Motor de videojuego

Un motor de videojuego (en inglés game engine), es un entorno de desarrollo que proporciona herramientas para la creación de videojuegos.^[1]​^[2]​

Su función principal es dotar al videojuego de un motor para renderizar gráficos 2D y 3D, un motor físico que simule las leyes de la física y detección de colisiones, y herramientas para poder crear las animaciones, scripts, sonidos, inteligencia artificial, redes, gestión de memoria, y demás sistemas del videojuego.^[3]​

El término motor de videojuego fue acuñado a principios de los 90, asociándolo especialmente al inicio de los videojuegos en 3D, como los juegos de tiros en primera persona. Sin embargo, el primer motor de videojuego en 3D del que se tiene conocimiento fue Freescape Engine, desarrollado por Incentive Software en 1986.^[4]​ Hoy en día, adquirir un motor de videojuego varía mucho dependiendo de su origen:^[2]​^[5]​^[6]​ pueden ser de código abierto,^[3]​ shareware o pago,^[7]​ manejando todo tipo de valores.^[8]​ El proceso de desarrollo de un videojuego puede variar notablemente y es bastante común que los desarrolladores (a fin de solventar gastos) opten por reutilizar o adaptar un mismo motor de videojuego para crear diferentes videojuegos.^[3]​^[9]​^[10]​ Del mismo modo, existen motores de videojuegos que operan tanto en consolas de videojuegos como en sistemas operativos.

Los motores de videojuegos suelen proporcionar un conjunto de herramientas de desarrollo visual y componentes de software que puedan ser reutilizables.^[6]​ Estas herramientas generalmente se proporcionan en un entorno de desarrollo integrado que permiten crear videojuegos de forma rápida y simple a través de una base de datos.^[3]​^[5]​ En otros casos, los motores se distribuyen con una interfaz de programación de aplicaciones (API) incorporada;^[11]​ y otros motores, sin embargo, se distribuyen como un conjunto de herramientas que agilizan y simplifican aún más el desarrollo de un videojuego, como por ejemplo: los entornos de desarrollo integrado, scripts preprogramados, y los middlewares (capaces de interconectar varios programas). Esto resulta útil a la hora de conseguir una plataforma de software flexible y reutilizable que evite la compra de otros recursos ajenos, lo cual ayuda a tener todo lo necesario para hacerlo funcional de manera inmediata, reducir los costos, complejidades y tiempos de comercialización. Todos estos factores son críticos en una industria altamente competitiva.^[12]​ A partir de 2001, Gamebryo, JMonkeyEngine y RenderWare eran programas de middleware ampliamente utilizados.^[13]​ Actualmente, se pueden citar motores como Torque Game Engine, Unity, CryEngine y Unreal Engine.^[3]​^[9]​^[14]​

Un motor de videojuego se puede dividir en dos grandes categorías: motor gráfico y motor físico. Los motores gráficos tratan el aspecto visual del videojuego, que generan imágenes sintéticas intregrando o cambiando información visual y espacial. Como ejemplo, se puede citar: OGRE 3D, Crystal Space y OpenSceneGraph. Los motores físicos se ocupan de integrar las leyes de la física, siendo responsables de simular acciones reales, a través de variables como la gravedad, la masa, la fricción, la fuerza y la flexibilidad.^[1]​ Como ejemplo, se puede citar: Havok, Bullet y ODE.^[9]​

A pesar de la especificidad del nombre, los motores de videojuego también se utilizan para crear otros tipos de aplicaciones interactivas denominadas como "juegos serios",^[15]​^[16]​^[17]​ tales como visualizaciones arquitectónicas,^[18]​ educación,^[19]​^[20]​ avances científicos,^[21]​ simulaciones de entrenamiento,^[22]​^[23]​ herramientas de modelado^[18]​ y simulaciones físicas para recrear animaciones.^[24]​

Los motores de videojuegos que proporcionan abstracción de hardware^[25]​^[26]​^[27]​ le permiten a un programador desarrollar videojuegos sin la necesidad de conocer la arquitectura del hardware de la plataforma donde va a trabajar (este puede ser un videojuego o un sistema operativo). Por este motivo, muchos motores se desarrollan a partir de una API existente, como OpenGL, DirectX, OpenAL y SDL,^[5]​ o incluso desde otro motor, que puede facilitar su desarrollo. La abstracción de hardware también es esencial para el desarrollo de motores con características multiplataforma.

Antes de la aceleración por hardware en los gráficos 3D se utilizaba la renderización por software;^[28]​^[29]​ el cual se sigue utilizando en ciertas herramientas de modelado y renderizadores de imágenes, donde es prioridad la calidad gráfica o cuando el hardware no es compatible con cierta tecnología, como los sombreadores.

Antes de que existieran los motores de videojuegos, estos eran típicamente desarrollados como entidades singulares (no había separación de áreas, como la gráfica y la física): un juego para el Atari 2600, por ejemplo, tenía que ser planeado desde cero, manteniendo el código más simple posible y manipulando píxel por píxel, para hacer un uso optimizado del hardware, debido a sus limitaciones;^[30]​^[31]​ pero no fue sino hasta la década de los noventa cuando se originó el término motor de videojuegos dentro del contexto de los juegos de tiros en primera persona. La gran popularidad que alcanzaron los juegos Wolfenstein 3D, Doom y Quake^[32]​ se debe principalmente a que, en lugar de crear un videojuego desde cero, se licenciaron los núcleos del mismo para utilizarlos como base y crear sus propios motores de videojuego. Al madurar esta tecnología, los motores de videojuego dejaron de restringirse al mero desarrollo de videojuegos. Se comenzaron, de hecho, a implementar en otras áreas, como entrenamiento profesional, uso médico y simulaciones militares.^[33]​

Si bien el término se acuñó en los años 1990, existen antecedentes de otros sistemas en los años 80 que también se los consideran como motores de videojuego, tales como Sierra's AGI y SCI Systems, LucasArts 'SCUMM y Freescape Engine. Sin embargo, a diferencia de la mayoría de los motores de videojuego modernos, estos nunca se tercerizaron, con excepción de SCUMM System que fue licenciado y utilizado para Humongous Entertainment. El primer motor de videojuego en 3D que se utilizó para crear juegos de PC fue el Freescape Engine,^[10]​ desarrollado por Incentive Software en 1986, utilizado para crear juegos de disparos en primera persona a partir de 1987.^[34]​

A pesar de que ya se habían creado videojuegos mucho antes de la creación de una API como DirectX y OpenGL, su creación impulsó la evolución de las tecnologías usadas en videojuegos y ayudó a desarrollar ese mercado.^[35]​ La primera versión de DirectX fue lanzada el 30 de septiembre de 1995 bajo el nombre de Windows Games SDK. Fue el componente de Win32 API quien reemplazó a DCI^[36]​ y WinG de Windows 3.1. Después de ser creado, DirectX ha estado presente en todas las versiones de Microsoft Windows, que se inician con Windows 95, incorporando contenido multimedia de alto rendimiento. Eisler escribió en su blog sobre la odisea de construir DirectX 1 hasta su quinta versión.^[37]​ A pesar de que OpenGL se creó primero (enero de 1992), DirectX tuvo (y aún tiene) más aceptación en el área de desarrollo de videojuegos.^[38]​

Durante mucho tiempo, las compañías han hecho sus propios motores de videojuego.^[32]​ Pero con el paso del tiempo, el costo para su creación fue aumentando y, por ese motivo, varias compañías comenzaron a especializarse exclusivamente en construir motores de videojuego, o recursos para los mismos, y así poder venderlos a otras compañías. La razón es porque se requiere mucho tiempo y dinero para que una compañía, además de producir su propio motor de videojuego, tenga que construir posteriormente un videojuego propio.

Los motores de videojuego modernos son una de las aplicaciones más complejas que existen actualmente.^[7]​^[10]​ Su continua evolución ha creado una fuerte separación entre algunas de sus áreas fundamentales, como la renderización, el scripting, los conceptos artísticos y el diseño de niveles; sin embargo, el aspecto que sí tienen en común hoy en día, es el de tener artistas como programadores.^[39]​ Como la mayoría de los videojuegos actuales están cada vez más limitados al poder de la GPU y PPU, las pérdidas de rendimiento en lenguajes de programación de alto nivel, como C#, Java y Python ya no son válidas, mientras que las ganancias de productividad ofrecidas por estos lenguajes trabajan en beneficio de quienes desarrollan motores de videojuegos.^[40]​^[41]​

Los precios de los motores de videojuegos varían mucho debido al gran crecimiento que produjo la industria de los videojuegos. En ese sentido, las ganancias en 2007 fueron de 9 500 millones de dólares, superando la industria cinematográfica.^[42]​ Los ingresos brutos en 2007 alcanzaron los 18 800 millones de dólares,^[43]​ y diez años después, en 2017, alcanzaron los 36 000 millones de dólares.^[44]​

Los motores de videojuegos en primera persona son los más populares y conocidos. Mientras que los videojuegos de estrategia en tiempo real y los simuladores de vuelo apuestan en la calidad gráfica, los motores de videojuegos en primera persona apuestan más a la acción, siendo Doom el más conocido; y son importantes porque marcan un inicio histórico en la creación y el uso de motores de videojuegos.

Las mejoras de GPU como Shader Model 3 y Shader Model 4, posibilitó mejoras a nivel gráfico. A partir del 2009, se anunciaron dos importantes avances en los principales motores de videojuegos existentes hasta la fecha: id Tech 5 (que fue usado por primera vez en Rage, y cuenta con una nueva tecnología llamada texturización virtual),^[45]​ y CryEngine 3, que fue utilizado para desarrollar el videojuego Crysis 2.

