[PDF] SpieleProgrammierung

Spieleprogrammierung 

Ingo Schebesta

• MindMap 

Übersicht

Inhalt des Vortrags 

• Weder Programmierkurs 

• noch konkretes Programmieren eines 

Spiels 

sprengt den zeitlichen Rahmen 

Sie hören: 

• von und über Spieleprogrammierung

Was ist Spieleprogrammierung? 

Spieleprogrammierung ist 

• eine Untermenge der Spielentwicklung 

• Programmierung 

– eines Computers 

– einer Spielkonsole 

– tragbaren Gerätes 

• auch als Video-Spiel-Programmierung 

bezeichnet

Bedeutung 

• weltweiter Jahresumsatz von 

ca. 30 Mrd. US$ 

• mehr Umsatz als Hollywoods Filmindustrie 

• starker Wachstumsmarkt 

• Spieleprogrammierung kaum in 

Deutschland (schlechter Ruf)

Deutschland 

• Beispiel: Electronic Arts 

Fußballmanager 

• Programmiert durch , Köln 

• EA mach einen Umsatz von 3 Mrd. EUR 

pro Jahr (ca. 1/10 des Weltmarkts) 

• Fusballmanager: 

– jährlich ca. 300.000 Stück 

– ca. mehr als 300.000 Raubkopien

• Film 

Besuch bei EA in Köln

• Action 

Klassifizierung 

–Echtzeit 

–Arcade 

– Ballspiele 

– Olympiade 

–Tetris 

– "Ballerspiele" 

– Ego Shooter 

– Rennen (Beispiel Need for Speed)

• Strategie 

–Schach 

– Civilization 

–... 

Klassifizierung

können beides sein: 

• Strategie 

• Action 

Beispiel: 

• SecondLife 

• ... 

Netzwerkspiele

•3D s.o. 

•2D 

– Brettspiele 

–Puzzle 

– Yetisports (Flash) 

Klassifizierung

Entwicklungsprozess 

• Pre-Production 

• Production 

• Postproduction



–GameDesign 

– Prototyping 

–Design 


• Postproduction

• Game Design 

– Spiel Entwicklung 

– Design-Dokument 

– Spielaufbau 

• Spieltheorie 

• Zielgruppe 

Pre-Production 

• Struktur und Zusammenspiel von 

– Medien (assets) 

– Programmierung 

– Nutzer (user)

• Prototyping 

Pre-Production 

– Experimentieren und Testen mit: 

• verschiedenen Algorithmen 

•Usability 

– Verändern des Design-Dokuments 

• Prototyping auch während des weiteren 

Produktionsprozesses 

• Testen neuer Ideen 

• Auslotung der Möglichkeiten




– Projektmanagement 

– GameProgrammierer 

– Source Code 

–Test 

–E3-Demo 

– Optimierung 

• Postproduction

• Projektmanagement 

Produktion 

– Meilensteine 

–Zeit 

– Ressourcen (Personal, Software, Hardware) 

–Geld

Produktion 

• Game Programmierer 

– auch künstlerischer Bereich: Game Artists 

– Konzeptkunst: Zeichner, Modellierer 

– 3D-Modelle 

– Animation 

– Sound-Design 

– Musik 

– Grafik, Typographie 

– Texturen (mapping...) 

– Level-Designer 

– Licht 

– Kamera 

– Umgebung, Landschaft, Requisiten 

– Charakter-Design 

– Kleidung

• Source Code 

Produktion 

– Medienerstellung und Einbindung der Medien 

in ein Level 

– Skript-Programmierung 

– Programmierung der Game Engine 

–C++ 

–C 

– Assembler

•Test 

Produktion 

– Fehler 

– Cheats 

– Spielbarkeit (Schleifen, Attraktoren, 

Realitätsnähe, "Feel",...) 

