3D Játékok készítése OpenGL környezetben

Az előadások a következő témára: "3D Játékok készítése OpenGL környezetben"— Előadás másolata:

1 3D Játékok készítése OpenGL környezetben
Szirmay-Kalos László Irányítástechnika és Informatika Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Web:

2 3D játékok Enemy AI Self Field objects

3 Virtuális valóság képszintézis interakció vezérlés avatar
Virtuális világ

4 Játékok feladatai Képszintézis az avatár nézőpontjából
Az avatár vezérlése a beviteli eszközökkel (keyboard, mouse) Az „intelligens” virtuális objektumok vezérlése (AI) A fizikai világ szimulációja

5 Játékok ControlIt(dt) AnimateIt(dt), DrawIt() képszintézis interakció
vezérlés avatár ProcessInput(), SetCameraTransform() Virtuális világ

6 Játékobjektumok ControlIt:
Alkalmazza a virtuális világ törvényeit erre az objektumra + gondolkodik” és a lehetséges vezérléséket alkalmazza (pl. rakéták) InteractIt: Társalog másokkal, tájékoztat az állapotáról AnimateIt: A következő helyre és orientációba megy DrawIt: Felrajzolja magát a képernyőre

7 Szimulációs hurok (Game loop)
dt void IdleFunc( ) { // idle call back float old_time = time; time = glutGet( GLUT_ELAPSED_TIME ); float dt = time - old_time; avatar -> ProcessInput( ); world -> Control( dt ); world -> Animate( dt ); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); avatar -> SetCameraTransform(); world -> Draw(); glutSwapBuffers( ); }

8 A virtuális világ (Scene graph)
Objektumok dinamikusak (öldöklés) Különböző objektumtípusok (heterogén kollekció) Láncolt lista (fák) world avatar ship1 ship2 space sun bullet explosion Join: új elem hozzávétele KillIt: egy elem eltávolítása

9 Bolygó Geometria: gömb Textúra Fizikai vagy képletanimáció

10 Gömbfelület mint háromszög háló: Tesszelláció
1. Paraméteres egyenlet: x = x0 + r cos 2u sin v y = y0 + r sin 2u sin v z = z0 + r cos v u,v  [0,1] 2. Paramétertér háromszögesítése + behelyettesítés

11 GLU kvadratikus felület
// definition GLUquadricObj * quadric = gluNewQuadric( ); gluQuadricTexture(quadric, GL_TRUE); // draw gluSphere(quadric, R, 16, 10);

12 Forog a Föld: Animate, Draw
void Planet :: AnimateIt( float dt ) { rot_angle += rot_speed * dt; if (angle > 360.0) rot_angle -= 360.0; } void Planet :: DrawIt( ) { glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, earth_texture); glPushMatrix( ); glRotatef( rot_angle, 0, 0, 1 ); gluSphere( quadric, radius, 16, 10 ); glPopMatrix( );

13 A Föld kering a Nap körül
void Planet::AnimateIt(float dt){ rot_angle += rot_speed * dt; rev_angle += rev_speed * dt; } void Planet::DrawIt( ) { glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, earth_texture); glPushMatrix( ); glRotatef(rev_angle, 0, 0, 1); glTranslatef(dist, 0, 0 ); glRotatef(rot_angle, 0, 0, 1); gluSphere(quadric, 1, 16, 10); glPopMatrix( ); rot_angle rev_angle dist

14 Az űr void Space :: DrawIt( ) { glBindTexture(GL_TEXTURE_2D,
SS,SS,SS Az űr void Space :: DrawIt( ) { glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, space_texture); glBegin(GL_QUADS); glTexCoord2f(0, 0); glVertex3i(-SS, -SS, -SS); glTexCoord2f(0, 1); glVertex3i(-SS, SS, -SS); glTexCoord2f(1, 1); glVertex3i( SS, SS, -SS); glTexCoord2f(1, 0); glVertex3i( SS, -SS, -SS); ... glEnd(); } -SS,-SS,-SS

15 Az űrhajó Komplex geometria Komplex textúra Fizikai animáció
négyszögháló Komplex textúra Fizikai animáció erők (gravitáció, rakéták) ütközések Viselkedés (AI) A rakéták vezérlése Ütközés elkerülés, avatártól menekülés, avatár üldözése