Pocas empresas han discutido qué planes tienen programados para el futuro en cuanto al surgimiento de nuevos motores. Sin embargo, el id Tech 6, eventual sucesor del id Tech 5, es una excepción. La información preliminar sobre este motor (que todavía está en fase inicial de desarrollo) sugiere que id Software está investigando cómo poder integrar la tecnología trazado de rayos y la rasterización gráfica.^[46]​ Se ejecutará a través de una renderización geométrica representada por vóxeles (en lugar de triángulos) almacenados en un árbol octal. John Carmack afirma que este procedimiento será una manera más eficiente para almacenar los datos en 2D, así como los datos geométricos en 3D, al no tener problemas de almacenamiento.^[46]​

Los componentes que posee un motor de videojuego en la actualidad tienen una gran variedad de características muy diferentes entre sí. En principio, pueden distinguirse cinco grandes áreas:

La lógica del videojuego debe ser implementada a través de diversos algoritmos.^[47]​^[10]​ Es una estructura distinta de cualquier trabajo de renderizado o de sonido.

La renderización es el proceso en el cual se generan los gráficos 3D por computadora a fin de mostrar en pantalla el aspecto visual del videojuego.^[7]​ Genera gráficos en 3D por varios métodos (como la rasterización gráfica, el trazado de rayos, la partición binaria del espacio, entre otros) y se ocupa de mostrar escenarios, modelos, animaciones, texturas, sombras, iluminaciones y materiales.^[6]​

La mayoría de las veces el renderizado se basan en una o varias API, como Direct3D, OpenGL o Vulkan,^[7]​ que proporcionan una abstracción del software en la GPU. Las bibliotecas de bajo nivel como DirectX, Simple DirectMedia Layer (SDL) y OpenGL también se usan en videojuegos, ya que proporcionan acceso independiente del hardware. Con la llegada del procesamiento de físicas por aceleración de hardware, varias API como PAL y las extensiones COLLADA están disponibles para proporcionar una abstracción de software en la PPU de diferentes proveedores de middleware y de videoconsolas.

Todo elemento que tenga una composición tridimensional es clasificado por polígonos. Es el procedimiento más primitivo en la creación de un mundo tridimensional y su complejidad geométrica varía de acuerdo a las capacidades técnicas del hardware.^[5]​ Dicha complejidad se puede clasificar en una composición poliginal baja, media y alta. Esto dará como resultado un determinado nivel de detalle y distancia de dibujado.^[5]​

Nivel de detalle y distancia de dibujado

Imagen
Vértices	~5500	~2880	~1580	~670	140
Notas	Detalle Máximo. Jugador cerca del objeto.				Detalle Mínimo. Jugador muy lejos del objeto.

El audio de un videojuego se llega a manejar de muchas maneras y esto depende de las capacidades que tenga el motor. Hoy en día los motores de última generación soportan muchos formatos de sonido, siendo los más populares el WAV y el OGG. En algunas casos, los motores de videojuegos pueden exigir configuraciones exactas, aunque el método más conocido es la administración de audio mediante el bucles de música, o bien modificar el tono cuando se trata de voces o efectos de sonido.

Los componentes en relación con el audio se encargan de manipular algoritmos que tienen que ver con la carga, modificación y salida del audio a través del sistema de altavoces del usuario.^[1]​ Como mínimo, debe poder cargar, descomprimir y reproducir archivos de audio.^[1]​ Los componentes de audio más avanzados pueden calcular y producir cosas tales como efectos Doppler, ecos, ajustes de amplitud y tono, entre otros. Las API de abstracción, como OpenAL, SDL Audio o DirectSound permiten manipular fácilmente estos fenómenos.

El motor físico es responsable de emular las leyes de física en forma realista dentro del motor de videojuego.^[1]​ Específicamente, proporciona un conjunto de funciones para simular acciones reales a través de variables como la gravedad, la masa, la fricción, la fuerza, la flexibilidad^[1]​^[5]​ y las colisiones, actuando sobre los diversos objetos dentro del juego al momento de su ejecución.

La inteligencia artificial es quien provee de estímulo al videojuego. Su elaboración es crítica a la hora de lograr un sistema de juego pulido y que entretenga. Puede tornarse muy compleja^[5]​ y es necesario tener en cuenta ciertas variables, tales como crear comportamientos programados, delimitar su visión del mundo tridimensional, su interacción en él, la toma de decisiones y con ello lograr una consistencia lógica y coherente en la que el jugador debe responder de una manera esperada.

Procedimiento que se utilliza normalmente en situaciones donde es necesario explicar algo de manera controlada.^[1]​ Actualmente se las utiliza a fin de representar la historia que tendrá el videojuego, permitiéndole al desarrollador tomar el control de la escena y manipularla,^[5]​ tales como colocar objetos o añadir eventos que el jugador no controla.