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
Bounding box
Bounding Sphere
clip space
Là một mesh được dùng để mô tả các đối
tượng chuyển động.
Hình hộp bé nhất chứa trọn vẹn đối tượng
3D
Hình cầu bé nhất chứa trọn vẹn đối tượng
3D
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
Graphic Processor Unit
chương trình shader xử lí các biến đổi đối
với mỗi pixel.
Đơn vị xử lí đồ họa, có nhiệm vụ render ra GPU
màn hình hình ảnh 3D
heightfield
heightmap
mảng lưu trữ giá trị độ cao
texture lưu trữ giá trị độ cao của bề mặt địa
hình
local space
không gian riêng của đối tượng 3D.
Massively Multiplayer
Trò chơi nhập vai trực tuyến nhiều người
MMORPG
Online Role-Playing Game chơi
Mesh
Mạng lưới các đa giác dùng để mô tả hình
dạng của vật thể trong không gian 3 chiều.
Message System
normal map
Occlusion culling
Là hệ thống quản lí các thông điệp trao đổi
giữa các tiến trình của Hệ điều hành
texture lưu giữ các giá trị các vector pháp
tuyến trên bề mặt
Thực hiện cắt bỏ các đối tượng bị chắn bởi
một đối tượng khác trong vùng quan sát
offscreen render
Render
render nhưng hình ảnh được tạo ra không
được vẽ lên màn hình
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
Texture
ngôn ngữ được dùng để triển khai shader
cho GPU
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
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.
1
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).
2
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
Hình 1:
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
3
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:
Hình 2: Kiến trúc tổng thể
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
4
tác với chúng.
3.1. Thành phần Các kiểu dữ liệu cơ bản
Hình 3: Sơ đồ lớp của 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.
5
‒ 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
nhận và xử lý event (Hình 4).
6
Hình 4: Quá trình điều phối event.
3.3. Thành phần Render Engine
3.3.1. Khái quát về Render Engine
Render Engine là thành phần cốt lõi của một Game Engine. Nó hỗ trợ người lập
trình game các công việc thiết yếu để tạo ra một khung cảnh 3D. Người dùng sẽ không
cần biết nhiều đến những công việc tầng thấp như quá trình đọc file tài nguyên, sử
dụng 3D Graphic API, triển khai các hiệu ứng trên GPU… mà chỉ cần dùng giao diện
do Render Engine cung cấp.
Render Engine là thành phần duy nhất trong Game Engine giao tiếp với các thư
viện đồ họa cấp thấp (cụ thể ở đây là openGL và Cg - Hình 5).
7
Hình 5:
3.3.2. Kiến trúc của Render Engine
Render engine được chia thành các mô đun sau (Hình 6):
Hình 6: Biểu đồ gói của Render Engine.
‒ Graphic Driver là mô đun duy nhất trực tiếp sử dụng 3D Graphic API
(openGL), cung cấp cho các mô đun khác một giao diện đơn giản hơn để
tương tác với thiết bị xử lí đồ họa.
‒ Quản lý tài nguyên là mô đun quản lý các tài nguyên cần thiết để xây dựng
8
một khung cảnh 3D như mesh, animated mesh, texture 2D, cubemap… Mô
đun này được bạn Hoàng Tuấn Hưng trình bày trong khóa luận “Xây dựng
Game Engine đa nền tảng – Quản lý tài Nguyên và Chuyển động đối tượng”.
‒ Quản lý khung cảnh là mô đun thực hiện việc tổ chức và kiểm soát các đối
tượng tồn tại trong một khung cảnh 3D, từ đó thực hiện quá trình render toàn
bộ khung cảnh đó tạo nên hình ảnh 2D tại vị trí nhìn. Mô đun này được bạn
Trương Đức Phương trình bày chi tiết trong khóa luận “Xây dựng Game
Engine đa nền tảng – Quản lí khung cảnh”.
‒ Hiệu ứng ánh sáng và vật liệu là mô đun mở rộng các thành phần của
Quản lý khung cảnh để tạo các hiệu ứng về ánh sáng, vật liệu, và đổ bóng.
Mô đun này được bạn Bùi Hoàng Khánh trình bày chi tiết trong khóa luận
“Xây dựng Game Engine đa nền tảng – Hiệu ứng ánh sáng và vật liệu”.
‒ Mô phỏng tự nhiên là mô đun mở rộng các thành phần của Quản lý khung
cảnh để mô phỏng các yếu tố tự nhiên cần có trong game như nước, địa hình,
lửa, khói… Mô đun này sẽ được trình bày chi tiết trong chương 3 của khóa
luận này.