– Vergleich mit Design Dokument

•E3-Demo 

Produktion 

– Electronic Entertainment Expo 

– wichtigste Spielemesse der Welt 

– Durchkreuzt meist das Projektmanagement

• Optimierung 

Produktion 

– Neuprogrammierung 

– Austausch von Medien 

–…

Postproduktion 

• Vervielfältigung 

• Marketing 

• Wartung (Maintenance): Patches als 

Download (früher Diskette)

Programmierung

Disziplinen 

• Spiel-Physik-Programmierung 

• Künstliche Intelligenz 

• Grafik 

• Sound 

• Gameplay 

• Scripting 

• UI-Programmierung 

• Input-Programmierung 

• Netzwerk-Programmierung 

• Game Tools Programmierung 

• Portierungs-Programmierung 

• Leitender Spielprogrammierer

Disziplinen 


– Physics Engine 

– (Open Dynamics Engine) 

– Für Rollenspiele: nur 1 Programmierer 

– Für komplexe Kampfspiele (Battlefield 1942, 

Legend of Zelda): Team von mehreren 

Physik- programmierern

Disziplinen 


– Kollisionserkennung 

–Physik

Disziplinen 

• Kollisionserkennung 

– a posteriori 

• Erkennung, nachdem eine Kollision stattgefunden hat 

• schneller, einfacher, ungenauer 

• keine unzähligen physikalischen Variablen (vgl. z.B. Billard) 

• einfache Liste der kollidierenden Körper 

• keine Reibung, 

• keine elastische Stöße, 

• keine deformierbaren Körper 

– a priori 

• Vorhersage der physikalischen Trajektorie 

• exakter: Ort, Zeit 

• algorithmisch stabiler

Disziplinen 

• Physik 

– Mechanik 

– Dynamik (Bewegungsgleichungen) F = m a (3-dim) 

numerische Integration zur Lösung der Bewegungsgleichung 

denn Beschleunigung a = zweifache Ableitung des Ortes x 

a = d²x/dt² 

– Simulation von Gravitation (Weltraum Spiel) 

– Wasser 

– Feuer 

–Staub 

– Rauch 

– Explosionen

Disziplinen 

• Künstliche Intelligenz (KI) 

– Illusion einer Intelligenz 

– unterscheidet sich daher vom wissenschaftlichen Gebiet der KI 

(Willkürliche Eingaben, Lernen, Entscheidungsfindung...) 

– Tricks sind erlaubt. 

– Oft Herunterregelung der "Intelligenz", damit der Spieler noch 

eine Chance hat (vgl. z.B. Ego- Shooter: Computer zielt immer 

schneller und genauer als Mensch...) 

– große Bandbreite an Algorithmen: 

– Kontrolltheorie 

– Robotik 

– Computergrafik 

– Informatik

Disziplinen 


– Verwendung fester (Bewegungs-)Muster: 

Gegenspieler (PacMan) 

– Endliche Automaten (Finite State Machine) 

– Modell des Verhaltens, bestehend aus 

• Zuständen 

• Zustandsübergängen 

• Aktionen

Disziplinen 


– Nichtdeterministische Algorithmen: u.a. 

• Endliche Automaten mit Zufallsentscheidungen 

• Neuronale Netze 

– Pathfinding (Wegsuche) 

• Finde den kürzesten Weg von A nach B

Disziplinen 


– Kontrolltheorie 

• Steuerung komplexer dynamischer Systeme 

• Anwendung: Variablen eines dynamischen 

Systems sollen bestimmte Werte (Referenz) 

annehmen 

• Ein "Controler" beeinflusst die Eingaben in das 

dynamische System, um die gewünschten 

Ausgabewerte zu erhalten. 

• Beispiel: Tempomat (Geschwindigkeitskontrolle 

eines Fahrzeugs, das bergauf und bergab fährt.)

Disziplinen 


– modernes Spiel: ca. 60% der Programmierer 

arbeiten an der Programmierung von KI 

– weniger technische Skriptsprachen für KI --> 

Level Designer 

– Gegenspieler, Verfolgungsjagd

Disziplinen 

•Grafik 

graphic pipeline 

für Echtzeitanwendung 

auf neuster Grafikhardware (GPUs, Grafikkarten, 

Konsolen...) 

