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: InteractIt: AnimateIt: DrawIt:
„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 ); glClearColor(0, 0, 0, 0); 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
Balogh Z., Jakab G.

49 Magasságmező textúrázás: vetítés felülről
y x v u

50 Tereptextúra javítás: Multitextúrázás, Detail map
Balogh Z., Jakab G.

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( );