‒ Chuyển động của đối tượng là mô đun mở rộng các thành phần của Quản
lý khung cảnh, thực hiện quá trình nội suy trong các mô hình chuyển động
(thường là các nhân vật trong game) thông qua hai kĩ thuật thông dụng là
keyframe và skinning. Mô đun này được trình bày chi tiết trong khóa luận
“Xây dựng Game Engine đa nền tảng – Quản lý tài nguyên và chuyển động
đối tượng” của Hoàng Tuấn Hưng.
3.4. Các thành phần còn lại
Các thành phần Mạng, Trí tuệ nhân tạo, Tính toán vật lí, Âm thanh chưa được
triển khai nên chúng tôi không đề cập đến trong tài liệu này.
9
Chương 4. Mô phỏng Tự nhiên
4.1. Khái Quát
Mô phỏng tự nhiên là một nhiệm vụ hết sức cơ bản và cũng đóng vai trò rất quan
trọng trong các trò chơi 3D hiện nay. Nhiệm vụ của mô đun này là hỗ trợ việc tạo ra
các đối tượng đặc biệt trong khung cảnh 3D – các đối tượng tự nhiên như là nước, lửa,
khói, bụi, mưa, địa hình, cây cỏ … Các đối tượng này thường xuất hiện trong các
khung cảnh ngoài trời. Vì vậy đây là phần không thể thiếu được trong bất kì một game
3D nào có khung cảnh ngoài trời. Vì thời gian không cho phép nên mục tiêu ban đầu
của chúng tôi là triển khai kĩ thuật mô phỏng mặt nước, địa hình và hệ thống hạt – hệ
thống cơ bản được sử dụng để mô phỏng mưa, bụi, khói, lửa,.... Với những hiệu ứng
cơ bản này ta đã có thể tạo ra được một khung cảnh 3D ngoài trời đơn giản.
Hiệu ứng cho các đối tượng ở đây được triển khai chủ yếu sẽ thực thi bằng GPU
để giảm gánh nặng cho CPU, nơi mà các công việc của những phần sau này của hệ
thống vốn sẽ tốn rất nhiều tài nguyên CPU ( đặc biệt quá trình tính toán và xử lí vật lí
). Vì vậy, để triển khai nó chúng ta cần phải lựa chọn một ngôn ngữ lập trình thích hợp
cho GPU. Các tiêu chí được đưa ra để lựa chọn là:
‒ ngôn ngữ lập trình bậc cao, dễ hiểu và triển khai hiệu quả
‒ hỗ trợ lập trình đa nền
‒ hỗ trợ các tính năng của các card đồ họa thế hệ thứ tư ( từ 2002 đến nay )
Dựa trên các tiêu chí trên, chúng tôi đã lựa chọn Cg Shading Language. Chi tiết
về ngôn ngữ là hướng dẫn lập trình có thể tham khảo ở sách “The Cg Tutorial” Error!
Reference source not found..
Như đã nói ở trên mô đun này hiện tại có 3 mô đun con độc lập:
‒ Mô phỏng mặt nước: triển khai kĩ thuật mô phỏng mặt nước từ mô hình vật
lí Error! Reference source not found..
‒ Hệ thống hạt: mô phỏng các hiện tượng như mưa, lửa, vụ nổ, pháo hoa,
khói, tuyết,... hay các hiệu ứng thị giác như phép thuật.
‒ Địa hình: render địa hình có ứng dụng kĩ thuật LOD.
10
4.2. Mô phỏng mặt nước
Mô phỏng mặt nước là một trong các công việc phức tạp và khó khăn nhất hiện
nay trong lĩnh vực đồ họa 3D bởi tính phức tạp và khối lượng phép toán cần thực hiện.
Do đó việc thực hiện mô phỏng mặt nước động thời gian thực trên máy tính cá nhân
trước đây là rất khó khăn. Với sự phát triển của các phương pháp xử lí số tín hiệu, đặc
biệt là biến đổi Fourier nhanh (FFT) khả năng mô phỏng mặt nước thời gian thực bằng
máy tính cá nhân, với điều kiện kích thước vùng nước không quá lớn Error!