–3D 

– Modellierung 

– Rendering 

– Animation

Disziplinen 

•Grafik 

–3D 

• 3D-Vektorgrafiken 

• Lineare Algebra 

• Matritzen-Mathematik (Rotation, Skalierung, 

Translation, homogene Koordinaten) 


– Rendering 

– Animation

Disziplinen 

•Grafik 

–3D 


• Polygon-Gitter 

• NURBS 

• Subdivision-Surfaces 

• 3D-Scanning 

• Lightscribe 

– Rendering 

– Animation

Disziplinen 

• Grafik 

–3D 


– Rendering 

• Licht 

• Schatten 

• Texturen (Mapping) 

• Multitexturing (z.B. MipMapping) 

• Bump Mapping 

• Light Mapping 

• Oberflächen (Shader): 

–Animation

Disziplinen 

• Grafik 

–3D 


– Rendering 

• Raytracing 

• Radiosity (global illumination) 

• HDRI 

• gerenderte Szene auf Oberflächen als Textur mappen --> 

kein weiteres Rendern 

• Bewegung der Kamera durch die Szene: einfaches Abbilden 

von 3D --> 2D 

• FH-Emden mit HalfLife (screen shots) 

–Animation

Disziplinen 

• Grafik 

–3D 


– Rendering 

–Animation 

• Inverse Kinematik 

– Hierarchie des Objektbaumes wird rückwärts (invers) bewegt 

• Motion Capturing 

– optisches Verfahren mit Infrarotkameras (Vicon) 

– mechanisch 

– magnetisch (selten, ungenau) 

– Image Metrics (Gesichtsaminationen: Need for Speed)

Disziplinen 

• Sound 

– Audio-Programmierung nicht trivial: 

• z.B. fortschrittliche Technik zur Positionierung des Klangs im 

3D-Raum 

• Aber auch Programmierung der "Sound Engine" durch 

Scriptsprachen: 

– z.B. Sound Zuordnung an 

– Figuren 

– Handlungen 

– Objekte 

– Ereignisse 

• Klangatmosphäre für Spielumgebung 

• Programmierung von Variablen wie Hall (Umgebung, 

Raum...)

Disziplinen 

• Gameplay 

– Spielstrategie 

– "Feel" des Spiels 

– Strategietabellen 

– Anpassung von Parametern, die das Spiel 

verändern (-->KI)

Disziplinen 

• Scripting 

– Level Editor: 

– Spiel Medien werden über Skripte 

eingebunden 

– Skriptsprache meist leichter zu handhaben als 

C++ 

– (vgl. Leveleditor (Mod-File) für HalfLife)

Disziplinen 

• UI-Programmierung 

– UI sieht wie 2D aus, 

– verwendet aber die selbe 3D-Technik, wie 

das restliche Spiel 

– Skripting von Special Effects: 

• Transparenz 

•Animation 

•Partikel

Disziplinen 

• Input-Programmierung 

– Keyboard, Joystik, Game-Pad, Mouse, ... 

– Input mit niedriger Latenz bei komplexen 

Echtzeitspielen: 

• z.B. Ego-Shooter (Quake) 

– Bei Strategiespielen eher irrelevant

Disziplinen 

• Netzwerk-Programmierung 

– Sehr schwierige Aufgabe: 

– Netzwerk-Latenzen 

– Packet-Kompression 

– Packet-Verluste 

– unterbrochene Leitungen 

– unglücklicherweise meist am Ende des 

Projekts

Disziplinen 

• Game Tools-Programmierung 

– Programmierung von Werkzeugen für spielespezifische 

Aufgaben: 

• skripting 

• importieren 

• konvertieren 

• modifizieren 

• für Levels 

– Aber auch: 

• IDE (Integrated Development Environment) 

• Photoshop 

• 3D-Programme (Maya, 3DMax,...) 

• Soudeditoren

Disziplinen 

• Portierungs-Programmierung 

– speziealisiert auf Code-Konvertierung für 

unterschiedliche Betriebssysteme oder Plattformen 

–z.B. 

• Spiel auf Mobiltelefone portieren 

• C++ --> Java 

• Konvertierung von Medien (assets) 

– Telefone und PDAs haben 

• wenig Speicher, 

• geringere Rechenleistung 

• andere GPUs

Disziplinen 

• Leitender-Programmierer 

– Übersicht über alle Programmierarbeiten 

– Abstimmung zwischen den einzelnen 

Modulen und Programmierarbeiten 

– "technical director"

Programmiertechnik 

• Game Loop 

• Ereignisorientiert 

• Hyperthreading


• Game Loop 

– Grundlage von fast jedem Spiel: 

while( user doesn't exit ) 

check for user input 

run AI 

move enemies 

resolve collisions 

draw graphics 

play sounds 

end while 


• Hyperthreading


• Game Loop 


– Vorteile: 

– Leichtere Eingabe-Verarbeitung, jenseits von 

Nutzereingaben (Maus etc) 

– Leichtere Kommunikation zwischen Klassen: 

Jede Klasse hört auf die für sie relevanten 

Ereignisse. 