16 Űrhajó geometria

17 Poligon modellezés: 1. extruding

18 Poligon modellezés: 2. extruding

19 Poligon modellezés: 4. és 5. extruding

20 Poligon modellezés: 6. extruding

21 Subdivision simítás: 1 szint

22 Subdivision simítás: 2. szint

23 Textúra függvény definíciója
(1,1) (0,0)

24 Textúra függvény definíciója

25 Textúrázott űrhajó

26 Animate: Newton mozgástörvényei
force m position velocity void Ship :: AnimateIt( float dt ) { acceleration = force/m; velocity += acceleration * dt; position += velocity * dt; } void Ship :: DrawIt() { glPushMatrix( ); glTranslatef(position.x, position.y, position.z); glBegin( GL_QUADS ); ... ; glEnd( ); glPopMatrix();

27 Orientáció beállítása
modell_head Orientáció beállítása world_head = velocity.UnitVector(); void Ship :: DrawIt() { glPushMatrix( ); glTranslatef(position.x, position.y, position.z); Vector modell_head( 0, 0, 1 ); Vector world_head = velocity.UnitVector(); Vector rotate_axis = modell_head % world_head; float cos_rotate_angle = world_head * modell_head; glRotatef( acos(cos_rotate_angle)* 180 / M_PI, rotate_axis.x,rotate_axis.y,rotate_axis.z); glBegin( GL_QUADS ); ... ; glEnd( ); glPopMatrix( ); }

28 Ship :: ControlIt void Ship :: ControlIt( float dt ) {
force = Vector(0, 0, 0); Interact( world ); } void Ship::InteractIt( GameObject * object ) world avatar ship1 ship2 space sun bullet explosion

29 Ship: InteractIt m·M F = f r2
void Ship :: InteractIt( GameObject * object ) { if ( object->GetType( ) == PLANET ) { } if ( object->GetType( ) == AVATAR ) { m·M r2 F = f bullet avatar avatar aiming angle

30 Ütközésdetektálás lassú objektumok között
Probléma, ha az objektum gyors t +  t t adott t dist = obj1.position - obj2.position min = obj1.BoundingRadius() + obj2.BoundingRadius() if (dist.Length() < min) Collision!

31 Lövedék Nagyon komplex geometria Hasonló kinézet minden irányból
Könnyebb a képét használni Ütközésdetektálás = gyors mozgás transparent

32 Plakátok: Billboards Egyetlen félig átlátszó textúra egy téglalapon X
pos pos QUAD X Y Z x y z Tmodell Tview Tperspective QUAD pozíció orientáció kamera pozíció kamera orientáció

33 Bullet :: DrawIt a nézeti transzformáció forgatási részét kompenzáljuk
void Bullet :: DrawIt() { A modell transzformáció forgatási részével a nézeti transzformáció forgatási részét kompenzáljuk glEnable(GL_BLEND); // transparency glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE); glBegin(GL_QUADS); glTexCoord2f(0, 0); glVertex2f(-size, -size); glTexCoord2f(1, 0); glVertex2f(size, -size); glTexCoord2f(1, 1); glVertex2f(size, size); glTexCoord2f(0, 1); glVertex2f(-size, size); glEnd(); glDisable(GL_BLEND); }

34 Gyors ütközésdetektálás: ray-tracing
position rel_velocity = velocity - vel2 ray: position + rel_velocity·t If (ray intersects bounding sphere first AND tintersect < dt) Collision! vel2 velocity hit_object = world->Intersect(position,velocity,t); world avatar ship1 ship2 space sun bullet explosion

35 Robbanás Nagyon komplex geometria Hasonló kinézet minden irányból
Plakátgyűjtemény Részecske rendszer

36 Részecske rendszerek Globális erőtér (szél fújja a füstöt)
position: position += velocity * dt velocity: velocity += acceleration * dt acceleration: acceleration = force / weight lifetime age: age += dt; if (age > lifetime) Kill(); size, dsize: size += dsize * dt; weight, dweight: weight += dweight * dt color, dcolor: color += dcolor * dt Véletlen Kezdeti értékek

37 Robbanás paraméterei var Rand(mean, var) mean
position = center; // initially focused lifetime = Rand(2, 1); size = 0.001; // initially small dsize = Rand(0.5, 0.25) / lifetime; velocity = Vector(Rand(0,0.4),Rand(0,0.4),Rand(0,0.4)); acceleration = Vector(Rand(0,1),Rand(0,1),Rand(0,1)); // from yellow opaque animate to reddish transparent color = Color(1, Rand(0.5, 0.25) 0, 1 ); dcolor = Color(0, -0.25, 0, -1) / lifetime;

38 Avatár A viselkedését a klaviatúra vezérli:
ProcessInput A helye és iránya viszi a kamerát SetCameraTransform Olyan mint egy űrhajó, de nem rajzoljuk Control: gravitáció, lövedék ütközés

