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Space Trash

Christoph Anthes   //   Oktober 14, 2009   //   0 Kommentare

Für die Lange Nacht der Forschung Österreich basteln Studenten aus Linz ein Virtual-Reality-Spiel. Das Pilotprojekt verbindet Forschung und Unterhaltung für jedermann zu einem originellen Mix inlusive selbstgeschraubter Eingabegeräte.

Alles begann im September 2008 mit der Langen Nacht der Forschung Oberösterreich, bei der sich mehrere Forschungsbereiche der Linzer Universitäten öffentlich vorstellen sollten. Das Institut für Graphische und Parallele Datenverarbeitung (GUP) der Johannes Kepler Universität (JKU) entschied sich für einen Schwerpunkt zum Thema Virtual Reality. Die Abteilungen Interface Culture (IC) und Digital Media for Artists (DMA) der Kunstuniversität wollten physikalische Benutzer-Interfaces und grafische Designmöglichkeiten präsentieren. Die Frage war nur: Mit welchem Projekt konnten wir all diese Forschungszweige unter einen Hut bringen?

Zuerst hatten wir überhaupt kein Spiel geplant. Stattdessen wollten wir ein allgemein verständliches und wichtiges Thema präsentieren, etwa »Der Überwachungsstaat«. Solche komplexen Felder lassen sich jedoch schwer umsetzen. Schließlich kann man eine tiefgreifende Botschaft unmöglich in einer zehnminütigen Präsentation vermitteln, die auch noch unterhaltsam sein soll. Weil wir insbesondere den letzten Aspekt nicht vernachlässigen wollten, entschieden wir uns schließlich dafür, ein Spiel zu entwerfen.
 
Das Grundprinzip
 
Dieses Spiel sollte Spaß machen und zugleich möglichst einfach ausfallen, um viele Besucher anzusprechen. Außerdem sollte es sich schnell erlernen lassen und grafisch beeindruckend sowie technisch fortschrittlich wirken. Im Gegensatz zu herkömmlichen Spielen war uns die Langzeitmotivation eher unwichtig. Wir wollten einfach, dass die Leute unsere Installation besuchen und direkt drauflos spielen.
Ein Problem dabei waren allerdings die Leute selbst. Schließlich besuchen nicht nur Spieler die Lange Nacht der Forschung, sondern Menschen mit grundverschiedenen Interessen und aus allen Altersgruppen. Die interessieren sich zwar alle für die Forschung, sind aber nicht unbedingt an den Umgang mit Eingabegeräten wie Gamepads, Wiimotes oder Joysticks gewohnt. Also entschieden wir uns, ein Virtual-Reality-Spiel zu entwickeln.
 
Die Idee
 
So entstand die Idee zu Space Trash, dessen Spieler in zwei Dreierteams um die Wette durchs All schwebenden Schrott einsammeln. Das Thema Weltraummüll erschien uns ideal, weil es ein reales Problem darstellt, das sich zudem bildhaft und unterhaltsam vermitteln lässt. Dabei handelt es sich um von Menschen geschaffene, nutzlose Objekte, die um die Erde kreisen -- zum Beispiel abgetrennte Raketenstufen, Raumschiffteile, defekte Satelliten oder Ähnliches. In den letzten Jahren hat die Anzahl solcher Hindernisse beträchtlich zugenommen, sie stellen inzwischen ein großes Problem für die Raumfahrt dar. Schließlich könnte der Abfall unter anderem die Solarzellen-Segel von Satelliten durchschlagen.
Klassische Game Engines kann man im Bereich Virtual Reality (VR) leider oft nicht verwenden. Denn die meisten Engines sind darauf ausgelegt, monoskopische Grafiken auf Heimcomputern darzustellen. Um virtuelle Welten im Sinne von VR müssen hingegen stereoskopisch dargestellt werden, in unserem Falle sogar auf einer Installation mit mehreren Bildschirmen. Für Space Trash entschieden wir uns auch deshalb, weil sich der Weltraummüll sehr einfach in stereoskopischer 3D Grafik darstellen lässt. Damit war das Thema festgelegt; wir konnten mit der Ausarbeitung der Inhalte, der Implementierung, der Modellierung und der Entwicklung der Eingabegeräte beginnen.
Im Virtual-Reality-Spiel treten zwei Dreierteams gegeneinander im Müllsammeln an.
Das Gameplay
 
