Luận văn Xây dựng game engine đa nền tảng -Hiệu ứng ánh sáng và vật liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Bùi Hoàng Khánh XÂY DỰNG GAME ENGINE ĐA NỀN TẢNG - HIỆU ỨNG ÁNH SÁNG VÀ VẬT LIỆU KHOÁ 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 Bùi Hoàng Khánh XÂY DỰNG GAME ENGINE ĐA NỀN TẢNG - HIỆU ỨNG ÁNH SÁNG VÀ VẬT LIỆU 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 i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia nói chung và các thầy cô bộ môn công nghệ Phần mềm nói riêng. Trong suốt thời gian tôi học tại trường, các thầy cô đã luôn tận tình dạy dỗ, chỉ bảo để tôi có được kết quả như ngày hôm nay. Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn giảng viên, thạc sĩ Vũ Quang Dũng. Cảm ơn thầy vì những định hướng, nhận xét quý báu và động viên kịp thời của thầy đã giúp tôi hoàn thành khóa luận này. Tôi cũng xin cảm ơn phòng thí nghiệm Toshiba – Coltech đã tạo điều kiện cho tôi có môi trường làm việc trong quá trình thực hiện khóa luận này. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên, giúp đỡ tôi cả về vật chất lẫn tinh thần trong suốt những năm tháng qua. Hà Nội, ngày 19 tháng 05 năm 2009 Sinh viên Bùi Hoàng Khánh ii TÓM TẮT Sự phát triển của công nghệ mô phỏng và giải trí, ngày càng có nhiều ứng dụng đồ họa và trò chơi 3D được xây dựng nhằm phục vụ mục đích nghiên cứu, mô phỏng và giải trí… Cùng với đó, công nghệ phần cứng cũng phát triển rất nhanh, đặc biệt là các phần cứng xử lý đồ họa có thể lập trình được và các ngôn ngữ lập trình trên các phần cứng này. Tuy nhiên, để xây dựng một ứng dụng đồ họa và trò chơi 3D đảm bảo các yêu cầu: hỗ trợ một dải phần cứng và phần mềm (cụ thể là hệ điều hành) lớn, có khả năng lựa chọn API đồ họa mức thấp (OpenGL, OpenGL ES hay DirectX), dễ d àng quản lý và phát triển các tài nguyên; các ứng dụng này được xây dựng từ một game engine, chứ không phát triển từ nguyên thủy. Xuất phát từ thực tế đó, khóa luận tập trung nghiên cứu xây dựng một hệ thống Game Engine hỗ trợ xây dựng ứng dụng đồ họa và trò chơi 3D trên nhiều nền tảng khác nhau. Hệ thống Game Engine được xây dựng sẽ cung cấp giao diện lập trình ở mức cao. Khi phát triển các ứng dụng đồ họa 3D, người lập trình không cần phải quan tâm đến quá trình quản lý tài nguyên, cũng như xử lý đồ họa ở mức thấp bên dưới. Thay vào đó, họ chỉ cần tập trung vào quản lý ở mức lôgíc các thành phần của ứng dụng, hoặc thêm mới các thành phần dựa trên thành phần cơ sở do hệ thống cung cấp. Nội dung của khóa luận này tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: - Môi trường phát triển hệ thống Game Engine ứng dụng đồ họa và trò chơi 3D, gồm nền tảng phần cứng, phần mềm, và các công nghệ đồ họa ở mức thấp (như OpenGL, OpenGL ES, DirectX). - Thiết kế và xây dựng một hệ thống đồ họa có cấu trúc và tương tác với người dùng. - Nghiên cứu và triển khai các kỹ thuật tạo hiệu ứng về ánh sáng trong khung cảnh 3D. iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................... i TÓM TẮT .................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................... iii BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... v DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................... viii MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ GEM .......................................................... 3 1.1. Khái niệm Game Engine ........................................................................... 3 1.2. Mô hình của GEM ..................................................................................... 3 1.2.1. Các đặc điểm của GEM ........................................................................ 3 1.2.2. Kiến trúc tổng thể ................................................................................. 4 1.2.2.1. Thành phần Cấu trúc dữ liệu cơ bản .............................................. 5 1.2.2.2. Thành phần Giao tiếp với Hệ điều hành ........................................ 6 1.2.2.3. Thành phần Render Engine ........................................................... 7 1.2.2.4. Các thành phần còn lại ................................................................... 8 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................... 9 2.1. Ánh sáng trong đồ họa máy tính .............................................................. 9 2.1.1. Các thành phần của ánh sáng ................................................................ 9 2.1.2. Các mô hình tạo bóng ......................................................................... 11 2.2. Đổ bóng ..................................................................................................... 