• Hyperthreading


• Game Loop 


• Hyperthreading 

– Hyper-Threading Technology (HTT) 

– simultanes multi threading 

– Multithreading: Der Prozessor kann jeden Zyklus 

einen anderen Threads ausführen 

–HTT: ...jeden Zyklus mehrere Threads ausführen 

(nicht jeder Thread benötigt Rechenleistung...) 

– Eingeführt von Intel (Pentium 4)

Programmiersprachen 

• C++ 

• C 

• Assembler 

• Java für Web-Anwendungen, Mobil-Telefone und PDAs 

• Adobe Flash (mit ActionScript) sehr populärer 

Konkurrent zu Java 

• compilierter Code für zeitkritische Anwendungen 

(rendering, physikalische Effekte) 

• Skripte werden daher meist compiliert 

• Im Optimierungsprozess werden manche Skripte durch 

Programmierung in C/C++ ersetzt


• Assembler 

– am schnellsten, spricht direkt Hardware an 

– lange Entwicklungszeit, schwierig zu erlernen, nicht 

portabel 

• C 

– extrem schnell, viele Werkzeuge, weit verbreitet 

– nicht objektorientiert, keine Garbage Collection 

(automatisches Speicher Management) 

• C++ 

– sehr schnell, objektorientiert, viele Werkzeuge, weit 

verbreitet 

– keine Garbage Collection


• C# 

– sehr objektorientiert, RAD-Sprache (Rapid Application 

Development), leichte Verwendbarkeit 

– langsam: JIT-Compiler (interpreter) 

• Java 

– sehr objektorientiert, leicht zu verwenden, portierbar 

– kann sehr langsam sein (JIT), nicht für 

Konsolenspiele 

• Python 

– Oft bei Spieleprogrammierung als Skriptsprache 

verwendet.


• Middleware: 

– high level Funktionalität 

– jenseits low level APIs wie DirectX und OpenGL 

– komplexe Technologien 

– Plattformunabhängigkeit angestrebt 

– Reduzierung von Redundanz (z.B. für jedes Spiel ein 

neues Animationssystem programmieren) 

– ==> Programmierer können sich auf neue Inhalte 

konzentrieren

APIs 

API (Application Programming Interface) 

• OpenGL 

•DirectX 

• Java3D

APIs 

• OpenGL 

– ursprünglich von SGI entwickelt 

– plattformunabhängig 

– ca. 250 Befehle zur Darstellung komplexer 

3D-Szenen in Echtzeit 

– Erweiterungen sind definierbar (meist durch 

Grafikkartenhersteller: ATI, NVIDIA, 

3DLabs…) 

– Erweiterungen können später als OpenGL- 

Standard vom OpenGL ARB (Architecture 

Review Board) festgelegt werden.

APIs 

•DirectX 

– Zu OpenGL konkurierende API von Microsoft 

– betriebssystemabhängig ! 

– Direkter Zugriff auf Grafikhardware, umgeht 

GDI (Graphics Device Interface): 

– Low-level API: Direct3D 

– High-Level API: Direct3DX (setzt auf Direct3D 

auf, vereinfacht den Programmieraufwand bei 

3D-Spielen) 

– kostenlos 

– sehr aktuell

APIs 

• Java3D 

– Bibliothek von Java-Klassen 

– von Sun entwickelt 

– Entwicklung von Sun eingestellt 

– Seit 2004 OpenSource 

– In unterschiedlichen Versionen verfügbar: 

• Kapselt OpenGL-Schnittstelle oder 

• Kapselt Direct3D-Schnittstelle 

– Mit einem objektorientierten Programmkonzept 

– Prinzipiell könnten ähnlich hohe Rendergeschwindigkeiten wie 

bei C, OpenGL oder Direct3D möglich sein 

– Aber: kein direkter Zugriff auf OpenGL- oder Direct3D-Funktion 

– Weiterentwicklungen der Grafikkarten stehen nicht zur 

Verfügung. Günstigstenfalls verzögert (auch das ist selten).

