Khóa luận Xây dựng game engine đa nền tảng mô phỏng tự nhiên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Thái Dương XÂY DỰNG GAME ENGINE ĐA NỀN TẢNG MÔ PHỎNG TỰ NHIÊN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin HÀ NỘI - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Thái Dương XÂY DỰNG GAME ENGINE ĐA NỀN TẢNG MÔ PHỎNG TỰ NHIÊN KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: ThS. Vũ Quang Dũng HÀ NỘI - 2009 LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thạc sĩ Vũ Quang Dũng người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành khóa luận này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô đã giảng dạy tôi trong suốt bốn năm học vừa qua, đã cung cấp cho tôi những kiến thức quý báu và phương pháp tư duy đúng đắn để tôi có thể có được nền tảng vững chắc bước đi trên con đường của mình. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các bạn trong nhóm làm khóa luận đã giúp đỡ tôi thực hiện khóa luận này. Tôi cũng xin cảm ơn phòng thí nghiệm Toshiba đã giúp đỡ vào tạo cho tôi môi trường làm việc và học tập trong quá trình thực hiện khóa luận của mình. Và lời cuối cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè và những người thân đã luôn ở bên cạnh động viên, ủng hộ tôi trong những lúc khó khăn nhất, giúp tôi vượt qua được nhưng khó khăn trong học tập cũng như trong cuộc sống. Hà Nội, ngày 22 tháng 05 năm 2009 Sinh viên Trần Thái Dương TÓM TẮT Ngày nay, Game Engine là thành phần không thể thiếu trong bất cứ một quy trình phát triển trò chơi điện tử nào. Sức mạnh của trò chơi phụ thuộc chính vào sức mạnh của Game Engine được sử dụng để phát triển nó. Trong khóa luận này, tôi sẽ giới thiệu sơ lược kiến trúc chung của Game Engine đang được phát triển nằm trong dự án “Xây dựng Game Engine đa nền tảng” trong chương 1 và chương 2. Chương 3, sẽ được dành để trình bày các phương pháp triển khai các kĩ thuật được sử dụng để cung cấp khả năng mô phỏng các hiện tượng tự nhiên cho Game Engine, dựa trên mô hình quản lí khung cảnh 3D được trình bày trong khóa luận của bạn Trương Đức Phương và mô hình quản lí tài nguyên được trình bày trong khóa luận của bạn Hoàng Tuấn Hưng. Cuối khóa luận sẽ đưa ra một số thông tin chạy thử của các ứng dụng demo cho các kĩ thuật đã được triển khai. Qua đó đánh giá bước đầu về hiệu quả ứng dụng của các kĩ thuật đó. Cuối cùng tôi sẽ đưa ra định hướng tiếp theo sau khi hoàn thành khóa luận này. MỤC LỤC Chương 1. Đặt vấn đề ..................................................................................................2 1.1. Bối cảnh nghiên cứu .........................................................................................2 1.2. Mục tiêu ...........................................................................................................2 1.3. Giới thiệu chung ...............................................................................................3 Chương 2. Kiến trúc tổng thể .......................................................................................4 2.1. Thành phần Các kiểu dữ liệu cơ bản .................................................................5 2.2. Thành phần Giao tiếp với hệ điều hành.............................................................6 2.3. Thành phần Render Engine ...............................................................................7 2.3.1. Khái quát về Render Engine ......................................................................7 2.3.2. Kiến trúc của Render Engine .....................................................................8 2.4. Các thành phần còn lại......................................................................................9 Chương 3. Mô phỏng Tự nhiên .................................................................................. 10 3.1. Khái Quát ....................................................................................................... 