Reference source not found.. Tuy nhiên để triển khai việc mô phỏng mặt nước trong
Game Engine, ta cần có kĩ thuật đơn giản để có thể triển khai trên GPU. Vì với ứng
dụng mô phỏng lớn như các trò chơi 3D, thì ngoài việc mô phỏng được hình ảnh 3D
bạn còn phải cần thực hiện rất nhiều tính toán khác như xử lí vật lí, trí tuệ nhân tạo...
Các thành phần này đã chiếm một lượng lớn tài nguyên của CPU và bộ nhớ máy tính.
Vì vậy mô đun này sẽ thực hiện việc triển khai kĩ thuật mô phỏng mặt nước từ
mô hình vật lí được giới thiệu chi tiết trong tài liệu Error! Reference source not
found.. Tư tưởng chính của kĩ thuật này là sử dụng mô hình vật lí là:
‒ Tính toán các sóng lan truyền trên bề mặt theo điều kiện thời tiết (gió)
‒ Tổng hợp các sóng để tính độ cao của bề mặt và normal map.
‒ Tính độ trong suốt nước phụ thuộc vào độ sâu nước và ánh sáng phản xạ từ
environment map.
Như vậy, sau khi render ta có được hình ảnh sóng nước trên bề mặt chuyển động
phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và tính chất của vùng nước (nông, sâu) và môi trường
xung quanh.
4.2.1. Thiết kế cơ bản
Mô đun sẽ được triển khai thành 3 class ( xem Hình 7 ):
‒ WaterEffect: lớp trực tiếp quản lí và có nhiệm vụ là tầng giao tiếp với các
chương trình Cg của hiệu ứng mặt nước. Thừa kế từ lớp Effect, các đối
tượng của lớp sẽ được lưu trữ và quản lí bởi EffectBank thuộc package
Quản Lí Tài Nguyên( Chi tiết về cách thức lưu trữ và quản lí xem trong tài
liệu Quản Lí Tài Nguyên – Hoàng Tuấn Hưng).
‒ WaterParameters: lớp này lưu trữ các tham số sẽ được truyền cho các
11
chương trình Cg. Các tham số này quyết định tính chất mặt nước sẽ được
render bởi chương trình Cg. Ví dụ như khoảng bước sóng, tỉ lệ của bước
sóng và biên độ, độ dốc của sóng, tính phản xạ ánh sáng...
‒ WaterSceneNode: lớp mở rộng của lớp SceneNode để được gắn vào
scenegraph của hệ thống RenderEngine. Lớp này sẽ chứa một đối tượng
WaterParameters để lưu trữ các tham số đầu vào cho chương trình Cg.
(Thông tin chi tiết về SceneNode và SceneGraphManager có thể xem trong
tài liệu Quản Lí Khung Cảnh – Trương Đức Phương).
Hình 7: Sơ đồ lớp cơ bản của package Mô phỏng Mặt Nước
Thêm nữa, chúng ta phải triển khai 2 chương trình Cg:
‒ NormProg: chương trình render normalmap của mặt nước. Các hàm sóng
truyền cho chương trình là các hàm sóng riêng và độc lập so với các hàm
sóng tạo nên chuyển động sóng trong chương trình WaterSim.
‒ WaterSim: chương trình render mặt nước dựa trên bốn hàm sóng và
normalmap đã được tính trước của bề mặt. Các hàm sóng truyền cho chương
trình đã được tạo ngẫu nhiên trước bởi CPU trong lớp WaterEffect dựa trên
12
những ràng buộc về tính chất của mặt nước như khoảng bước sóng, độ dốc,
mức độ phản xạ ánh sáng,... Các ràng buộc này được thiết lập cho đối tượng
WaterSceneNode và lưu trữ trong đối tượng WaterParameters.
Với mô hình như trên, mô đun sẽ hoạt động cơ bản như sau:
‒ Bước 1: tạo ra RenderContext cho
renderList của WaterSceneNode và
WaterEffect. Mọi đối tượng
WaterSceneNode đều được gắn vào
renderList này và sử dụng
WaterEffect để render với tham số
của mình.
‒ Bước 2: khởi tạo đối tượng
WaterSceneNode. Trong đó nhiệm
vụ chủ yếu là gắn đối tượng vào
renderList và khởi tạo tham số cho
ràng buộc cho WaterEffect.
‒ Bước 3: Tạo ngẫu nhiên các hàm
sóng dựa trên các tham số ràng
buộc. Song song với việc tạo sóng,
Hình 8: Quá trình hoạt động của
package Mô Phỏng Mặt Nước.
ta cũng phải triệt tiêu dần các hàm
sóng theo thời gian. Rồi tái tạo lại
sóng mới khi một sóng bị triệt tiêu hoàn toàn.
