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Physikstunde Wenn Wassertropfen 300 Kilo wiegen.

Foto: dapd
Einen Vogel per Katapult durch die Luft schleudern, Ziegelsteine stapeln oder bei sich verändernden Wetterbedingungen Bodenhaftung verlieren: Wie physikalische Gesetze in Computerspielen zur Anwendung kommen.

Wenn von Physik die Rede ist, denken die meisten an Albert Einstein oder Isaac Newton. Vielleicht auch an die eine oder andere Physikstunde in der Schule. Dass Physik ein wichtiger Bestandteil von Computerspielen sein kann, wird oft übersehen. Schon „Spacewar!“ aus dem Jahr 1961, eines der ersten Computerspiele, zwang Raumschiffe, nach physikalischen Gesetzen zu beschleunigen und zu bremsen. Um „Spacewar!“ massentauglicher und unterhaltender zu machen, musste jedoch das strenge Festhalten an den Gesetzen der Physik aufgegeben werden. Das Spiel wandelte sich damit von einer reinen Simulation mit exakten physikalischen Regeln hin zu einem Actionspiel.

Aber: Wie sieht die physikalische Darstellung in heutigen Computerspielen aus? Welche Tricks werden angewandt, um Physik und Spielspaß unter einen Hut zu bringen? Und darf man sich die Physik in der virtuellen Welt genauso vorstellen, wie in der realen? Die futurezone hat mit Alexander Hofmann und Markus Schordan vom Technikum Wien sowie Dietmar Schreiner, Research Assistant an Technischen Universität Wien, über die Integration von Physik in Computerspielen gesprochen.

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Schordan, Schreiner und Hofmann (von hinten nach vorne) erklären die pysikalische Simulation eines Wasserrades. - Foto: Franz Gruber

Rechteckige Vögel
„Generell gilt: Es sieht nach mehr aus, als es ist“, so Schreiner. „Der Spieler will, dass das Spiel physikalisch korrekt simuliert wird. Es darf aber keinesfalls den Spielspaß trüben oder zu kompliziert werden.“ Die Experten erläutern für die futurezone in Grundzügen den Einbau von Physik in Computerspiele anhand von „Angry Birds, einem beliebten Spiel, in dem man mit verschiedenen Vogelarten Schweine per Schleuder abschießen muss.

Der Spieler legt per Mausbewegung fest, mit wie viel Kraft er den virtuellen Vogel über den Bildschirm jagen möchte. Mit einem Mausklick lässt er im Spiel das Gummiband aus und der Vogel schießt los. Wenige Augenblicke später findet das Wurfobjekt sein erstes Ziel: ein Schwein. Die Kollision lässt den Vogel abprallen und er trifft Schwein Nummer zwei. Die Ziele sind eliminiert, die Mission geschafft. Was die wenigsten beachten: Dieser Vorgang läuft nach mehr oder weniger streng physikalischen Regeln ab.

Bild für Bild
"Diese Spielszene, die der Spieler als fließend wahrnimmt, wird vom Grafiker in einzelne Bilder zerlegt", erklärt Schreiner.  Aneinander gelegt ergeben diese Bilder eine Fotostrecke, auf der sich der Weg des Vogels in Richtung Schwein verfolgen lässt. Auf jedes einzelne dieser Bilder werden dann physikalische Gesetze angewandt.Zum einen muss die Kraft der Schleuder, der Antrieb berücksichtigt werden. Hierfür legt der Designer einen beliebigen, aber für den Spieler einigermaßen realistisch wirkenden Wert fest.

„Diesen Wert verringert er dann Bild für Bild; auch das möglichst realitätsgetreu“, erläutert Schreiner. Damit der Vogel nicht in der Horizontalen bleibt, sondern sich langsam dem virtuellen Boden nähert, wird noch die Gravitation integriert. Das ist die Erdanziehungskraft, die manchen noch aus der Schule in Erinnerung sein dürfte. „Den Gravitationswert von 9,81 Metern pro Sekunde zum Quadrat fügt der Designer nun in jedes einzelne dieser Bilder ein. Das bewirkt, dass der Vogel bei langsam abnehmendem Antrieb und gleich bleibender Erdanziehung irgendwann auf den Boden oder ein Objekt aufschlägt“, so der Research Assistant von der Technischen Universität Wien.

"Nicht zu 100 Prozent korrekt"
"Auch bei Kollisionen zwischen Spielobjekten, wie etwa dem Vogel und dem Schwein wendet der Grafiker einen Trick an", verrät Schreiner. "Weil beide Spielfiguren äußerst unförmig sind, ist eine Kollision schwer zu berechnen. Also projiziert der Designer geometrische Figuren über die Objekte." Über den Kopf, die beiden Flügel und den Torso des Vogels legt er insgesamt vier Rechtecke. Was der Spieler also als virtuelles Tier wahrnimmt, ist für den Designer lediglich eine Ansammlung an Rechtecken. So fällt es ihm leichter, einen Aufprall des Vogels auf das Schwein, das für ihn wiederum nur aus einem Rechteck besteht, zu simulieren.

"Die Stärke des Abpralls des Vogels vom Objekt hängt dann von der verbliebenen Antriebskraft und dem Aufprallwinkel ab", erläutert Schreiner. Trifft der Vogel im 90-Grad-Winkel auf eine senkrechte Mauer, wird er beinahe horizontal zurückgestoßen. "Die Kraft des Rückstoßes legt der Designer fest, es sollte wieder ein für den Spieler realistisch wirkender Wert sein." Trifft der Vogel im 45-Grad-Winkel auf ein Dreieck, wird er beinahe senkrecht nach oben weg gestoßen. Auch hier gilt laut Schordan: "Es muss nicht zu 100 Prozent physikalisch korrekt simuliert sein, der Spieler muss aber das Gefühl haben, dass alles wie in der Realität abläuft."