12 2.2.1. Bóng của đối tượng trong khung cảnh ................................................ 12 2.2.2. Phương pháp đổ bóng ......................................................................... 12 2.3. Đối tượng có bề mặt phức tạp ................................................................ 13 2.3.1. Đối tượng với mạng lưới nhiều đa giác .............................................. 13 2.3.2. Kỹ thuật sử dụng bản đồ vector pháp tuyến ....................................... 13 2.3.3. Không gian Texture ............................................................................ 14 iv Chương 3: MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT ............................................................ 16 3.1. Các yêu cầu chung của mô đun .............................................................. 16 3.2. Các thành phần trong mô đun ................................................................ 17 Chương 4: THIẾT KẾ CHI TIẾT ........................................................... 19 4.1. Chiếu sáng ................................................................................................ 19 4.1.1. Vật liệu ................................................................................................ 19 4.1.2. Chiếu sáng bằng mô hình OpenGL cung cấp ..................................... 20 4.1.3. Chiếu sáng bằng mô hình tự định nghĩa ............................................. 22 4.1.3.1. Lớp DLightSceneNode ................................................................ 22 4.1.3.2. Sử dụng DLightSceneNode ......................................................... 25 4.2. Hiệu ứng đổ bóng ..................................................................................... 27 4.3. Hiệu ứng Bump ........................................................................................ 30 Chương 5: THỰC NGHIỆM ................................................................... 34 5.1. Thực nghiệm chương trình ..................................................................... 34 5.1.1. Phương pháp đánh giá ........................................................................ 34 5.1.2. Kết quả đánh giá ................................................................................. 34 5.2. Demo chương trình .................................................................................. 35 KẾT LUẬN ................................................................................................ 37 Kết luận ............................................................................................................ 37 Hướng phát triển ............................................................................................ 37 PHỤ LỤC ................................................................................................... 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... a v BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Từ tiếng Anh Giải thích CPU Central processing unit Đơn vị xử lý trung tâm GPU Graphics processing unit Đơn vị xử lý đồ họa MMORPG Massively multiplayer online role-playing game Trò chơi nhập vai trực tuyến nhiều người chơi SL Shading language Ngôn ngữ tạo bóng SV Shadow volume Vùng giới hạn bóng vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Kiến trúc phân tầng của GEM ................................................................... 3 Hình 2: Kiến trúc tổng thể của GEM ...................................................................... 4 Hình 3: Biểu đồ lớp của thành phần Các kiểu dữ liệu cơ bản ................................ 5 Hình 4: Quá trình điều phối sự kiện ....................................................................... 6 Hình 5: Kiến trúc phân tầng của Render Engine .................................................... 7 Hình 6: Tác động của Ánh sáng trong đồ họa 3D .................................................. 9 Hình 7: Vẽ vật thể với áng sáng Ambient ............................................................ 10 Hình 8: Vẽ vật thể với thành phần Diffuse ........................................................... 10 Hình 9: Vẽ vật thể với thành phần Specular ......................................................... 11 Hình 10: Kết quả của một số mô hình tạo bóng ................................................... 11 Hình 11: Kết quả của cùng một mô hình ánh sáng trên Vertex và Pixel.............. 12 Hình 12: Mô hình của SV ..................................................................................... 