10 3.2. Mô phỏng mặt nước........................................................................................ 11 3.2.1. Thiết kế cơ bản ........................................................................................ 11 3.2.2. Thiết kế chức năng................................................................................... 14 3.2.3. Triển khai lớp đề xuất: ............................................................................. 21 3.3. Hệ thống hạt ................................................................................................... 24 3.3.1. Thiết kế cơ bản ........................................................................................ 25 3.3.2. Thiết kế chức năng................................................................................... 26 3.3.3. Triển khai lớp đề xuất .............................................................................. 28 3.4. Địa hình.......................................................................................................... 31 3.4.1. Thiết kế cơ bản ........................................................................................ 33 3.4.2. Thiết kế chức năng................................................................................... 34 3.4.3. Triển khai lớp đề xuất .............................................................................. 38 Chương 4. Kết luận.................................................................................................... 42 4.1. Kết quả ........................................................................................................... 42 4.1.1. Mô phỏng mặt nước................................................................................. 42 4.1.2. Hệ thống hạt ............................................................................................ 43 4.1.3. Địa hình................................................................................................... 44 4.2. Hướng phát triển............................................................................................. 44 Danh Mục Hình Vẽ Hình 1: Kiến trúc phân tầng của GEM .........................................................................3 Hình 2: Kiến trúc tổng thể...........................................................................................4 Hình 3: Sơ đồ lớp của thành phần Các kiểu dữ liệu cơ bản ..........................................5 Hình 4: Quá trình điều phối event. ...............................................................................7 Hình 5: Kiến trúc phân tầng của Render Engine...........................................................8 Hình 6: Biểu đồ gói của Render Engine. ......................................................................8 Hình 7: Sơ đồ lớp cơ bản của package Mô phỏng Mặt Nước ..................................... 12 Hình 8: Quá trình hoạt động của package Mô Phỏng Mặt Nước................................. 13 Hình 9: Sơ đồ luồng thực hiện chức năng Tiền khởi tạo............................................. 14 Hình 10: Sơ đồ luồng thực hiện việc khởi tạo đối tượng WaterSceneNode................. 16 Hình 11: Sơ đồ tạo hiệu ứng tăng giảm cường độ sóng theo thời gian ........................ 17 Hình 12: Quá trình render normal map....................................................................... 18 Hình 13: Sơ đồ hoạt động của chương trình Render mặt nước ................................... 20 Hình 14: Sơ đồ lớp WaterParameters ......................................................................... 21 Hình 15: Sơ đồ triển khai lớp WaterEffect ................................................................. 22 Hình 16: Sơ đồ triển khai lớp WaterSceneNode ......................................................... 23 Hình 17: Thiết kế lớp cơ bản của hệ thống hạt ........................................................... 