‒ Bước 4: render normal map ra texture với các hàm sóng đã tạo bởi chương
trình Cg NormProg.
‒ Bước 5: render mặt nước với các hàm sóng và normalmap texture đã tạo.
Quá trình render được thực hiện bởi chương trình WaterSim viết bằng Cg.
Quay lại bước 3.
Như vậy sau khi kết thúc bước 5, ta có một hình ảnh mặt nước tại một thời điểm.
Quá trình lặp từ bước 3 đến bước 5 sẽ cho ta một hình ảnh mặt nước động với các tính
chất đã được xác định ban đầu.
13
4.2.2. Thiết kế chức năng
Dựa trên mô hình cơ bản ở trên, ta cần thiết kế các chức năng sau:
‒ Tiền khởi tạo: tạo RenderContext và WaterEffect.
‒ Khởi tạo: khởi tạo đối tượng WaterSceneNode và đặt các tham số cho
WaterEffect.
‒ Tạo sóng: tạo các ngẫu nhiên sóng từ các tham số ràng buộc.
‒ Render normalmap: render normalmap ra texture.
‒ Render mặt nước: render mặt nước với thông số về sóng, và normal map đã
tính trước.
Tiền khởi tạo
Chức năng này được thiết kế thực thi theo sơ đồ luồng như sau:
Hình 9: Sơ đồ luồng thực hiện chức năng Tiền khởi tạo
Theo sơ đồ trong Hình 9, bước đầu tiên ta phải tạo ra rendercontext và đặt các cờ
trạng thái thích hợp cho quá trình render đối tượng WaterSceneNode. Việc tiếp theo là
tạo ra WaterEffect để render WaterSceneNode. Sau đó gắn effect này vào effectBank
trong scenegraphmanager. Việc lưu trữ và quản lí effect hoàn toàn được kiểm soát bởi
effectBank (mô đun Quản lí Tài Nguyên). Do đó ta chỉ cần lưu lại ID của effect để có
14
thể truy cập khi cần. Sau cùng, ta phải gắn RenderContext đã tạo vào render list trong
scenegraphmanager. Việc render list nào được gán sẽ được quyết định bởi người lập
trình khi viết chương trình 3D. Đồng thời chỉ số của render list đó.
Chú ý, vì tất cả các đối tượng WaterSceneNode đều sử dụng chung một đối tượng
RenderContext và WaterEffect nên việc lưu trữ chỉ số của render list hay WaterEffect ở
trong mỗi đối tượng WaterSceneNode là không cần thiết. Ta có thể đưa các thuộc tính
này trở thành thành phần thuộc lớp thay vì thuộc tính riêng của từng đối tượng. Do đó
hàm thực hiện chức năng này cũng thuộc lớp và cần được gọi trước khi tạo ra các đối
tượng WaterSceneNode thực sự.
Khởi tạo
Các bước chính để khởi tạo một đối tượng WaterSceneNode là:
‒ Bước 1: gắn node vào water render list được xác định trong quá trình tiền
khởi tạo.
‒ Bước 2: khởi tạo đối tượng WaterParameters với các tham số mặc định.
‒ Bước 3: khởi tạo các sóng từ các tham số mặc định. Và bắt đầu quá trình cập
nhật các tham số của sóng theo thời gian.
Ngoài các bước chính như phân tích trên, trong sơ đồ (Hình 10) ta có thêm một
số bước sau:
‒ Gán node vào danh sách node con của node cha của nó trong scenegraph.
Đây một chức năng của mọi SceneNode.
‒ Tạo ra texture lưu trữ giá trị cosine và noise để truyền cho chương trình
NormProg nhằm giảm các phép tính phức tạp cho chương trình Cg thực hiện
bởi GPU. BiasNoise là các số ngẫu nhiên được tạo trong khoảng [0..1] để
tăng mức chi tiết cho các gợn sóng. CosineLUT là một texture lưu trữ các giá
trị tương ứng của hàm (sin(2u)*0.5 + 0.5)*cos(2u). Trong đó, u là tọa độ
của các pixel trong hệ tọa độ của texture.
‒ Khởi tạo các texture để thực hiện offscreen render – dùng trong render
normal map.
15
Hình 10: Sơ đồ luồng thực hiện việc khởi tạo đối tượng WaterSceneNode
Như vậy, sau khi tạo xong một đối tượng WaterSceneNode. Thì đối tượng đó đã
sẵn sàng để được render trong khung cảnh 3D.