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Schreiner: "Es sieht nach mehr aus, als es ist". Tasächlich kommt das Spiel "Angry Birds" ohne hoch komplexe Physikberechnungen aus. - Foto: Franz Gruber

300-Kilo-Wassertropfen
Ein Kniff wird von Designern besonders oft angewandt: An einer Stelle im populären Ego-Shooter "Half-Life 2" muss man Ziegelsteine auf einer Rampe so stapeln, dass diese sich wie eine Wippe hebt und dem Spieler den Sprung auf eine Kante ermöglicht, die sonst unerreichbar wäre. "Damit man nicht Unmengen von Ziegeln im Spiel schleppen muss, gibt der Designer den Objekten ein wesentlich höheres Gewicht als in der Realität", erklärt Schreiner. "So reichen vier bis fünf solcher Ziegel, um das Gewicht der Spielfigur auszugleichen und Frust zu vermeiden."

Auch Projektile wiegen im Spiel plötzlich 8000 Kilogramm, weil die virtuellen Kugeln langsamer fliegen als die realen. Um den Aufprall des Projektils auf dem Objekt realistisch zu halten, muss es an Gewicht zulegen. Ähnlich läuft das auch bei der gezeigten Simulation eines Wasserrades. "Da Wassertropfen sehr leicht sind, muss man, um das schwere Rad zum Drehen zu bringen, tausende von Tropfen simulieren", erläutert Hofmann. Das schafft aber kaum ein Computer. Also wird das Gewicht der Wassertropfen auf 300 virtuelle Kilo erhöht, um weniger von ihnen darstellen zu müssen.

Derartige Berechnungen lernen Studenten des Studiengangs Game Engineering und Simulationan der Fachhochschule Technikum Wien bereits im zweiten Semester. Die Lehrveranstaltungen sind fordernd, immerhin profitieren die Studierenden nach ihrem Abschluss von umfassendem Wissen auf dem Gebiet der Computer- und Videospielentwicklung. Studiengangabbrecher gibt es so gut wie keine. Alle Bewerber, die einen Studienplatz bekommen haben, kämpfen sich bis zum Erhalt des akademischen Titels „Master of Science in Engineering“ (Msc) durch. „Zielstrebigkeit wird gefordert, und die legen die Studenten auch an den Tag“, bestätigt Hofmann.

28 rein technische Bachelor- und Masterstudiengänge bietet die FH an. Im Studiengang Game Engineering und Simulation setzen sich 15 Studenten vier Semester lang mit Geschicken der Spieleentwicklung, des Designs und wichtigen Bereichen wie Multiplayer-Netzwerken oder der Spielephysik auseinander.

Physik oder Grafik
Dass Physikintegration in Computerspielen teils enorm viel Rechenleistung benötigt, zeigen hoch realistische Spiele wie etwa Flugsimulatoren. Dort müsse laut Schordan die grafische Darstellung der detaillierten Physik Tribut zollen, weil selbst moderne Rechner nicht in der Lage sind, gleichzeitig High-End-Grafik und High-End-Physik zu stemmen.

Königsdisziplin in Sachen Physik-Effekte sind derzeit Motorsport-Spiele. Als Parade-Beispiel führt Schreiner die komplexe Simulation "iRacing" an, die „sogar von Berufsrennfahrern auf ihre Realitätstreue hin getestet wird“. Hier wird alles physikalisch simuliert: Von Fliehkräften über Reifenabrieb bis hin zur Bodenhaftung. „Weil derartige Berechnungen auch einiges an Speicherplatz brauchen, werden Unmengen von Daten vorab berechnet, die dann im Spiel nur mehr abgerufen werden müssen“, so Schreiner.

Ausblick
Tendenziell sehen alle drei Experten einen Schritt hin zu mehr High-End-Berechnungen in Echtzeit. "Momentan wird noch vieles vorab modelliert, was Rechenleistung spart. Szenen werden geskripted, nicht alle Objekten physikalisch simuliert. Gleichzeitig wird versucht, mehr physikalische Abläufe in Echtzeit berechnen zu lassen, weil sich etwa hoch detaillierte Bewegungsroutinen nicht vorab simulieren lassen", erklärt Schreiner. Aber: „Das Ganze soll realistisch wirken, Physik darf kein Spielspaß-Killer sein.“

Fachhochschule Technikum Wien:
Die 1994 gegründete FH Technikum Wien ist die größte rein technische Fachhochschule Österreichs. Sie bietet ihren 2700 Studenten 11 Bachelor- und 17 Master-Studiengänge in Vollzeit und/oder berufsbegleitender Form und hat im Jahr 2000 als erste Institution Wiens Fachhochschulstatus erlangt.

Informationen zum Vollzeit-Studiengang Game Engineering und Simulation finden man unter http://www.technikum-wien.at/studium/master

Vorab- und Echtzeitberechnung

Bei der Echtzeitberechnung werden physikalische Abläufe im Spiel simuliert. Der Computer würde also zum selben Zeitpunkt, wenn der Vogel über den Bildschirm segelt, die auf den Vogel wirkende Physik berechnen.

Bei der Vorabberechnung werden die physikalischen Abläufe vom Designer schon bei der Programmierung integriert und im System gespeichert. Sie müssen vom Computer nur mehr zum passenden Zeitpunkt abgerufen werden.

Die Physikberechnung übernimmt im Regelfall eine eigene Engine (etwa Physx oder Havok). Es wird aber versucht, physikalische Berechnungen vermehrt auf die immer leistungsstärkeren Grafikkarten auszulagern.

(futurezone/Bernhard Gungl) Erstellt am 04.10.2011, 06:05

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