25 Hình 18: Sơ đồ thực hiện chức năng Khởi tạo đối tượng ParticleSystemSceneNode ..26 Hình 19: Sơ đồ cập nhật vị trí hạt............................................................................... 27 Hình 20: Sơ đồ hoạt động của chức năng Render Hệ thống hạt .................................. 28 Hình 21: Sơ đồ triển khai Lớp ParticleParameters...................................................... 28 Hình 22: Sơ đồ triển khai lớp ParticleEffect............................................................... 29 Hình 23: Sơ đồ quan hệ Lớp mô đun Hệ thống hạt..................................................... 31 Hình 24: Kiến trúc cơ bản của mô đun Địa hình ........................................................ 33 Hình 25: Sơ đồ hoạt động của mô đun Địa hình......................................................... 34 Hình 26: Luồng thực hiện chức năng khởi tạo............................................................ 35 Hình 27: Sơ đồ hoạt động của chức năng Cập nhật Clipmap...................................... 36 Hình 28: Sơ đồ hoạt động chương trình Render Block ............................................... 37 Hình 29: Triển khai Lớp TerrainParameters ............................................................... 38 Hình 30: Lớp TerrainEffect ........................................................................................ 39 Hình 31: Sơ đồ lớp TerrainSceneNode và các lớp thành phần. ................................... 40 Hình 32: Hình ảnh demo hệ thống hạt........................................................................ 43 Hình 33: Hình ảnh chương trình demo Mô phỏng mặt nước ...................................... 45 Bảng thuật ngữ và các kí hiệu viết tắt (nếu có) Thuật ngữ Ý nghĩa Viết tắt Animated Mesh Là một mesh được dùng để mô tả các đối tượng chuyển động. Bounding box Hình hộp bé nhất chứa trọn vẹn đối tượng 3D Bounding Sphere Hình cầu bé nhất chứa trọn vẹn đối tượng 3D clip space không gian tọa độ vertex được chiếu lên bởi camera clipmap là phương pháp lưu trữ tạm thời một bộ phận của nguồn dữ liệu có kích thước lớn Cube Map Là tập hợp 6 texture 2D được xếp liên tục trong 6 mặt của hình hộp Environment Map Là texture lưu trữ thông tin về ánh sáng phản xạ từ môi trường. Thường có dạng cubemap event Là đơn vị truyền thông liên tiến trình được gửi đến bởi Hệ điều hành fragment program chương trình shader xử lí các biến đổi đối với mỗi pixel. Graphic Processor Unit Đơn vị xử lí đồ họa, có nhiệm vụ render ra màn hình hình ảnh 3D GPU heightfield mảng lưu trữ giá trị độ cao heightmap texture lưu trữ giá trị độ cao của bề mặt địa hình local space không gian riêng của đối tượng 3D. Massively Multiplayer Online Role-Playing Game Trò chơi nhập vai trực tuyến nhiều người chơi MMORPG Mesh Mạng lưới các đa giác dùng để mô tả hình dạng của vật thể trong không gian 3 chiều. Message System Là hệ thống quản lí các thông điệp trao đổi giữa các tiến trình của Hệ điều hành normal map texture lưu giữ các giá trị các vector pháp tuyến trên bề mặt Occlusion culling Thực hiện cắt bỏ các đối tượng bị chắn bởi một đối tượng khác trong vùng quan sát offscreen render render nhưng hình ảnh được tạo ra không được vẽ lên màn hình Render Tái tạo hình ảnh phản chiếu 2D của đối tượng 3D trong camera. shader Là tập các chỉ lệnh cho GPU được dùng để render các hiệu ứng shading language ngôn ngữ được dùng để triển khai shader cho GPU Texture Các bức ảnh được dùng để dán lên các đối tượng 3D nhằm làm tăng độ chi tiết cho đối tượng Vertex Đỉnh trong không gian 3D vertex program chương trình shader xử lí các biến đổi đối với vertex. View Frustum Trường quan sát của camera View frustum culling Thực hiện cắt bỏ các đối tượng nằm ngoài vùng quan sát của camera world space không gian thế giới trong OpenGL 1 Mở đầu Hiện nay, cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp phần mềm, quy trình phát triển