Charla «Speed Up: 30 años del primer videojuego 3D español»

Descripción de la charla

Lugar: Aula A12, planta 1, edif. Ada Byron (Campus Río Ebro) Horario: Miércoles 25 de marzo, a las 18:00

Los tres invitados a esta charla se reunieron a mediados de los 90, en numerosas ocasiones, para desarrollar desde cero una manera de gestionar los gráficos en 3D en videojuegos, ante los impactantes lanzamientos de Virtua Racing (1992) y Virtual Fighter (1993) sobre la arquitectura Sega Model 1, Ridge Racer (1993) sobre Namco System 22, y Daytona USA (1994) y Sega Rally (1995) sobre Sega Model 2.

Entre los tres desarrollaron matemáticamente su propia solución y posteriormente pasaron esos cálculos matemáticos a ASICs (chips para aplicaciones específicas) para su implementación hardware, convirtiéndose en la primera arquitectura hardware desarrollada específicamente para videojuegos en tecnología 3D con bitmap del mundo, y que acabaría bautizándose como Gaelco 3D.

El primer videojuego que lanzó Gaelco sobre dicho hardware fue Speed Up (1996), hace 30 años, y luego le seguirían otros éxitos como Surf Planet (Gaelco-Zigurat, 1997), Radikal Bikers (Gaelco, 1998): Rolling Extreme (Gaelco, 1999) y Football Power (Gaelco-Zigurat, 2000), por solo citar algunos.

Y ahora desean compartir con nosotros ese método para crear gráficos 3D que desarrollaron y plasmaron en una arquitectura hardware que competía de tú a tú con Sega y Namco. No te pierdas la conjunción de estos tres pioneros de los videojuegos en 3D en España, en Europa, y en el mundo.

El guión de la charla fue el siguiente:

1.  Introducción al Reto 3D (Fernando Rada y Ángel Alda) 
   • Contexto histórico (Fernando): Nos situamos a mediados de los 90. El 3D en los arcades estaba dominado por gigantes (los primeros diseños de Sega con Virtua Racing o Namco con System 22). Se explica por qué toman la decisión de orientar el desarrollo de videojuegos hacia el 3D, diseñando su propio hardware 3D desde cero, explicando que el motivo central de la charla es el XXX aniversario de Speed-Up (1996), el primer juego que usó la arquietctura hardware 3D que crearon.

1. • Los primeros pasos (Ángel): Las primeras demos por software que realiza en 1992-93 sirven para explicar los fundamentos de cómo se compone un mundo 3D (vértices, polígonos, aristas, matrices de rotación locales y de cámara), y el concepto clave de la proyección matemática en la "puerta de visión".
2.  Arquitectura general de la placa (Javier Valero)
   Javier da la visión macro del sistema. Cómo se estructura la placa en general, para que la gente entienda el marco general del hardware. Presentación de los tres actores principales: el Motorola 68000 (Lógica), el DSP TMS320C31 (Geometría) y el ASIC (Rasterización).
3. La Lógica del Juego y el 68000 (Fernando Rada) 
   • Mostrando el vídeo de Surf Planet: Como “icebreaker” visual antes de entrar en las matemáticas. Sirve para mostrar el contexto del juego e inmediatamente después se pueden contar algunas cosas diferenciales de la producción, como el sistema de mocap que usamos junto con el CAR de Sant Cugat, o el intento de utilizar una tabla física con potenciómetro que finalmente descartamos.
   • Arquitectura Síncrona: El estricto bucle de 16 ms. Cómo la interrupción de vídeo (VBlank) marcaba el latido del juego (captura de mandos, reset del buffer de figuras), y se procesaba toda la escena hasta terminar toda la lógica, hacer el swap de buffer y mandar la interrupción al DSP.
   • Estructuras de soporte (La Rejilla 2D): No usaban un entorno 3D libre para ahorrar CPU.
     • El Índice espacial: El mundo era una cuadrícula 2D. Cada celda guardaba la lista de polígonos que había dentro. Partiendo de la posición X/Z del surfer, y sabiendo el tamaño de las celdas, calculábamos muy fácilmente qué polígonos pisaba, una versión simple de “Raycast”
     • Físicas: Comprobación contra esos polígonos para acoplamiento del vector Y del surfer a la normal N del polígono que pisaba, aceleración, o cálculos de colisión (muros/aristas de choque).
     • Renderizado: Culling 2D direccional ultra rápido descartando las figuras que estaban detrás de la cámara, y algoritmo del pintor (iterar la rejilla de atrás hacia adelante para no necesitar ordenamiento de figuras por Z).
   • Matemáticas custom de Punto Fijo:
     • El problema de la precisión, los ángulos (arcsin/arccos) y las temidas divisiones por cero.
     • El truco del alineamiento Z: Para calcular rotaciones en 3D, en lugar de usar complejas matrices generales, hacíamos dos rotaciones (XY ó YX dependiendo de los componentes del vector origen), para alinear el vector normal con el eje Z, llevando el problema al plano 2D (XY). Allí hacíamos los giros del surfer o las transformaciones necesarias, proyectábamos sombras muy barato, y luego deshacíamos la rotación para devolver los vectores a su espacio 3D
     • Quaternions vs Surf Planet: Demostración de por qué nuestro método ad-hoc (8 multiplicaciones) era mucho más eficiente a soluciones actuales que no requieren el cálculo de ángulos como los quaternions (18 multiplicaciones).
   • El traspaso con el DSP (Display List):
     Composición del buffer de figuras (BUF68) y cómo se optimizaba el bus con una estructura de datos que usaba flags para marcar figuras estáticas, las de suelo, árboles, etc) sin matriz de rotación propia.
4. El Coprocesador Matemático - DSP (Ángel Alda) 
   Lectura de los comandos enviados por el 68000, multiplicaciones matriciales cámara y objetos, transformaciones de vértices, cálculo de aristas, clipping 3D, cálculo de Ks, volcado de los polígonos listos mediante DMA/FIFO hacia el ASIC.
5. El Corazón Gráfico - El ASIC Gaelco 3D (Javier Valero)
   • Repaso refresco de cómo hemos llegado a convertir todos los elementos del juego en polígonos planos 2D listos para renderizar. Explicación sobre la imagen 1 de la estructura de un polígono.ç
   • Que es un ASIC
   • Entrelazado
   • Funciones del RASTER. Este es el organizador de todo
   • Como pintamos un polígono en pantalla:Le decimos al calcula dor que vamos a rasterizar un polígono con las siguientes K, luego el raster le dirá que pixel de pantalla necesita (x,y), y en 22ns el calculador responde donde está guardado el código de color que le corresponde a ese pixel en la pantalla, y el raster lo guarda en la RAM de VIDEO. sí el test de Z ha dado el ok….. y así sucesivamente.
   • Diferencia de procesado con los competidores.
   • Salida de video, lectura del interpolación BILINEAL.
   • Culturilla: Test Recortes de polígonos, Test de Bit Map, Precisión Coma flotante, Suma, resta, multiplicación y división por hardware
6. Conclusión y Q&A (10 min)
   • Reflexión final conjunta: El valor de las soluciones específicas frente a las soluciones de "caja negra" generales de hoy en día. Cómo las limitaciones de hardware (fijadas por costes y tecnología disponible) no limitaron la creatividad, sino que obligaron a inventar arquitecturas supereficientes.
   • Preguntas del público.

Sobre los ponentes: