Первый легендарный мобильный GPU: каким был PowerVR MBX Lite? Пишем игру-демку про «жигули» с нуля

Пожалуй, многие из вас помнят, какими были мобильные игры до и после выхода первого iPhone. В начале 2000-х годов, ещё до появления яблочного смартфона, игры для телефонов в основном были весьма интересными, но тем не менее, достаточно простенькими с точки зрения графики и реализации в целом. После запуска AppStore в 2008 году, на iPhone начали выходить самые разные красочные, невиданные раннее по уровню детализации и проработке 2D и 3D игры. Но появление таких игр — отнюдь не заслуга Apple, а относительной малоизвестной компании PowerVR (подразделение Imagination Tech), которая смогла разработать на базе видеочипа Dreamcast и внедрить один из первых действительно массовых мобильных 3D-ускорителей, имя которому — PowerVR MBX! Сейчас мы с вами привыкли, что почти любой дешевый смартфон может отрисовывать графику уровня PS3 в 1080p, а то и выше, но когда-то даже уровень PS2 был роскошью… Сегодня мы с вами: узнаем предысторию появления аппаратно-ускоренной 3D-графики на телефонах, рассмотрим такую фирменную фишку PowerVR, как тайловый рендеринг, а в практической части статьи нам поможет легендарный КПК Dell Axim X51v с MBX на борту, под который мы напишем 3D-игру «про жигули» с нуля! Интересно? Тогда добро пожаловать под кат!

Пожалуй, 3D-графика на мобильных устройствах начала развиваться ещё с самого начала 2000-х годов. К тому моменту, как мобильные телефоны научились запускать сторонние Java-приложения, практически сразу же появился прибыльный рынок мобильных игр. Ещё до появления поддержки jar-приложений, люди ставили рекорды в «Змейке» на телефонах Nokia, таскали ящики в «Строителе» на Siemens и играли в другие предустановленные игры на девайсах других брендов, поэтому было очевидно, что игры на мобильных телефонах рано или поздно смогут занять немалую часть сегмента портативных игровых устройств.

Именно появление J2ME дало тот самый толчок для развития мобильного гейминга. Производители телефонов активно развивали и дорабатывали мобильную платформу, добавляя в неё различные API-расширения — например, активацию приложений через СМС и доступ в WAP-интернет. Сама платформа J2ME была достаточно простой для изучения и имела низкий порог вхождения не только для людей, имевших какой-то опыт программирования, но даже для совсем новичков, которые никогда не писали код и тем более игр! Благодаря этому, появились сотни игр, многие из которых до сих пор помнят и любят: это и легендарный «мячик» Bounce, и «зайчик с морковками» Bobby Carrot, и весьма крутой Gish, а также множество различных платформеров по известным фильмам и «большим» играм!

В 2003 году появился Nokia N-Gage — первый массовый телефон, ориентированный именно на мобильный гейминг, который поддерживал не только Java-игры, но и собственные Symbian-игры с достаточно крутой 3D-графикой! Примерно в том же 2003 году, для платформы Java вышло сразу два API-расширения, которые добавляли поддержку симпатичной 3D-графики даже в самые простенькие и бюджетные телефоны: Mobile 3D Graphics (M3G, была почти везде) и Mascot Capsule (эта платформа была только на Sony Ericsson и Motorola). Именно благодаря этим API, мы с вами увидели такие легендарные игры, как V-Rally, Galaxy on Fire, Deep3D и многие другие! Но тем не менее, эти API были относительно медленными из-за программной растеризации на процессоре без отдельного 3D-ускорителя и весьма ограниченными в функционале. Ближайший пример по функционалу — уровень софтрендера первой кваки на первом Pentium! Кстати, про 3D на мобильных телефонах я писал отдельную статью, там в практической части мы пишем 3D-бродилку для Sony Ericsson!

Но помимо кнопочных телефонов, существовал сегмент High-end мультимедийных устройств, которые предоставляли гораздо больший функционал и производительность за немалые деньги. И речь, конечно же, о КПК! Девайсы, работавшие на базе шустрых процессоров Intel PXA и Samsung S3C с Windows Mobile на борту были заметно более перспективными для игр… но как-то не задалось из-за отсутствия нормальных каналов для распространения. Но тем не менее, Intel (иронично, но один из самых больших производителей ARM-чипсетов для КПК в те годы), которая уже занималась развитием десктопной графики GMA и PowerVR активно работали в этой сфере и результатом стало появление видеоускорителя 2700G, который представлял из себя не только 3D GPU PowerVR MBX Lite, но и аппаратный декодер видео, позволявший смотреть видео в высоком качестве! MBX Lite позволял запустить даже Quake 3 в 640x480 (!), пусть и в 10-15 FPS… Ещё за 5 лет до этого, далеко не все десктопные видеокарты могли выдать больше 30 FPS в 800x600!

Конечно в 2004 году уже вышел PSP, выставивший новую планку уровня 3D-графики для портативного гейминга, однако для смартфонов и КПК, уровень графики, разрешение и производительность 3D-игр на MBX Lite был просто немыслимым! Одним из самых легендарных и популярных устройств с 2700G, которое вы можете приобрести достаточно дешево и сейчас, был КПК Dell Axim X51v, флагманская модель с VGA-дисплеем тех лет. Но нельзя сказать, что только PowerVR работала в этом направлении. Параллельно NVidia выпустили GoForce, крайне редко попадающийся в «полноценном» виде (NVidia предлагала дешевле лицензировать только видео-декодер с отключением 3D-части, как это было в Toshiba Portege G900) и ATI Imageon, который чаще всего можно встретить в виде Adreno на ранних Android-чипсетах Qualcomm (Adreno — анаграмма Radeon :)).

Тем не менее, решение PowerVR было действительно массовым: компания не предлагала отдельный чип (что обычно было дороже), как конкуренты, а лицензировала другим компаниям уже готовые IP-ядра, которые производители чипов могли синтезировать и использовать в своих собственных чипсетах, или, сопроцессорах, как в случае с 2700G. Благодаря этому, MBX появился в чипсете TI OMAP 2430, использовавшийся в легендарных Nokia N93i и Nokia N95, Samsung INNOV8, Asus Lamborghini, Nokia E90 и некоторых других. Кроме того, PowerVR MBX использовался в процессоре Samsung S5L8900, судя по всему, разработанный для iPhone 2G и 3G! Благодаря этому, его можно считать одним из первых массовых 3D GPU в телефонах!

Весьма симпатично, согласитесь?

Но MBX, конечно же, не появился «из ниоткуда» и был основан на более ранних разработках компании Imagination Tech, а именно GPU из полноценной домашней консолиSEGA Dreamcast— PowerVR CLX2, который в свою очередь был основан на ранних десктопных GPU PowerVR из середины-конца 90-х годов. Основная фишка PowerVR была в использовании так называемой техники отложного тайлового рендеринга (TBDR), которая, в отличии от классической растеризации и сортировки с помощью Z-буфера (или ручной сортировки треугольников) всех примитивов «в лоб» (методика, используемая в PSP, PS2 и большинстве видеокарт 2000-х годов), сначала ждёт от программы списка всех рисуемых треугольников в кадре, разбивает весь экран на тайлы (небольшие прямоугольные области), которые содержат в себе информацию о пересекающихся треугольниках, а затем процессом, несколько схожим с рейтрейсингом, определяет, какой из пикселей треугольника ближе всего находится к камере наблюдателя. Таким образом, мы избавляемся от необходимости сортировки геометрии с помощью Z-буфера (который сам по себе занимает достаточно много, по меркам тех лет, памяти и страдает от проблем точности и Z-fighting'а), а также такой метод позволяет реализовать более дешевый альфа-блендинг без ручной сортировки полупрозрачных примитивов и имеет ещё одну приятную фишку — «бесплатный» Occlusion Query, который можно использовать для реализации продвинутых техник отсечения невидимой глазу геометрии.

Производительность PowerVR MBX была весьма достойной для своих лет: при частоте работы в 200МГц, видеочип обеспечивал филлрейт в 100Мп, обрабатывал до 1млн треугольников в секунду. Нативным графическим API MBX был OpenGL ES 1.1 — специальная урезанная версия OpenGL для встраиваемых устройств, из которой выбросили все ненужное и которая заточена не только под floating-point, но и под fixed-point арифметику. В остальном, особо никаких отличий для программиста по сравнению с обычными GPU не было, можно было без проблем портировать уже существующие приложения для десктопого OpenGL для мобильные девайсы, чем и пользовались энтузиасты при портировании Quake 3 на Nokia E90, КПК и другие девайсы. Также, PowerVR MBX поддерживал D3DM — графический API Windows Mobile, о котором мы поговорим позднее.

Однако PowerVR MBX был GPU с фиксированным конвейером (FFP), а не программируемым, как принято в современных 3D-ускорителях. Что-же такое программируемый и фиксированный конвейер? Давайте разберемся:

К 2007 году, Khronos выпустили спецификацию второй версии OpenGL ES, которая добавляла в мобильные устройства поддержку программируемого конвейера и шейдеров. Таким образом, мобильные GPU всё ближе приближались к уровню консолей и могли выдавать вполне годную графику, близкую к консолям. Даже была когда-то такая консоль, как Zeebo, которая работала на базе смартфонного чипсета Qualcomm с графикой ATI Imageon (!). PowerVR уже в 2009 выпустила серию SGX, которая также использовалась в iPhone, iPad, многих Android-смартфонах и планшетах, а также PS Vita!

Но статья с пересказом фишек PowerVR MBX была бы не особо интересной без практической части с написанием 3D-игры под этот GPU с нуля! Поэтому предлагаю посмотреть на нашего сегодняшнего гостя, легендарный флагманский КПК Dell Axim X51v из далекого 2005 года! Для тех лет, это настоящий «жир»:

Его мне подарил мой читатель Сергей с Хабра, за что ему огромное спасибо! Девайс был в полной комплектации, даже с флэшкой и усиленной АКБ, которая до сих пор неплохо держит заряд, однако у него не работал тачскрин. Если вам интересен только процесс программирования игры, а не аппаратного ремонта, то листайте ниже сразу до следующего абзаца :)

По факту, девайс полностью работал, однако в некоторые моменты времени не откликался на кнопки и тачскрин, и по всем симптомам это напоминало дребезг кнопок. При этом тачскрин сам по себе реагировал нормально во всех местах, что, фактически, исключало вероятность его поломки (хотя резистивные тач-панели сами по себе не особо надежные, в отличии от емкостных тачскринов). Дело было вот в чём: во многих КПК тех лет был отдельный аппаратный переключатель блокировки клавиатуры и тачскрина, который можно было использовать при просмотре фильмов. Однако на моем девайсе он был слишком разболтанным…

Разбирается КПК несложно: выкручиваем 4 винта и снимаем переднюю часть корпуса. На всякий случай я прочистил грязь между тачем и верхней частью корпуса — она тоже бывает влияет на ложные нажатия и чувствительность тачскрина:

А вот и виновник наших проблем: рычажок переключателя был отломан, но все еще находится в положении «разблокирован». Даже если в выжать в упор — он все равно не работал. Ну что ж, фен в руки, сдуваем переключатель и ставим вот такую перемычку (на фото флюс ещё не отмыт):

Включаем девайс и смотрим — теперь всё работает! Вот такой простой и быстрый ремонт Axim'а. КПК мне сразу очень понравился, я и ранее знал о его легендарности, но теперь узнал и о том, что он очень круто спроектирован и собран! Кстати, есть смысл сразу сдуть концевой выключатель, который прижимает задняя крышка и заменить на перемычку.GPU не очень хорошо работает на кастомных прошивок, на которую прошиты многие Axim X51v. Поэтому есть смысл прошить сток: качаем прошивку (Файл отката), закидываем на SD-карту и ребутим девайс нажатием клавиш Wi-Fi + включение + Reset. После этого, девайс пойдет прошиваться.

Теперь девайс чистый, как с завода! Можно приступить к написанию небольшой демки-игрушки, которая сможет продемонстрировать нам перспективы нашего КПК в 3D!

Изначально, в практической части статьи должна была участвовать не менее легендарная Nokia N95. Однако вот незадача: несмотря на то, что под Symbian сохранился SDK (который работает нормально только подWindows XP), на устройствах с системой старше 9.x необходимо взламывать installserver, дабы иметь возможность ставить хоумбрю программы (к которым относится и наша игра) и отладчик TRK.

И хотя свой девайс я пропатчил, дебаггер нормально поднять мне так и не удалось. Я смог проинициализировать контекст GLES, запилить примитивный рендерер с загрузкой ассетов из памяти устройства но потом решил перевести проект на WinMobile… Проблем с разработкой под Symbian много: если приложение крашится — то оно просто закрывается, без сообщений и логов. Добавьте к этому то, что в Symbian вообще нет исключений и не всегда можно записать ошибки в лог и отладка превращается в ужас. Ситуацию исправляет Qt, который работает на N95, но в котором нет поддержки GLES (по крайней мере, в виде обычного QOpenGL, хотя возможность юзать API системы из Qt есть и дебаггер там работает нормально, так что не всё потеряно). Если вы когда-то что-то пилили под Symbian, особенно в Carbide — пишите свой опыт в комментариях, интересно почитать :)

WinMobile не менее интересен тем, что в нём поддерживается сразу два графических API: классический OpenGLES в профиле Common Lite (только fixed-point арифметика) и мобильная версия Direct3D — D3DM.dll, которая предоставляет API очень похожее на DX9, но без поддержки шейдеров. Что не менее приятно — есть официальные биндинги от Microsoft к D3DM в .NET Compact Framework, что позволяет легко писать 3D-игры под WM на C#/VB.NET.Поскольку WinMobile — достаточно открытая для пользователя система, хватит лишь накатить VS2005/2008 на машину с WinXP/WinVista/Win7/Win8 и сразу начать разрабатывать под неё приложения, никаких проблем с отладкой и запуском приложений тут нет. На Win10/Win11 совместимость с WM5 поломали :(

Создаём приложение для смарт-устройств, выбираем в качестве целевой платформы WM5-устройство (эмулятор будет слишком медленным для наших целей, он даже для 2D-игр не подойдет) и, наконец-то, приступаем к написанию игры!

Что же за игра у нас будет? Я решил сделать эдакое 3D-переосмысление популярного в прошлом бесконечного раннера из «тетриса», где мы едем на машинке F1 и обгоняем другие машины, стараясь в них не врезаться. Основной целью является набрать как можно больше очков. Подобные игры достаточно популярны на мобильных девайсах и сейчас: вспомнить хотя-бы Highway Traffic, однако мой вариант будет весьма колоритным: ведь в моей демке мы будем кататься на ТАЗе 21099 и уворачиваться от гнилых «вторых гольфов». Ну а почему бы и нет, я просто очень люблю старые гнилые жигули и это не первый мой проект про машины этого производителя :)

Как и у настоящей машины, у каждой игры должен быть собственный движок! Однако в случае конкретно нашей игры, это скорее небольшой фреймворк, который предоставляет ровно тот функционал, который нужен игре без каких либо излишеств. Необходимо изначально распланировать требования для будущего фреймворка, дабы написание игры не скатилось в процесс, известный в узких кругах как «движкописание» :)

Начинаем, пожалуй, с реализации рендерера. Сначала нам необходимо создать окно и контекст D3DM. Процесс практически идентичен D3D8 и D3D9: передаём информацию о нужном адаптере (видеочипе) и заполняем структуру PresentationParameters, однако есть важные нюансы: аппаратный FSAA лучше всего отключить (MultisampleQuality), а также передавайте точный размер окна, в которое собираетесь рендерить изображение, иначе система начнёт софтварно (!) скейлить рендертаргет до размера окна каждый кадр, что, как сами понимаете, крайне медленно.

