「最初に一人称視点に移行し、次に任意の3Dの世界、次にハードウェアアクセラレーション...しかし、最も重要なタスクに対処しました。これらのすべての側面はまだ改善できますが、...ある程度の正確さですでに世界を作成できます。品質、特殊効果などを改善できます。しかし、私たちはすでに世界のシミュレーションであるゲームを作成するために必要な基本的なツールを持っています。」