Tạo sóng
Đây là chức năng tạo ra các hàm sóng ngẫu nhiên theo các ràng buộc là các tham
số trong WaterParameters. Ngoài ra nó còn đảm nhận việc triệt tiêu dần các sóng theo
thời gian và tạo lại sóng mới khi một sóng đã hết thời gian sống và bị triệt tiêu hoàn
toàn. Sóng mới được tạo ra vẫn phải được tuân theo ràng buộc như các tham số ban
đầu.
Trạng thái một sóng có thể được đặc tả bởi các thông số sau:
‒ Pha (
‒ Biên độ (A)
‒ Bước sóng (L)
‒ Tần số (f)
‒ Phương truyền (D)
‒ Cường độ sóng (F)
16
Để tạo ra các sóng ngẫu nhiên, trong các tham số cho hiệu ứng thay vì lưu trữ các
giá trị chính xác của sóng, ta lưu trữ các tham số ràng buộc miền giá trị như bước sóng
lớn nhất (Lmax) và bước sóng nhỏ nhất (Lmin).
Để tạo ra các sóng khác nhau nhưng có cùng dáng điệu ta sẽ thể hiện biên độ của
sóng theo một hệ số tỉ lệ cố định giữa biên độ và bước sóng.
Ngoài ra để tạo ra sự khác biệt về phương truyền sóng, ta còn lưu trữ thêm một
tham số lưu trữ góc lệch tối đa so với hướng gió.
V
ới các
tham
số như
trên ta
có thể
tính ra
tất cả
các
thông
số
trạng
thái
của
sóng
với hệ
số ngẫu
nhiên
được
sinh
trong
Hình 11: Sơ đồ tạo hiệu ứng tăng giảm cường độ sóng theo thời gian
khoảng
từ [0..1] với mỗi lần tạo sóng. Thêm nữa để tạo hiệu ứng sóng tăng dần khi mới được
sinh ra rồi bị triệt tiêu dần khi đạt đến mức cao nhất. Ta có thông số về cường độ sóng
F được khởi tạo với giá trị 0, sóng đạt cực đại khi F = 1. Và một tham số đặc trưng cho
tốc độ thay đổi cường độ sóng sau mỗi khung hình, kí hiệu là T. Ngoài ra, ta còn thêm
17
một tham số là Idx xác định chỉ số sóng đang thay đổi. Vì ta sẽ thay đổi lần lượt cường
độ từng sóng. Quá trình thực hiện xem Hình 11.
Render normalmap
Được thực hiện bởi chương trình viết bằng ngôn ngữ Cg và xử lí qua GPU.
Nhiệm vụ của nó là render normal map từ các tham số đầu vào và hai texture là
BiasNoise và CosineLUT.
CosineLUT là texture lưu trữ giá trị tính trước của
k− 1
sin 2 u
cos 2 u
hàm số
. Việc tính trước giá trị hàm
số này sẽ tiết kiệm rất nhiều phép tính trong các chương
trình Cg. Nơi mà mỗi một phép tính thừa sẽ khiến chương
trình chạy chậm đi rất nhiều do, mỗi chương trình xử lí
pixel được gọi n lần với n là số pixel cần được render. Hơn
nữa đây chỉ là chương trình render normalmap, mục đích
chính là tính ra vector normal với mỗi khung hình. Cho nên
cần phải giảm thời gian xử lí để tính ra vector normal nhanh
nhất có thể. Để cung cấp vector normal cho chương trình
render chính sử dụng.
BiasNoise là texture lưu trữ các giá trị ngẫu nhiên
trong khoảng [0..1]. Các giá trị này được cộng thêm vào
vector normal để tạo ra bức ảnh không quá láng mịn. Nó có
thể tăng thêm độ chi tiết và đem lại cảm giác thật hơn.
Theo kĩ thuật được giới thiệu trong sách GPU
GemsError! Reference source not found. ta sẽ sử dụng 16 sóng cho
texture vì để tối ưu cho tính toán ta sẽ quá trình xử lí của
chương trình Cg làm 5 giai đoạn. Bốn giai đoạn đầu, mỗi
giai đoạn xử lí 4 sóng. Để cộng gộp giá trị tính toán ta xử
Hình 12: Quá trình
render normal map
dụng phương pháp trộn màu giữa các giai đoạn. Giai đoạn cuối là cộng giá trị noise.