Из форматов Depth-Stencil форматов поддерживается D16, D24S8 и D32. Желательно использовать D16 (несмотря на тайловую архитектуру, насколько мне известно, в MBX все равно есть fallback до классического рендеринга при некоторых условиях). Практически на всех КПК и коммуникаторах использовался 16-битный цвет, т.е RGB565, но можно указать Unknown — тогда GAPI подцепит тот формат пикселя, что используется в остальной системе.

Переходим сразу же к рисованию геометрии! Для начала рендеринга, нам необходимо подготовить состояние контекста: посчитать и установить матрицы вида (т. е. камеры) и проекции для трансформации геометрии, задать рендерстейты (список состояний, например нужно ли рисовать модельку с освещением, или нет), очистить экран и Z-буфер и установить параметры фильтрации текстур. Перспективная коррекция текстур — достаточно тяжелая операция и использовать её стоит лишь при необходимости:

Чтобы какую-то модельку нарисовать, нам нужно сначала её загрузить! Для возможности напрямую прочитать треугольники из файла и сразу записать их в вершинный буфер, я написал небольшой конвертер из формата SMD (GoldSrc) в собственный, очень простой и легковесный формат, который состоит из позиции вершины и её текстурных координат:

Обратите внимание, PowerVR MBX оперирует fixed-point арифметикой! D3DM, конечно, может автоматически преобразовывать float-координаты вершин в числа с фиксированной точкой, вот только реализовано это криво и косо: драйвер будет конвертировать все вершины в fixed-point каждый вызов отрисовки, вместо того, чтобы один раз преобразовать их после Unlock'а вершинного буфера. Теперь представьте, насколько это тормозно для хоть сколь-либо комплексной модели :)

При этом загрузчик модели при таком подходе будет очень простым и будет работать шустро даже на таком слабеньком железе:

Переходим к текстурам. Грузить напрямую png/jpg на КПК слишком долго, поэтому их я тоже перегоняю в собственный примитивный формат, который состоит из описания ширины/высоты, а также формата текстуры и собственно, самих пикселей. На данный момент поддерживаются только RGB565 текстуры — с ними MBX работает лучше всего:

Загрузчик тоже получился примитивным и шустрым донельзя, пусть и без какой либо компрессии. PowerVR MBX поддерживает собственный формат компрессии — PVRTC:

Переходим, наконец, к фактическому рисованию модели! Для этого мы строим мировую матрицу для трансформации нашей модели, а также задаем вершинный буфер для, собственно, вершинного конвейера и посылаем видеочипу команду отрисовки. ZBufferWriteEnable нужен для отрисовки геометрии без записи в Z-буфер, что можно использовать, например, для реализации скайбоксов:

И рисуем модельку:

Результат: у нас есть крутящийся кубик или любая другая произвольная 3D-модель!

Переходим к обработке ввода. Тут ничего сложного нет, ловим события KeyUp/KeyDown формы и назначаем виртуальным кнопкам их состояние.

Теперь мы сможем управлять нашей машинкой в игре (которой пока ещё нет). Самая-самая основа для реализации игры подобного плана у нас есть, пора переходить к геймплею!

Итак, как же игры подобного планы работают «под капотом»? По факту, обычно мы с вами никуда не едем: фоновые модели ландшафта и дороги просто скроллятся и телепортируются друг за другом, когда одна из частей уходят за экран, что создаёт эффект бесконечной дороги. И эта техника используется во многих играх! Что же касается машинок, от которых мы должны лавировать, то это не мы едем на них, это они едут на нас! По итогу создаётся эффект будто мы с вами куда-то едем и уворачиваемся от машинок, хотя на деле это не так!

Начинаем с реализации базовой вещи в архитектуре любой современной игры, а именно системы игровых объектов. В нашей игре нет необходимости в реализации сложного графа сцены с комплексной компонентной системой, или, например, ECS. Хватит классического линейного списка игровых объектов (который использовался, например, в Half-Life), по которому объект World проходится каждый кадр, вызывая необходимые функции для обновления состояния объекта и его отрисовки:

Самым первым нашим объектом будет машинка игрока, которой можно будет управлять! Модельки я взял лоуполи со скетчфаба, вот ссылка на ВАЗ 21099 и VW Golf Mk2. Спасибо авторам моделей за их работу!