13 Hình 13: So sánh giữa sử dụng bản đồ pháp tuyến và thiết kế mô hình .............. 14 Hình 14: Mô hình liên kết với các thành phần khác bên ngoài ............................ 16 Hình 15: Các thành phần của mô đun Hiệu ứng ánh sáng và vật liệu .................. 17 Hình 16: Quá trình Chiếu sáng ............................................................................. 19 Hình 17: Lớp Material .......................................................................................... 20 Hình 18: Lớp LightSceneNode ............................................................................. 20 Hình 19: Sơ đồ “bật” nguồn sáng ......................................................................... 21 Hình 20: Lớp DLightSceneNode .......................................................................... 22 Hình 21: Sơ đô trạng thái “bật” nguồn sáng động ................................................ 23 Hình 22: Lớp DLightEffect .................................................................................. 24 Hình 23: Ví dụ về một lớp sử dụng DLightSceneNode ....................................... 25 Hình 24: Quá trình chiếu sáng bằng hệ thống ánh sáng động .............................. 26 vii Hình 25: Lớp Shadow ........................................................................................... 27 Hình 26: Sơ đồ trạng thái vẽ bóng ........................................................................ 27 Hình 27: Lớp ShadowEffect ................................................................................. 28 Hình 28: Cấu trúc dữ liệu tính toán Vùng đổ bóng .............................................. 29 Hình 29: Sơ đồ hoạt động của renderShadow() .................................................... 30 Hình 30: Lớp BumpSceneNode ............................................................................ 30 Hình 31: Tính ma trận chuyển từ không gian World sang không gian Texture ... 31 Hình 32: Sơ đồ lớp BumpEffect ........................................................................... 32 Hình 33: Sơ đồ hoạt động của phương thức render() của BumpSceneNode ....... 33 Hình 34: Hình hộp sử dụng hiệu ứng bump ......................................................... 36 Hình 35: Trò chơi cờ vua ...................................................................................... 36 Hình 36: Khung cảnh bên trong một ngôi nhà ..................................................... 36 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Dòng card đồ họa được GEM hỗ trợ ......................................................... 4 Bảng 2: Bảng đánh giá Thực nghiệm 1 ................................................................ 34 Bảng 3: Bảng đánh giá Thực nghiệm 2 ................................................................ 35 Bảng 4: Bảng đánh giá Thực nghiệm 3 ................................................................ 35 1 MỞ ĐẦU Với xu hướng phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần cứng (cụ thể là các phần cứng xử lý đồ họa lập trình được và các ngôn ngữ lập trình trên phần cứng này) và công nghệ mô phỏng và giải trí, các ứng dụng đồ họa và trò chơi 3D được xây dựng và phát triển ngày càng nhiều. Cách đây 20 năm, các ứng dụng này rất đơn giản và chỉ cần một người hoặc một nhóm nhỏ người phát triển. Nhưng ngày nay, với tính năng xử lý đồ họa và tương tác ấn tượng thường được phát triển bởi một đội ngũ đông đảo gồm nhà thiết kế, lập trình viên… trong khoảng thời gian liên tục từ một đến ba năm. Để đảm bảo các yêu cầu: hỗ trợ một dải phần cứng và phần mềm (hệ điều hành) lớn, có khả năng lựa chọn API đồ họa mức thấp (OpenGL, OpenGL ES hay DirectX), dễ dàng quản lý và phát triển các tài nguyên, và có khả năng tái sử dụng mã nguồn cao; các ứng dụng này thường được phát triển lên từ một game engine thay vì phát triển từ nguyên thủy. Ở Việt Nam hiện nay, các trò chơi trực tuyến mới chỉ thực sự thâm nhập vào thị trường cách đây 06 năm; chỉ trong khoảng thời gian ít ỏi đó, chúng ta đã hình thành hàng chục các nhà phát hành, và số trò chơi trực tuyến được phát hành cũng tương ứng với số lượng đó. Nhưng một thực trạng đáng buồn là gần như hầu hết các trò chơi trực tuyến đang được phát hành nhập khẩu từ nước ngoài, chủ yếu là Trung Quốc và Hàn Quốc (trừ một số trò chơi nhỏ chơi trên nền web như đánh bài, đánh cờ…). Một câu hỏi mà có lẽ tất cả người chơi đều trăn trở là “bao giờ mới được chơi game Việt Nam?”