(xem Hình 12).
Lưu ý là, chương trình render normal sẽ không render hình ảnh vector normal mà
nó render ra một texture. Texture này được sử dụng như là tham số đầu vào và được
truy cập bởi chương trình vẽ mặt nước.
18
Render mặt nước
Đây là chức năng chính có nhiệm vụ render ra màn hình hình ảnh 3D của mặt
nước. Chức năng này cũng được thực hiện bởi chương trình Cg chạy trong GPU. So
với chương trình render normalmap thì chương trình này sẽ chỉ chạy một lần vì số
sóng được sử dụng để tổng hợp là ít hơn chỉ có 4 sóng. Các dữ liệu có thể được gói
chung vào trong các vector-4 chiều, để lợi dụng các phép toán vector được hỗ trợ bởi
GPU.
Chương trình xử lí vertex phải thực hiện những việc sau (xem Hình 13):
‒ Chuyển tọa độ vertex từ local space sang world space. Vì các tính toán trong
chương trình đều tính trong world space.
‒ Tính tọa độ texture uv của normal texture.
‒ Tính hệ số lọc theo độ sâu. Hệ số này được dùng để lọc hay giảm bớt biên
độ sóng ở vùng nước nông.
‒ Tính lại tọa độ vertex bằng cách lấy tổng của các hàm sóng.
‒ Tính vector nhìn – vector từ mắt đến vertex. Vector này được truyền cho
fragment program để tính tia sáng đến.
‒ Tính ma trận chuyển vector normal sang không gian world. Vì vector
normal đã tính ở bước trên là tọa độ trong không gian uv của texture.
‒ Tính tọa độ cuối cùng của vertex ( trong không gian Clip ).
‒ Tính lại màu nước theo độ sâu và truyền cho fragment program.
19
Vertex Program
Fragment Program
Phần việc còn lại của chương trình xử lí pixel là lấy vector normal từ texture.
Chuyển normal sang không gian World bằng ma trận chuyển đổi. Tính tia sáng tới
vertex bằng vector nhìn và vector pháp tuyến. Lấy màu phản xạ của môi trường từ tia
tới và environment map. Trộn màu nước và màu phản xạ ta được màu cuối cùng.
20
4.2.3. Triển khai lớp đề xuất:
WaterParameters
Hình 14: Sơ đồ lớp WaterParameters
Lớp WaterParameters lưu trữ đối 2 đối tượng của 2 lớp con là GeoWaveParams
và TexWaveParams. Trong đó:
‒ World2Clip, Local2World là các ma trận biến đổi giữa các hệ tọa độ.
‒ NormalMap, EnvMap, CosineLUT, BiasNoise là các ID của các texture
tương ứng.
‒ Chop : là hệ số xác định độ dốc của sóng.
‒ MinLength, MaxLength là các tham số ràng buộc miền giá trị của bước
sóng.
‒ AmpOverLen xác định tỉ lệ giữa bước sóng và biên độ.
‒ WindDir và AngleDeviation: xác định hướng gió và góc lệch tối đa của
phương truyền sóng so với hướng gió.
‒ WaterLevel xác định độ cao của mặt nước trong không gian World.
21
‒ TransIdx và TransDel xác định sóng đang bị biến đổi và tốc đổ biến đổi
cường độ sóng.
‒ RippleScale xác định hệ số tỉ lệ của gợn sóng. Được dùng để tạo ra texture
có thể xếp liên tiếp.
WaterEffect
L
ớp
Water
Effect
được
triển
khai
theo
sơ đồ
trên
(Hình
15).
Lớp
được
thừa
kế từ
lớp
Hình 15: Sơ đồ triển khai lớp WaterEffect
Effect, và triển khai các phương thức thực hiện các chức năng sau:
‒ updateParameters() thực hiện update các tham số cho chương trình Cg với
các tham số ràng buộc được truyền vào lưu trữ trong đối tượng của lớp
WaterParameters.
‒ initWaves() : khởi tạo các sóng trong danh sách sóng theo các ràng buộc
được truyền vào.
‒ updateWaves() : cập nhật các sóng theo thời gian.
Ngoài ra lớp có khai báo các lớp con để tiện sử dụng:
22
Tải về để xem bản đầy đủ
55 trang
09/05/2025
70
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Xây dựng game engine đa nền tảng mô phỏng tự nhiên", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- khoa_luan_xay_dung_game_engine_da_nen_tang_mo_phong_tu_nhien.pdf