In Space Trash bilden die Spieler zwei Dreierteams: Die »Old Men«, eine Gruppe alternder Weltraumpiloten, treten gegen die »Hacker« an, um den Erdorbit von Müll zu befreien. Hierzu steuert jede Mannschaft ein Raumschiff. Ein Spieler übernimmt die Rolle des Navigators, der den Kurs vorgibt. Der zweite Spieler ist für Beschleunigungs- und Bremsmanöver verantwortlich, der dritte sammelt den Schrott ein. Wer innerhalb einer gewissen Zeitspanne am meisten Müll sammelt, gewinnt.
Unter den Müllbrocken sind defekte Satelliten sowie Raumschiffteile; außerdem feiert ein alter Tie-Fighter aus dem Star-Wars-Universum einen Gastauftritt. Die Objekte hängen natürlich nicht einfach statisch im All, sondern wirbeln physikalisch korrekt herum. Außerdem kreisen im Erdorbit intakte Satelliten, denen die Spieler ausweichen sollten. Zerstörte Himmelskörper zerbrechen und erzeugen so zusätzlichen Müll und damit zusätzliche Hindernisse. Wenn ein Raumschiff mit einem anderen Müllelement kollidiert, kann es dieses nämlich aus der Bahn stoßen und im schlimmsten Fall in einen funktionierenden Satelliten schleudern.
 
Die Eingabegeräte
 
Ein Virtual-Reality-Spiel kann man natürlich nicht mit Maus und Tastatur steuern. Denn dadurch würde die Illusion zerbrechen, sich wirklich in einer anderen Welt zu bewegen. Daher haben wir sämtliche Eingabegeräte selbst hergestellt. Damit sie zum Schrottsammler-Szenario passen, wurden sie sogar aus echten Gebrauchtwaren und Müll sowie ein wenig Elektronik und Mechanik zusammengebaut.
Unsere Grundmaxime dabei war, den Spielern einen einfachen und verständlichen Einstieg in die virtuelle Welt zu ermöglichen; außerdem wollten wir ihnen die Zusammenarbeit erleichtern.
Deshalb haben wir versucht, die Eingabegeräte exakt auf die Aktionen im Spiel zuzuschneiden. Zum Beispiel beschleunigt man sein Raumschiff, indem man in die Pedale eines Heimtrainers tritt. Um den Kurs zu bestimmen, muss man einen Fleischwolf in die entsprechende Richtung drehen. Und wer mit dem Greifarm ein Müllobjekt ein sammeln will, hantiert mit einem umgebauten Rasenkantenschneider, der auf die Vorderachse eines Fahrrads gelagert ist.
Weil wir mit zahlreichen Benutzern rechneten, mussten wir die Geräte möglichst stabil montieren und aufstellen. Außerdem sollten Sie natürlich genaue Sensoren enthalten, damit die Bewegungen der Spieler in der virtuellen Umgebung exakt umgesetzt werden. Hierzu haben wir an allen beweglichen Achsen Potentiometer angebracht. Deren Werte werden abgefragt, mit einem Arduino-Board ausgewertet und dann zu einem Eingabe-Server übertragen. Letzterer leitet die Daten dann an das eigentliche Spiel weiter.
 
Altmodisch, aber originell: Mit der Kurbel links bestimmt ein Spieler den Kurs, ein zweiter lenkt mit dem Rasenschneider rechts einen Greifarm.
 
Die Optik
 
Beim visuellen Design von Space Trash mussten wir auf zwei wichtige Aspekte achten. Zum einen wäre da das narrative Design, das die Geschichte und die Atmosphäre des Spiels unterstützt. Ebenfalls wichtig ist das Benutzerdesign, das den Spielern die Mechanik näher bringt.
Beim narrativen Design haben wir sehr viel Wert auf die realistische Darstellung des Orbits und der Schrottteile gelegt. Die Erde etwa wurde mit drei Shadern bearbeitet, damit sie wirklich so aussieht wie auf Bildern aus dem Weltall gewohnt sind. Die Raumschiffe wirken hingegen eher comichaft. Das Design der »Old Men« orientiert sich an alten Fotos aus den Pioniertagen der Luftfahrt; die »Hacker« wirken, als seien sie einem japanischen Anime-Film entsprungen.
Das wichtigste Element des Benutzerdesigns ist das Heads-Up Display (HUD), das die Spieler bei der Navigation und beim Müllsammeln leitet. Außerdem stellt das HUD weitere wichtige Informationen dar, etwa den Punktestand und die verbleibende Zeit.
 
