Come funziona un motore grafico in 3D

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Pubblicato il: 07-11-2021 09:46

Il mondo dei videogame è in costante espansione e sembra, a differenza di altri, non conoscere crisi; del resto se siamo passati dai mondi sviluppati in due dimensioni, annessi ai retrogame che tuttora amiamo, e siamo arrivati a vedere mondi virtuali realistici quanto scintillanti, lo dobbiamo senza dubbio ai cosiddetti game engine. Motori grafici che, di fatto, fanno funzionare i videogame e non solo quelli, dato che rientrano in asset ben più complessi e ad ampio raggio, utilizzabili anche all’interno di software di modellazione 3D generici come Blender. Ma allora come funziona un game engine nel dettaglio?

Si possono fare diverse ipotesi sul suo funzionamento e, al netto dei dettagli implementativi, è interessante parlarne in termini modulari e più generali, applicabili a qualsiasi caso e basati su diagrammi di flusso e schemi a blocchi. Alla base di ogni motore grafico in 3D vi sono, infatti, tre componenti di base:

  1. Math Engine
  2. Rendering Engine
  3. Physics Engine

Partendo da questi tre componenti proveremo a dettagliare come funziona nella realtà un game engine.

Math Engine

Ogni motore di rendering lavora anzitutto su concetti matematici avanzati, quindi vettori e matrici nonchè operazioni che possiamo compiere sugli stessi. La matematica rimane uno degli aspetti più importanti legati sia allo sviluppo che all’efficenza del motore, il che poi si tradurrà in grafica più o meno “laggata” o scattante. La parte annessa al Math Engine, in sostanza, implementa varie funzioni di base (moltiplicazione, divisione, somma e differenza tra vettori e, parallelamente, trasposizione, identità, inversione e trasformazione di matrici).

Senza scendere in troppi dettagli, le funzioni su matrice permettono di prevedere la possibilità degli oggetti del gioco di poter ruotare in vari modi, mentre quelle vettoriali intuitivamente consentono di prevedere il movimento di un personaggio o di un oggetto, di creare nuovi oggetti da quelli esistenti e naturalmente di poterlo fare secondo una specifica “gradazione” o intensità. A livello matematico ciò implica che sia possibile lavorare, in questo ambito, con vettori fino a 8 dimensioni.

Rendering Engine

Il motore di rendering implementa le operazioni possibili nello scenario 3D facendole comunicare con il processore della scheda grafica, e traducendole in comandi comprensibili dalla stessa ad una frequenza molto elevata. In questa fase è fondamentale garantire l’efficenza delle operazioni per evitare, anche qui, problemi di efficenza non prevedibili o bug di vario genere. Già nel 2016 editor di giochi in 3D quali il famosissimo Unity consentivano di raggiungere un livello di realismo visuale, in tal senso, paragonabile a quello di un film.

Physics Engine

Il motore fisico consente al gioco di avere una fisica interna “simulata” quanto realistica, evitando ad esempio che un personaggio non risenta abbastanza della forza di gravità, si muova in modo irrealistico e via dicendo. Soprattutto il physics engine fa in modo che le interazioni tra oggetti in 3D siano credibili, dal semplice caso della collisione tra due oggetti alle possibilità più svariate in tal senso, come ad esempio il grado di rimbalzo.

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La creazione del mondo 3D

Partendo dalla combinazione dei succitati 3 moduli il gioco viene sviluppato,  in genere, con un manager principale che tiene traccia di tutto quello che è attivo nel gioco in quel momento: personaggi, scenari, oggetti da raccogliere e così via. Tramite esso si sviluppa poi un loop in cui, periodicamente, si interroga il sistema su come e quanto sia cambiato lo stato, aggiornandolo di conseguenza e, soprattutto, renderizzandolo a video. Il motore fisico deve per forza intervenire in questa fase, chiaramente, per rendere realistico il tutto, fondandosi a sua volta sulle altre due componenti.

Ovviamente questo è soltanto un articolo introduttivo, e sono numerose le complicazioni introdotte nel sistema che riguardano due aspetti: da un lato il comportamento del giocatore che è imprevedibile per definizione, dall’altro alcuni tipi di collisioni e di situazioni non conteplate che possono portare a casi di glitch o bug più seri.

Photo by Shubham Dhage on Unsplash

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Come funziona un motore grafico in 3D (Guide, Assistenza Tecnica, Pensare)

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