Наследуемся от Entity и реализуем абстрактные методы с логикой объекта. Здесь мы получаем состояние аппаратных кнопок влево и вправо, в зависимости от них вычисляем направление поворота машинки и, собственно, поворачиваем машинку путём сложения с координатой X вычисленного направления, помноженного на «скорость» поворота машинки. Для лучшего визуального эффекта, мы также плавно поворачиваем машинку эффектом а-ля EaseIn/EaseOut:

Теперь нам нужно, чтобы машинка где-то «ездила». Для этого мы моделируем в блендере примитивный кусок дороги с элементами ландшафта:

А затем реализуем примитивный рендерер фона, который будет скроллить два одинаковых seamless-куска уровня и как я уже говорил ранее, просто телепортировать их друг за другом, создавая эффект бесконечности.

Где terrain.mdl — окружающий ландшафт, а road.mdl — собственно, сам меш дороги. Получаем вот такой эффект:

Артефакты на видео — следствие проблем с точностью float у MBX Lite в процессе клиппинга геометрии при ближней плоскости отсечения в 0.1f. Меняем на 1.0f и всё снова работает нормально :)Чуть изменяем проекцию, переместив камеру выше и наклонив на 45 градусов и игра уже похожа на Traffic Racer!

Переходим к реализации машин трафика. Модельки их машин будут загружаться при старте игры:

А сама их логика предельно проста. При спавне, машинка выбирает себе полосу, по которой будет ехать и рандомный множитель скорости, который вносит разнообразие в игру:

А при обновлении, машинка просто продолжает ехать вниз! Логика простая до жути, даже без перестроений.

Переходим к обработке столкновений. Помним, что мы на этапе конвертации моделей посчитали Axis Aligned Bounding Box для каждой модели? В качестве алгоритма мы будем использовать классический AABB — или Rect vs rect:

Теперь для проверки столкновения между ними, нам надо посчитать абсолютный Bounding Box для каждого игрового объекта:

Затем итерируемся по списку всех игровых объектов в сцене, и если у нас есть машинка трафика, то проверяем на столкновение с машинкой игрока. Если столкнулись, то помечаем машинку игрока как разбитую и предлагаем игроку рестартнуть игру.

Уже что-то немного похожее на игру. Добавим конечное препятствие — необходимость рестарта при столкновении с другой машинкой и для демки пока-что хватит.

Вот что у нас получилось:

Правда, что на МКАДе каждый вечер такое? Я просто не с МСК :)

Вот такой у нас получился материал про PowerVR MBX! С выходом iPhone, этот GPU дал толчок для появления красивых мобильных игр с уровнем графики, близким к полноценным домашним консолям… жаль, что золотая эра интересных, самодостаточных и бездонатных мобильных игр и закончилась во времена iPhone 5 :(

В остальном же, надеюсь материал был достаточно интересен и познавателен для всех моих читателей, даже тех, кто никогда не программировал игры! Был у вас Dell Axim X51v? Пишите в комментариях!

Исходный код демки и бинарники можно найти на моём гитхабе. А ещё у меня есть Telegram-канал, куда я выкладываю бэкстейдж статей и ссылки на новый материал!

Друзья! На проект с покупкой ТАЗа и его электронным дооснащением "подручными средствами за копейки" с разработкой бортового компьютера уже собрано 50.000 рублей, из них 45.000 - моих личные накопления и 5.000 рубелй донаты читателей - за что вам большое спасибо!

Статья подготовлена при поддержке Timeweb.Cloud. Подписывайтесь на меня и Таймвеб, дабы не пропускать новые статьи каждую неделю!

#monobogdan_ништячки #девайсы #гаджеты #dell #dell_axim #x51v #opengl #gles #direct3d #d3d #directx #windows_mboile #wm #игры #геймдев #gamedev #разработка_игр #разработка #.net #csharp #с_нуля #движок #игра