vignette|Diagramme montrant les nombreux composants systèmes avec lesquels un moteur de jeu est amené à interfacer sur Linux.
Un moteur de jeu est un ensemble de composants logiciels qui effectuent des calculs de géométrie et de physique utilisés dans les jeux vidéo. L'ensemble forme un simulateur en temps réel souple qui reproduit les caractéristiques des mondes imaginaires dans lesquels se déroulent les jeux. Le but visé par un moteur de jeu est de permettre à une équipe de développement de se concentrer sur le contenu et le déroulement du jeu plutôt que la résolution de problèmes informatiques.
Le moteur 3D crée des images par des calculs de projection, tandis que le moteur 2D construit l'image du jeu par empilement d'images matricielles. Le moteur effectue le mixage des bruits et de la musique tout au long du jeu. Les possibilités de scriptage des moteurs de jeu permettent de simuler le comportement des personnages non-jouables avec peu ou pas de programmation et le moteur physique sert à appliquer des règles de physique telles que l'inertie ou la pesanteur dans le but d'obtenir des mouvements plus réalistes.
Origines La notion de (en français moteur de jeu) est apparue dans les années 1990, en référence aux logiciels utilisés dans les jeux de tir à la première personne tels que Doom. L'architecture de Doom faisait une distinction claire entre les composants moteur du jeu et les ressources numériques propres à Doom telles que les graphismes, les sons, la musique, les scènes et les règles de déroulement qui reproduisent l'ambiance du jeu. Les composants du moteur ont ainsi pu être réutilisés, moyennant des modifications mineures, dans des jeux comportant d'autres armes, d'autres ennemis et d'autres règles de jeu, ce qui a permis de mettre sur le marché de nouveaux jeux plus rapidement qu'auparavant; le jeu (1994) réutilise par exemple le moteur de jeu de Doom.
Vue générale Dans les jeux vidéo modernes, il existe des ensembles principaux parfois gérés par des moteurs distincts, chacun concernant une fonction spécifique du développement : le système (entrée/sortie, interface utilisateur, mémoire, etc.), le graphisme, le son, le réseau (pour les jeux multijoueurs), la physique et l'intelligence artificielle. Un moteur de jeu est un ensemble des moteurs spécialisés nécessaires à la réalisation d'un jeu. Par exemple la société Epic Games commercialise le moteur de jeu Unreal Engine. La gestion de la physique d'un moteur de jeu peut elle-même être assurée par un autre moteur Havok, spécialisé en physique et développé par une société tierce, racheté par Microsoft.
Un studio de création de jeux doit donc décider s'il préfère acheter ou développer tout ou partie des moteurs nécessaires au développement de son jeu. Le rôle des moteurs de jeu ne cesse de grandir, notamment depuis l'essor des jeux en 3D dans les années 1990. L'investissement que représente en effet le développement des moteurs de jeu ne cesse de croître et rend délicat voire impossible l’amortissement de ceux-ci sur une unique production.
Liste de moteurs de jeu
Parmi les moteurs de jeu les plus utilisés ou remarqués ces dernières années, on citera (liste non exhaustive) : le Renderware, les différents Unreal engine, Unity, Quake engine, le Source engine, le CryEngine, le Torque Game Engine, RealityEngine, Novodex, Antiryad Gx, etc.
Parmi les moteurs de jeu en logiciel libre, on peut citer : Nom Langage principal Bibliothèque graphique Bibliothèque audio Notes Bevy Rust OpenGL ? Blender Game Engine Python OpenGL OpenAL construit autour de Blender Cube Engine ? OpenGL ? Moteur pseudo 3D Godot GDScript, variante de Python OpenGL et OpenGL ES) ? orienté 2D et 3D LÖVE Lua OpenGL ? Orienté 2D avec extensions 3D. Luxe ou LuxeEngine Haxe WebGL ? Armory ou Armory Engine Haxe OpenGL,WebGL et Vulkan ? construit autour de BlenderGDevelopC++, JavaScriptWebGLHowlerjsOrienté 3D et 2D, avec ou sans programmation.
Framework Certaines entreprises sont maintenant spécialisées dans le développement de logiciels dits framework, c'est-à-dire fournissant des fonctions qui restent personnalisables. L'utilisation de tels produits vise à éviter de « réinventer la roue » et réutiliser une suite logicielle déjà éprouvée qui inclut plusieurs éléments nécessaires à la création d'un jeu. De nombreux logiciels de ce type dans le domaine du jeu vidéo fournissent des outils de développement pour les graphismes, les sons, la physique, et l'implémentation d'intelligences artificielles. Gamebryo et RenderWare sont deux représentants largement répandus.
Certains frameworks se focalisent sur un domaine étroit, par exemple SpeedTree est spécialisé dans la synthèse d'arbres et de plantes. Cette spécialisation lui permet de générer des images plus convaincantes que des moteurs plus généralistes.
Certains frameworks sont fournis avec tout le code source, d'autres avec la documentation de leur interface de programmation pour permettre leur réutilisation dans d'autres logiciels.
Fonctionnalités Chaque moteur de jeu est unique. Toutefois, on retrouve certaines fonctionnalités communes.
Entrées/sorties Cette partie s'occupe de la lecture des périphériques externes, plus ou moins courants selon les types de jeux : joystick (lecture de l'état des boutons et du ou des sticks) ; souris (lecture de l'état des boutons, du mouvement relatif, de la position) ; clavier ; , etc.
Elle est aussi chargée de la lecture des données du jeu, et de l'écriture des sauvegardes. Lecture/écriture depuis un disque dur. Lecture depuis un DVD, un CD ou un mini disk. Lecture/écriture depuis une carte mémoire.