. Từ thực tế đó, chúng tôi chọn đề tài này không có tham vọng quá lớn, mà chỉ muốn đi những bước 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 giải đáp trăn trở của cộng đồng người chơi game Việt Nam. Khóa luận nghiên này cứu xây dựng một hệ thống Game Engine đa nền tảng (được đặt tên là GEM) (trước mắt sẽ hỗ trợ Window PC và Linux PC) và nhắm đến thị trường trò chơi nhập vai trực tuyến. Đây là mục tiêu dài hạn, còn hiện tại, do hạn chế về thời gian (khoảng 5 tháng) nên chúng tôi chỉ tập trung hoàn thiện thành phần Render Engine trong Game Engine. Để giải quyết vấn đề này, khóa luận tập trung nghiên cứu và phân tích môi trường phát triển đồ họa 3D (gồm cả phần cứng và phần 2 mềm), các công nghệ đã được triển khai trong một số game engine khác hiện có trên thị trường. Từ đó khóa luận đưa ra phương pháp và xây dựng hệ thống tổ chức và quản lý bộ nhớ, cũng như các đối tượng trong khung cảnh 3D. Ngoài ra, khóa luận cũng nghiên cứu và triển khai các hiệu ứng (ánh sáng, nước, lửa…), các mô phỏng vật lý (hệ thống hạt, trường lực…), các tối ưu về bộ nhớ, tốc độ xử lý và thiết kế mô hình đối tượng trong khung cảnh 3D. Bố cục của khóa luận bao gồm phần mở đầu, phần kết luận và 5 chương nội dung được tổ chức như sau: Chương 1: Trình bày các khái niệm về Game Engine, cách tiếp cận và phương pháp sử dụng để triển khai hệ thống Game Engine đa nền tảng. Chương này cũng trình bày mô hình chung của một Game Engine và một số thành phần cơ bản khác của hệ thống. Chương 2: Trình bày các cơ sở lý thuyết để xây dựng nên mô đun Hiệu ứng ánh sáng và vật liệu. Trong đó chương này trọng tâm vào trình bày một cách tổng quan nhất về các lý thuyết được áp dụng để thiết kế và cài đặt mô đun này. Chương 3: Trình bày mô hình tổng quan của mô đun Hiệu ứng ánh sáng và vật liệu. Đó là đưa ra quan hệ giữa mô đun này với các mô đun khác trong hệ thống, cũng như quan hệ giữa các thành phần trong cùng mô đun. Chương 4: Trình bày chi tiết việc cài đặt các thành phần cơ bản của mô đun Hiệu ứng ánh sáng và vật liệu. Đó là cấu trúc lớp để quản lý các thành phần của hệ thống, và các luồng điều khiển thực thi. Chương 5: Trình bày các đánh giá thực nghiệm và các demo tính năng mà mô đun Hiệu ứng ánh sáng và vật liệu thực hiện được. 3 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ GEM 1.1. Khái niệm Game Engine Game Engine là một công cụ hỗ trợ, một lớp trung gian ở giữa các ứng dụng game và nền tảng bên dưới, các thư viện lập trình cấp thấp. Game Engine giúp phát triển ứng dụng game một cách nhanh chóng và đơn giản, đồng thời cung cấp khả năng tái sử dụng mã nguồn cao do có thể phát triển nhiều ứng dụng từ một game engine. Hình 1: Kiến trúc phân tầng của GEM GEM là một game engine nên dĩ nhiên nó cũng tuân theo mô hình này (Hình 1). 1.2. Mô hình của GEM 1.2.1. Các đặc điểm của GEM Như đã giới thiệu, GEM hỗ trợ đa nền (Window PC và Linux PC) và nhắm đến thị trường phát triển game nhập vai trực tuyến, nên GEM có các đặc điểm sau: Đầu tiên là khả năng chạy đa nền. Để đạt được điều này, GEM sử dụng các bản build khác nhau trên các nền tảng khác nhau (chứ không phải 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 ảo – vì việc nằm sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất chương trình [4][5]. Cũng vì lí do này chúng tôi lựa chọn 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; và sử dụng Cg Shading Language làm ngôn ngữ tạo bóng. Thứ hai, 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. 4 Cuối cùng, do GEM nhắm đến thị trường phát triển game nhập vai trực tuyến, nên sẽ được thiết kế để tương thích với một phạm vi rộng cấu hình phần cứng, dự kiến sẽ hỗ trợ các card đồ họa hỗ trợ OpenGL 1.4 và Shader 1.0 trở lên (Bảng 1). Bảng 1: Dòng card đồ họa được GEM hỗ trợ Hãng sãn xuất Dòng card hỗ trợ nVIDIA Từ GeForce4 Ti trở lên ATI Từ Radeon 9500 trở lên Intel (card tích hợp) Từ Intel® GMA 3100 (chipset G31,Q33) trở lên 1.2.2. 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 của GEM 5 Do giới hạn về thời gian, nên phạm vi của luận văn này chúng tôi tập trung hoàn thành các 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 tác với chúng. 1.2.2.1. Thành phần Cấu trúc 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…, và các phép toán trên các kiểu dữ liệu đó; cung cấp cho thành phần khác sử dụng. Hình 3: Biểu đồ lớp của thành phần Các kiểu dữ liệu cơ bản Các kiểu dữ liệu này có thể chia thành 02 nhóm chính: - Các yếu tố trong không gian 3D: o Vector2, Vector, Vector4: các loại vector biểu diễn tọa độ 2 chiều, 3 chiều và đồng nhất. o Aabb: hình hộp chữ nhật có các cạnh dọc theo các trục xyz, được mô tả bằng 2 điểm (xmin, ymin, zmin ), (xmax, ymax, zmax). 6 o Sphere: hình cầu được mô tả bởi tọa độ tâm và bán kính. o LineSequent, Line, Ray: mô tả đoạn thẳng, đường thẳng, và tia.