Die Engine
 
Wie erwähnt lassen sich herkömmliche, Game Engines bei Virtual-Reality-Anwendungen nicht einsetzen. das liegt auch daran, dass VR-Installationen häufig mehrere Bildschirme gleichzeitig ansprechen, weshalb man eher exotische Hardware verwenden muss. Also haben wir Space Trash für einen Monsterrechner mit 16 Prozessoren und acht Grafikkarten entwickelt. Gängige quelloffene Game Engines unterstützen solche Systeme natürlich nicht.
Für uns ergaben sich daraus mehrere Konsequenzen. So haben wir mit dem inVRs Framework gearbeitet, das wir selbst entwickelt haben. Es war darauf ausgelegt, in möglichst kurzer Zeit möglichst effiziente und vernetzte virtuelle Welten zu erschaffen. Im Gegensatz zu normalen Game Engines verwendet inVRs den im Forschungs- und Industriesektor weit verbreiteten, quelloffenen Szenengraphen OpenSG. Damit lässt sich die grafische Repräsentation der virtuellen Welt strukturieren und ablegen. Mit Hilfe von OpenSG unterstützt inVRs auch die stereoskopische Darstellung auf mehreren Bildschirmen.
 
Die Software
 
Viele Software-Komponenten mussten wir völlig neu entwickeln. Weil unser Team glücklicherweise recht groß war, konnten wir die Anwendung in mehrere Einzelteile zerlegen. Zum Beispiel schrieben wir ein Programm, das den Greifarm der Schiffe mittels inverser Kinematik in Echtzeit simuliert. Die Grafik haben wir mit zusätzlichen Effekten wie Shadern und Reflection Maps aufgepeppt. Das HUD sowie die physikalische Simulation des Weltraummülls und der Schiffe mussten wir ebenfalls selbst erstellen. Diese einzelnen Elemente wurden schließlich von einem Kernteam zusammengefügt, das für die Gesamtarchitektur, das Gameplay, die Interaktion und die Navigation verantwortlich war. Zugleich komponierten wir die Musik und entwarfen eigene Soundeffekte.
Für die Veraltung unseres Mammutprojekts haben wir hauptsächlich freie Software-Werkzeugen verwendet. So griffen wir auf das Tool Subversion zurück, um Space Trash zu versionieren, Änderungen zu verfolgen und die Zusammenarbeit des Teams zu erleichtern. Über das Wiki-System Trac haben wir über Konzepte, Artwork und Code diskutiert. Denn Trac eignet sich ideal für Programmierprojekte. Um das Anfangslayout der virtuellen Welt zu erstellen und die physikalische Repräsentation der Spielobjekte zu definieren, haben wir eigene Editoren entwickelt.
 
Das Team um Space Trash präsentiert sich mit den Eingabegeräten, die größtenteils aus Schrott-Teilen zusammengeschraubt sind - passend zum Setting.
 
Die Präsentation
 
Bei der Langen Nacht der Forschung haben wir schließlich den ersten Prototyp von Space Trash präsentiert. Im Virtual Reality Center der Johannes Kepler Universität (JKU) und an der Linzer Kunstuniversität konnten rund 1.000 Besucher um die Wette Weltraummüll sammeln. Die Präsentationskonzepte waren allerdings unterschiedlich. An der JKU wollten wir hauptsächlich die Technologie demonstrieren, um zu zeigen, wozu sich Virtual Reality einsetzen lässt. An der Kunstuniversität lag der Schwerpunkt hingegen auf der Hintergrundgeschichte und dem Design.
 
Das Fazit
 
Im Großen und Ganzen verlief das Projekt durchaus erfolgreich. 30 Personen haben über vier Monate lang an Space Trash gearbeitet. Derzeit feilen wir an einer Desktop-Version für Windows, Linux und Mac, wobei wir das Spielprinzip natürlich stark überarbeiten müssen. Denn ohne die originellen Eingabegeräte wäre die ursprüngliche Version deutlich weniger spaßig. Andererseits können wir die Spielmechanik viel besser ausarbeiten, wenn sich die Spieler länger mit dem Programm beschäftigen. Die Besucher in Linz mussten nämlich schon nach zehn Minuten ihren Platz wieder räumen. Aber die Lange Nacht der Forschung war ja auch nur der Anfang.     
 
Christoph Anthes
 
zum Autoren: Christoph Anthes arbeitet seit 2003 für das Institut für Graphische und Parallele Datenverarbeitung der Johannes Kepler Universität (JKU) in Linz. Derzeit betreut er das Virtual Reality Center der JKU und unterrichtet die Fächer Virtual Reality, Mixed Reality sowie Vernetzte Graphische Anwendungen.

 

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