C'est elle qui se chargera de compresser/décompresser les données du jeu (notamment pour accélérer les chargements). Elle sera aussi chargée de leur éventuel chiffrement/déchiffrement.
Mathématiques On y trouvera toutes sortes de fonctions mathématiques nécessaires à l'élaboration d'un jeu. Pour un jeu 3D, on y trouvera plus particulièrement :
les matrices. En général des matrices 3x4 ou 4x4 pour le stockage de l'orientation des objets (sur les trois axes), de leur échelle (sur les trois axes) et parfois aussi de leur position. La signification réelle des lignes et colonnes est directement liée au moteur et n'a pas toujours de base mathématique réelle. Certains stockeront une échelle uniforme sur la dernière colonne ou ligne, d'autres la translation, d'autres encore utiliseront des matrices de transformations plus complexes pour éviter les problèmes d'échelle dans le cas des matrices hiérarchisées. les quaternions. Ils servent au stockage des orientations ; ils sont beaucoup plus compacts que les matrices et supportent beaucoup mieux les interpolations. On les retrouve typiquement dans les animations, pour stocker l'orientation de chaque clef d'interpolation. les vecteurs. À deux, trois ou quatre dimensions. On parle de composantes x, y, z et w. La composante w n'est en général pas utilisée, et n'existe qu'à des fins d'optimisation sur les processeurs 128 bits.
On peut citer comme exemple de calcul très souvent effectué dans un moteur de jeu : le calcul de racine carrée inverse, la multiplication de matrices, l'inversion de matrices, le produit scalaire ou vectoriel.
Physique Le module de physique calculera le mouvement des objets, la manière dont ils interagissent les uns avec les autres, la manière dont ils glissent sur le sol ou sur les murs, la manière dont ils rebondissent, etc. C'est lui aussi qui calculera la déformation des objets mous, des cheveux, poils, vêtements et autres rideaux.
On peut distinguer trois grandes catégories de simulation :
la physique du point. C'est la plus simple. Un objet est formalisé par un seul point en mouvement avec une vitesse, une accélération, une friction, de la gravité, etc. En général, ce genre de physique se contente de déplacer les objets sans agir sur leur orientation ; la physique du solide. Chaque entité est formalisée par une ou plusieurs primitives géométriques (boîte, sphère, gélule, cylindre) ou même par une enveloppe (maillage quelconque) éventuellement convexe. La physique du solide est beaucoup plus réaliste (et donc complexe) que la physique du point puisqu'elle gère aussi l'évolution de l'orientation. Certains éditeurs se sont spécialisés dans la fabrication de modules de physique du solide pouvant être directement intégrés dans les moteurs existants. On citera par exemple Havok, Novodex, et dans le domaine du libre ODE ou Bullet ; la physique de particules. Elle s'apparente à la physique du point. Un volume est constitué d'un ensemble de particules (on parle aussi d'atomes) liées entre eux par des contraintes (le plus souvent des ressorts). Ce type de physique autorise la déformation et la rupture de volume. Elle est donc particulièrement bien adaptée à la simulation des tissus.
Détection des collisions La gestion des collisions est une couche logicielle qui permet de détecter lorsque deux objets se rencontrent et ainsi de pouvoir définir une action résultante ; c'est un problème difficile. Un objet est alors une représentation géométrique d'éléments du jeu (personnages, obstacle, projectiles…). Un module de collision est typiquement constitué d'un ensemble de fonctions mathématiques pour le calcul des intersections par paires de primitives géométriques : sphère contre sphère, sphère contre boîte, boîte contre triangle… Chacune de ces fonctions calculera selon les capacités du module le point d'intersection, la normale au point de contact, ainsi que la distance de pénétration des deux objets.
On distingue deux grandes catégories de collisions :
La détection sur modèle d'objets statiques, la plus simple, considère que deux objets sont en collision si au moment du traitement de la détection les deux objets se touchent. Comme le traitement est échantillonné régulièrement dans le temps, des objets en mouvement rapide ont très bien pu entrer en contact avec d'autres objets entre deux temps d'échantillonnage. La détection sur modèle d'objets dynamiques s'attache aussi au mouvement des objets. On traite la transition d'un instant échantillonné au suivant. Les calculs sont plus coûteux, mais ont l'avantage d'empêcher un volume en mouvement d'en traverser un autre sans que cela soit détecté. L'instant de la collision de deux objets peut être calculé plus précisément qu'avec la technique dite statique.
Selon le type de jeu l'une ou l'autre des approches est utilisée. Les moteurs de jeu en 3D actuels utilisent typiquement un mélange de ces deux méthodes. Pour optimiser les calculs de collision sur les formes complexes, les moteurs de jeu peuvent utiliser la notion de volume englobant et plus généralement de hiérarchie des volumes englobants. Le calcul rapide mais approximatif permet alors d'éliminer des états de non collision, dans le cas contraire un calcul exact est réalisé sur l'objet. La hiérarchie de volumes englobants rajoute seulement des étapes supplémentaires en subdivisant un objet en sous ensembles englobés dans une forme simple. Pour réduire le nombre de calcul de paire d'objets les moteurs recourent généralement à structurer l'espace en sous ensembles d'objets proches.
Graphisme en 3D
Dans les jeux en 3 dimensions, les scènes et les objets du jeu (monstres, véhicules, projectiles) sont enregistrés sous la forme des coordonnées en 3 dimensions de polygones — souvent des triangles. Chaque suite de polygones forme les contours des différents objets du monde du jeu. Le moteur 3D effectue des calculs de synthèse d'image en vue d'obtenir une projection en 2 dimensions du monde du jeu, projection qui sera envoyée à l'écran.