game cũng đã thay đổi rất nhiều. Thay vì phát triển các game dựa trên các giao diện lập trình đồ họa 3D cấp thấp, người ta thường phát triển Game Engine như là một hệ thống phần mềm trung gian cho quy trình phát triển game. Thực tế, ngành công nghiệp phát triển game không chỉ đem lại lợi ích lớn về kinh tế cho các công ty phát hành game mà nó còn thúc đẩy sự phát triển của phần mềm cũng như phần cứng máy tính. Đặc biệt là nó thúc đẩy sự phát triển của các kĩ thuật xử lí tái tạo thực tại ảo trở nên chân thực hơn và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác của đời sống xã hội như giáo dục, y tế... Ở Việt Nam hiện nay, MMORPG đang bùng nổ mạnh mẽ với số lượng người chơi đông đảo và thu hút người chơi ở nhiều đối tượng, lứa tuổi khác nhau. Tuy nhiên, người chơi vẫn thường phải chơi game được phát hành bởi các công ty nước ngoài hoặc game được phát hành bởi các công ty trong nước được phát triển bởi các công ty nước ngoài. Vì vậy nhóm chúng tôi đã bắt đầu thực hiện việc tìm hiểu và xây dựng một Game Engine dành cho việc phát triển MMORPG với mục tiêu mong muốn dần làm chủ được công nghệ xây dựng và phát triển game. Để mô phỏng khung cảnh ngoài trời của game, Game Engine phải cung cấp khả năng mô phỏng lại các hiện tượng tự nhiên đáp ứng thời gian thực. Vì đòi hỏi đó, tôi đã thực hiện khóa luận này với mục đích xây dựng mô đun Mô phỏng Tự nhiên trong dự án “Xây dựng Game Engine đa nền tảng”. Tuy nhiên, vì giới hạn về thời gian và kiến thức, hiện tại trong khóa luận này tôi sẽ chỉ diễn giải các phương pháp triển khai các kĩ thuật mô phỏng địa hình, mặt nước và hệ thống hạt. Với các chức năng đó, ta có thể tạo ra được khung cảnh 3D ngoài trời đơn giản từ Hai chương đầu của khóa luận dành để giới thiệu chung về Game Engine và kiến trúc tổng thể của nó. Nội dung chính phương pháp triển khai các kĩ thuật trong mô đun Mô phỏng Tự nhiên sẽ được trình bày chi tiết trong chương 3 của khóa luận này. 2 Chương 2. Đặt vấn đề 2.1. Bối cảnh nghiên cứu Ngành công nghiệp phát triển game trên thế giới đang phát triển như vũ bão. Cách đây 20 năm, game rất đơn giản và chỉ cần một người hoặc một nhóm nhỏ người phát triển nhưng ngày nay, các game hiện đại với đồ họa và khả năng tương tác ấn tượng thường được phát triển bởi một đội ngũ đông đảo người thiết kế game, lập trình viên, nghệ sĩ… trong thời gian ròng rã từ một đến ba năm. Chính việc game ngày càng trở nên phức tạp như vậy nên hiện nay, các game thương mại không còn phát triển từ nguyên thủy nữa mà được phát triển lên từ game engine. Game engine hỗ trợ việc xây dựng game một cách nhanh chóng, đơn giản hơn đồng thời cung cấp khả năng tái sử dụng code cao do có thể phát triển nhiều game từ một game engine. Ở Việt Nam, Game online mới chỉ thực sự thâm nhập vào thị trường cách đây 6 năm nhưng chỉ trong khoảng thời gian ít ỏi đó, chúng ta đã có một số lượng nhà phát hành game lên tới con số hàng chục, số game được phát hành cũng tương ứng với số lượng đó. Nhưng theo như chúng tôi được biết, gần như tất cả các game online đang được phát hành ở Việt Nam là được nhập khẩu từ nước ngoài, chủ yếu là Trung Quốc và Hàn Quốc ( trừ một số game nhỏ chơi trên web như đánh bài, đánh cờ ..) Một câu hỏi mà có lẽ tất cả những người chơi game đều trăn trở là “bao giờ mới được chơi game Việt Nam?”. Chúng tôi chọn đề tài này làm khóa luận tốt nghiệp không phải với một tham vọng quá lớn, chỉ là muốn đi những bước chân chập chững đầu tiên vào thế giới phát triển game rộng lớn, để thu lượm kiến thức về lĩnh vực khó khăn nhưng đầy thú vị này và hi vọng ở một tương lai không xa, chúng tôi có thể góp một phần sức lực giái đáp trăn trở của cộng đồng người chơi game Việt Nam. 2.2. Mục tiêu Xây dựng một Game Engine đa nền có thể chạy trên nhiều hệ điều hành khác nhau, hướng đến phân khúc phát triển game nhập vai trực tuyến (MMORPG). Game Engine này được đặt tên là GEM. Đây là mục tiêu dài hạn, còn hiện tại, do thời gian làm luận văn chỉ khoảng 5 tháng nên nhóm chúng tôi chỉ tập trung hoàn thiện thành phần Render Engine trong Game Engine (Xem chi tiết ở chương 2). 