IDE 

(Integrated Development Environment) 

• sehr häufig: 

– Microsoft Visual Studio 

– CodeWarrior

Game Engines 

• Free (Open Source) z.B.: 

– Allegro 

• C++ 

• DOS, Unix, Windows, BeOS, QNX, MacOS 

• Free (Open Source) 

• 2D and 3D 

• Sound 

• No Networking 

• No Scripting 

– ClanLib 

• C++ 

• Windows, Linux, MacOSX 

• Free (Open Source) 

• Accelerated 2D 

• Sound 

• Networking 

• No Scripting

Game Engines 

• komerziell (10.000 bis zu 3.750.000 US$): 

– Unreal Engine 

•C++ 

• Windows, Linux, MacOS X, PS2, Xbox, PS3, 

XBOX 360 

• 3D, Sound, Networking, 

• UnrealScript, 

• Physics, 

•HDR (UE3) 

• teuer

Game Engines 

– Steam (Valve) 

• Python 

• Windows/Linux 

• 2D/3D via DirectX and OpenGL 

• Sound 

• Networking (demnächst) 

• Python scripting with 3DCW helpers 

• Viele andere features 

– Gamebryo, NetImmerse 

– RenderWare 

– Build 

– Warcraft III (teuerste Engine 3 Mio US$)

Plattformen 

• Meist sind Programmierer auf 

– eine Disziplin und 

– eine Platform spezialisiert: 

• z.B. 3D-Grafik Programmierer für Xbox 

• Xbox 360 

• PlayStation 3 

• Wii 

• Apple Mac OS X 

• Microsoft Windows Vista

Namhafte Game-Programmierer 

• Spiele Programmierer != Spiel Designer 

– obgleich viele Spiel Designer auch 

programmieren können 

• Ken Silverman: Schöpfer der "Build 

Engine" (verwendet von vielen populären 

Spielen) 

• Tim Sweeney: Schöpfer der "Unreal 

Engine"

Namhafte Game-Programmierer 

• Sid Meier: Entwickler vieler erfolgreicher 

Spiele (Civilization, Pirates) 

• John Carmack: Wolfenstein, Doom, 

Quake 

• Michael Abrash: Optimierung von 

Grafikroutinen 

• Will Wright: SimCity, The Sims, Spore

Weitere Quellen 

Literatur 

• deutsch 

– Heiko Kalista: C++ für Spieleprogrammierer. Hanser Fachbuchverlag; 

Auflage: 2., erw. A. (August 2005) 

– Lennart Steinke: Spieleprogrammierung. Konzeption, Entwicklung, 

Programmierung. Vmi Buch; Auflage: 1 (Oktober 2003) 

• englisch 

– Kenneth C Finney: 3D Game Programming All in One, Second Edition. 

Course Technology PTR; 2 edition (November 6, 2006) 

– Mike Dickheiser: Game Programming Gems 6. Charles River Media; 1 

edition (March 7, 2006) 

– Frank Luna: Introduction to 3D Game Programming with Direct X 9.0c: 

A Shader Approach. Wordware Publishing, Inc. (June 25, 2006) 

– Christer Ericson: Real-Time Collision Detection. Morgan Kaufmann; 

Har/Cdr edition (December 22, 2004) 

– David H. Eberly: 3D Game Engine Architecture: Engineering Real-Time 

Applications with Wild Magic. Morgan Kaufmann; Har/Cdr edition 

(December 17, 2004)

Weitere Quellen 

Internet 

• Game Programming Wiki: http://gpwiki.org 

• UnrealEngine: 

http://www.unrealtechnology.com/html/technology/ue30.shtml 

• Bright Future GmbH: http://www.brightfuture.de 

• EA Fußballmanager: http://www.fm07.de/de 

• Graphics Programming Black Book: 

http://www.byte.com/abrash (free pdf download) 

• YetiSports: 

http://www.yetisports.org/de/download_games.php

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