39 Klaviatúra kezelés IsSpace, IsLeft, IsRight, IsUp, IsDown KeyboardFunc
KeyboardUpFunc SpecialKeysFunc SpecialKeysUpFunc input IsSpace, IsLeft, IsRight, IsUp, IsDown IdleFunc: GameLoop virtual world

40 Avatar :: ProcessInput
Avatar :: ProcessInput( GLUTWindow * input ) { if ( input->IsSpace( ) ) // shoot world -> Join(new Bullet(position, velocity)); Vector head = velocity.UnitVector(); if ( input->IsUp() ) force += up * (-1); if ( input->IsDown() ) force += up; if ( input->IsLeft() ) force += up % head; if ( input->IsRight() ) force += head % up; }

41 Avatar :: SetCameraTransform
glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glLoadIdentity(); gluLookAt(position.x, position.y, position.z, position.x + head.x, position.y + head.y, position.z + head.z, up.x, up.y, up.z); } eye up = [0, 1, 0] vagy a gyorsulásból és a korábbi up átlagából lookat

42 Játékmotor Texture Load( char * fname) next Particle ParticleSystem
GLUTWindow GameObject position, velocity, acceleration ControlIt(float dt ) AnimateIt(float dt) InteractIt( GameObject * o) DrawIt( ) IntersectIt(Ray r, float& t) Játékmotor GameEngine DisplayFunc IdleFunc KeyPress 500 C++ sor Texture Load( char * fname) world Member Control, Animate, Draw Interact, Intersect, Join next Particle avatar ParticleSystem Emit(int n) Avatar ProcessInput() SetCameraTransform() TexturedObject BillBoard DrawIt()

43 Űrjáték BillBoard TexturedObject Bullet ControlIt Ship DrawIt
GameEngine Avatar BillBoard TexturedObject Self ProcessInput ControlIt InteractIt Bullet ControlIt Ship DrawIt InteractIt ControlIt Planet DrawIt AnimateIt Space DrawIt SpaceGame 350 C++ sor

44 Egy földi lövöldözős játék

45 Terepek Komplex geometria Bonyolult textúra Nem gondolkodik Nem mozog
magasságmező Bonyolult textúra Nem gondolkodik Nem mozog Ütközés detektálás kell Megemeli az objektumokat

46 Terep geometria z y x z = height(x,y) Magasságmező: Diszkrét minták +
Lineáris interpoláció

47 Diszkrét minták = FF kép
Magasság mező Háromszög háló

48 Háromszögek számának csökkentése: Level of detail

49 Magasságmező textúrázás: vetítés felülről
y x v u

50 Tereptextúra javítás: Multitextúrázás, Detail map

51 Terep ütközés detektálás
if (height(x,y) > z) Collision! Séta a terepen: Position(x, y) = (x, y, height(x,y) + legsize) z x,y

52 Bi-lineáris magasságmező interpoláció
float Terrain :: Height( float x, float y ) { x += wwidth/2; y += wlength/2; x = x / wwidth * w; y = y / wlength * l; int X = (int)x, Y = (int)y; float h1 = height_field[X][Y] * wheight; float h2 = height_field[X+1][Y] * wheight; float h3 = height_field[X][Y+1] * wheight; float h4 = height_field[X+1][Y+1] * wheight; float xd = x - X; float yd = y - Y; float hx1 = h1 + xd * (h2 - h1); float hx2 = h3 + xd * (h4 - h3); return (hx1 + yd * (hx2 - hx1)); } x,y X,Y

53 Ég Valamire textúrázott kép: Geometria: dóm, gömb, téglatest Nincs
vezérlés, animáció, ütközésdetektálás

54 GLU kvadratikus felület
GLUquadricObj * quadric; // definition quadric = gluNewQuadric( ); gluQuadricTexture(quadric, GL_TRUE); // draw glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, sky_texture_id); gluSphere(quadric, sky_radius, 32, 20);

55 Ellenség poligonháló deformáció Animált geometria
Kulcskeretekkel mozgásonként (clip) Áll, fut, támad, meghal poligonháló deformáció Textúrák (animált) AI Ütközés detektálás

56 Kulcskeret animáció: futás

57 Interpoláció: Keretek a kulcskeretekből
Nem lineáris interpoláció lineáris interpoláció kulcskeretek t

58 Mit interpoláljunk? Minőségi animáció: Játékok:
Newton törvények: C2 C1 spline interpoláció Interpolált keretekre is a fiziológiai tv. betartása: Csont animáció Játékok: Lineáris interpoláció A poligonháló csúcspontjait interpoláljuk Poligonháló deformáció (Mesh morphing)

59 Minden csúcsra lineáris interpoláció
Mesh morphing: t= 0 Idő: t Két közrefogó kulcskeret Minden csúcsra lineáris interpoláció t= 1 Aktuális csúcspontok

60 Futás poligonháló deformációval
+ pozíció animáció: position += velocity * dt

61 Mozgás definíció Clip-ek definíciója kulcskeretekkel
Összes clip összes kulcskeretek fájlban: MD2, MD3 Tipikus clip-ek: Run, stand, attack, die, pain, salute, crouch, wave, point, taunt, etc.