3 2.3. Giới thiệu chung Như đã giới thiệu ở trên, Game Engine là một lớp trung gian giữa game và nền tảng bên dưới, các thư viện lập trình cấp thấp. GEM là một game engine nên dĩ nhiên nó cũng tuân thủ theo nguyên tắc này. Đặc điểm đầu tiên của GEM là khả năng chạy đa nền. Để đạt được điều đó, GEM sử dụng các bản build trên các nền tảng khác nhau (không sử dụng thông dịch). Các đoạn code phụ thuộc nền tảng sẽ được phân chia bằng việc sử dụng các cờ tiền biên dịch, hạn chế tối đa việc sử dụng các lớp abstract – vì việc này sẽ làm giảm hiệu suất chương trình đáng kể Error! Reference source not found.. Cũng vì lí đo chạy đa nền nên hiện tại chúng tôi sử dụng openGL làm giao diện lập trình đồ họa 3D cấp thấp cho GEM, do chuẩn openGL là chuẩn mở và không bị phụ thuộc vào hệ điều hành. GEM được thiết kế hướng đối tượng và yêu cầu về hiệu năng chạy cao nên chúng tôi sử dụng ngôn ngữ C++ - ngôn ngữ đáp ứng hoàn hảo các điều kiện trên. Đa số các Game Engine trên thế giới hiện nay đều được phát triển bằng ngôn ngữ C++. Chúng tôi thiết kế GEM nhắm đến phân khúc phát triển MMORPG, nên khả năng tương thích với một phạm vi rộng cấu hình phần cứng là một điều kiện quan trọng. Mục tiêu thiết kế GEM là hoạt động được trên các GPU hỗ trợ openGL 1.4 và shader 1.0 trở lên. Bảng 1: Bảng GPU tối thiểu được hỗ trợ Hãng sãn xuất GPU hỗ trợ nVidia Từ GeForce4 Ti trở lên Hình 1: Kiến trúc phân tầng của GEM 4 ATI Từ Radeon 9500 trở lên Intel ( card tích hợp ) Từ Intel® GMA 3100 ( chipset G31,Q33) trở lên Chương 3. Kiến trúc tổng thể GEM là được chia thành nhiều thành phần để tiện cho việc phát triển và bảo trì. Cụ thể GEM gồm các thành phần như sau: Ghi chú : Do thời gian làm luận văn có hạn, chúng tôi mới chỉ hoàn thành những thành phần sau: Giao tiếp với hệ điều hành, Các kiểu dữ liệu cơ bản, Render Engine. Những thành phần này đủ để hỗ trợ người sử dụng tạo ra các khung cảnh 3D và tương Hình 2: Kiến trúc tổng thể 5 tác với chúng. 3.1. Thành phần Các kiểu dữ liệu cơ bản Các kiểu dữ liệu cơ bản là thành phần bao gồm các cấu trúc dữ liệu cơ bản như mảng động, vector, ma trận…, các phép toán trên các kiểu dữ liệu đó cung cấp cho thành phần khác sử dụng. Các kiểu dữ liệu này có thể chia thành 2 nhóm chính: 1. Các yếu tố không gian 3D ‒ Vector2, Vector, Vector4 : các loại vector biểu diễn tọa độ 2 chiều, 3 chiều và tọa độ đồng nhất. Hình 3: Sơ đồ lớp của thành phần Các kiểu dữ liệu cơ bản 6 ‒ Aabb (Axis aligned bounding box) : hình hộp chữ nhật có các cạnh dọc theo 3 trục xyz, được mô tả bằng 2 điểm (xmin, ymin, zmin ), ( xmax, ymax, zmax ) ‒ Sphere : hình cầu, được mô tả bởi tọa độ tâm và bán kính. ‒ LineSequent, Line, Ray : đoạn thẳng, đường thẳng, tia. ‒ Matrix : ma trận sử dụng để thực hiện các phép biến đổi trong không gian 3 chiều. ‒ Plane : mặt phẳng được mô tả bằng các hệ số của phương trình: ax + by + cz + d = 0. ‒ Frustum : là hình chóp cụt biểu diễn khung nhìn của camera, được mô tả bằng 6 mặt phẳng tạo nên nó. 2. Các kiểu đối tượng lưu trữ ‒ String : lớp lưu trữ dữ liệu kiểu xâu kí tự. ‒ Array : mảng động với hệ số mở rộng có thể tùy biến. ‒ GemAllocator : sử dụng bởi các lớp khác để thực thi việc cấp phát và giải phóng bộ nhớ. ‒ List : danh sách liên kết 2 chiều. ‒ Stack : ngăn xếp. 3.2. Thành phần Giao tiếp với hệ điều hành Giao tiếp với hệ điều hành là thành phần thực thi các công việc cần giao tiếp với hệ điều hành như điều phối event, đọc ghi file, lấy thời gian hệ thống… Trong đó quan trọng nhất là quá trình điều phối event: GEM lấy event từ Message System của hệ điều hành, từ đó lấy các thông tin cần thiết tạo ra GemEvent - lý do cần tạo ra GemEvent là để tránh bị phụ thuộc vào hệ điều hành. Sau đó, GemEvent sẽ được gửi lần lượt đến các thành phần có khả năng