62 Clip-ek Áll 40 kulcskeret Fut 5 kulcskeret Szalutál 11 kulcskeret

63 Mozgásvezérlés AI motor Idő: t Clip = start, stop keyframe
AI state Idő: t Clip = start, stop keyframe Keyframe animation Keyframe-ek MD2 fájlban A háromszög háló csúcspontjai

64 Ellenség AI Dont Care Escape Chase Attack Dying Dist < 4 &&
Avatar_angle < 40 Dont Care Escape Dist > 6 Avatar_angle < 20 Dist < 4 && Avatar_angle > 60 Dist < 1 Chase Attack Dist > 1 Collision with the bullet Dying Avatar_angle Avatar

65 Textúrázás

66 Golyó Geometria: gömb Textúrázott Nem intelligens Fizikai animáció

67 Lövedék fizikai animációja
t+dt velocity t force, acceleration acceleration = (0, 0, -g) velocity += acceleration * dt position += velocity * dt

68 Röpül a lövedék: Animate, Draw
void Bullet::AnimateIt( float dt ) { acceleration = Vector(0,0,-g); velocity += acceleration * dt; position += velocity * dt; } void Bullet::DrawIt( ) { glPushMatrix( ); glTranslate(position.x, position.y, position.z); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, bullet_texture); gluSphere(quadric, 1.0, 16, 10); glPopMatrix( );

69 Game Engine struktúra Objektumok Statikus színtér LOD,Strips
Geometria Feldolgozás Illumináció feldolgozás Láthatóság Feldolgozás LOD,Strips Cellák+PVS Fénytérképek LOD menedzser Occlusion Culling Illumináció The purpose of preprocessing tools is to prepare data and files for on-line gaming or rendering. All workpackages have such modules. Geometry preprocessing takes individual objects and convert them to hierarchical level of detail data structures. Visibility preprocessing takes static part of the scene as a whole and identifies view cells and potentially visible sets for these view cells. Similarly illumination modules take the static part of the scene and precompute illumination information for it, including precomputed radiance maps, obscurance maps, images for image based rendering etc. During gaming on-line tools and library functions take the prepared data and perform real-time rendering. Note that it is not possible to prepare for everything since the scene is dynamic, so visibility and illumination packages have many methods that do not have preprocessing phases. The on-line tools run under the control of a game engine, therefore these methods should be integrated into the game engine. Dinamikus színtér

70 Geometria avatar (kamera) Geometria Egyszerű Komplex Feldolgozás
Modell Komplex Objektum ”kevés” csúcspont CLOD (folytonos, GPU-n) Háromszög szalag avatar (kamera)

71 CLOD Strips

72 CLOD Trees

73 Grafikus kártya z-buffer
Láthatóság Láthatóság Előfeldolgozás Statikus színtér Kd-tree + PVS Geometria View frustrum culling Occlusion Culling Dinamikus színtér The main achievements of the visibility workpackage is the development of tools to efficiently detect the visibility for the static part of the scene and for dynamic objects. The separation of static and dynamic scene parts is necessary since for the static part we can take advantage of preprocessing, while for dynamic objects it is not possible. The visibility workpackage has developed a preprocessing tool for the static part of the scene, which automatically finds view cells and generates the potentially visible set for these view cells. These data are read by the on-line visibility modules, which can find visibility information without scanning the who scene. For dynamic objects, a hardware occlusion query based approach has been developed, which synchronizes the CPU and the GPU in an optimal way, and is thus much faster than previous hardware occlusion queries. Látható? Grafikus kártya z-buffer

74 Hardware Occlusion Culling
Befoglaló doboz raszterizálása Látható legalább 1 pixel? Igen: Bonyolult objektum raszterizálása Nem: semmi dolgunk Rossz!!! Ha sok látható: dupla rajzolás Várni kell az eredményt (csővezeték) Megoldás: Hierarchia ügyes kezelése Koherencia (előző frame)

75 Coherent Hiearchical Occlusion Culling

76 Összehasonlítás View Frustrum Culling-gal