Как написать свой графический движок

How I made a game engine from scratch?

The text below was originally posted on SDSLabs’ blog site which is a group of college students that like to make digital products. I should mention that I was a complete beginner when I started. I only had a handful of gamedev experiences before starting and I built away from that. Also, I will be referring to SDSLabs whenever I say ‘we’ or ‘us’.

Today we are proud to announce ‘Rubeus’! Rubeus is an open-source 2D game engine written purely in C++17 and is designed with a vision to inculcate the spirit of game development amongst the general public (specifically the IIT Roorkee junta). You can check out Rubeus at https://github.com/sdslabs/Rubeus.

What is a game engine? How is it different from a game?

A game engine, in its most mature form, is a platform that provides tools and utilities to game developers for designing and developing games based on their ideas.

To provide some comparisons, some of the most well-received games in the market have been Ubisoft games from the likes of the Assassin’s Creed franchise and the Watch_Dogs franchise. These games look and feel very similar to each other as both of these franchises have a stealth mechanic deeply rooted at their heart.

The stealth mode mechanic in Watch_Dogs 1 takes a whopping 100,000 lines of code in the game. It is not only economically impossible to regenerate and reintegrate that much amount of code for each and every game that gets released under the franchise, but would also take up a lot of the developers’ time. This is why Ubisoft has engraved the stealth mechanic in their game engine and they keep reusing it in their newer games with appropriate modifications.

Why make an entire game engine and not a game?

In reality, the development of most games at game studios starts with developing a game engine first. Creating a game without a game engine can be considered as hard-coding functionalities in a crude form. This means that if you happen to work on another project (perhaps a sequel of the previous game), you will have to again work on laying down the basic layer of functionalities that all types of games work on. It is likely that whenever you start working on a new project, a significant part of your code will be repeated every time. This practice of writing the same code every time you work on a new game is incredibly inefficient and this is a problem that we, at SDSLabs, intend to solve.

Making a game engine is a complex task and this is why most casual developers overlook the possibility of using a game engine to realize their game ideas. However, there are a lot of free alternatives out in the market. For example, you might have heard about Fortnite and the latest Tekken 7, both of which run on Epic Games Studio’s Unreal Engine 4. It has, in fact, made it possible for the Tekken franchise to finally hit the PC market. There are plenty of game engines out there but we decided to put ourselves up to the challenge of creating one for ourselves and releasing it to the public for everyone to use.

How to even start with making a game engine?

The starting days of Rubeus in the month of May 2018 were full of reading sessions. The best websites to look up information on topics that we found were related to game development are probably Gamedev.net and Gamasutra. We also recommend following r/gamedev on Reddit, which is a booming community of game developers from both indie and AAA studios.

The beginning of something amazing

One of the first hurdles that we faced was how we should implement the Rubeus engine’s architecture. We had zero levels of abstraction in our codebase and we were trying to create an API out of it that should be useful to even a newbie. This made us take a step back and we started to work on the individual modules of the engine rather than the API.

Any game engine works on a concept of what is known as the ‘Game Loop’. In the most general sense, games are recurrent programs. They do not normally shut down after their execution is complete. Instead, they often keep on repeating a particular set of instructions over and over unless the game shuts itself down or when the player has pressed the QUIT button. This is the concept of an ‘Application Loop’.

Now, let us see how game engines modify this concept so as to suit most closely to an actual game. A general game engine loop looks a bit like this:

The engine update function above consists mainly of the physics engine update and the calling all the tick functions.

A tick function is some user-defined logic that the user wants to run at every frame in the game. It may contain all of the game logic or just a frame counter to measure the FPS. Coming to the physics engine update, it is also just a function that gets called once every frame but it checks for collisions every frame, and if it finds any collisions happening then it defines what change of velocities of the colliding game objects take place in that frame.

The most important parts of making a game engine are implementing the physics update function and the render function (also known as the drawing step). These two functions are implemented independently inside the physics engine and the rendering engine. The render function just renders the scene. It applies no game logic to the scene. All logic is covered inside the update functions. Render functions tend to take care of what visual effects the user requires at a certain moment in the game.

A typical single-threaded game engine update loop should look like this:

Taking all these bits of information together, we started building Rubeus function by function. We first listed down the basic components of a game engine. To give a gist of how and what we started to work on, below is some documentation on our process of building a game engine.

Graphics Components:

A window module that talks to the OS and generates a window which allows OpenGL drawings to be rendered on the screen

This had to be done in an OS-independent way because to keep the engine cross-platform. One such library that eases this task is GLFW(“OpenGL Framework”). GLFW makes the task of drawing to the screen independent of the OS using OpenGL completely hassle-free.

A rendering module that abstracts all objects appearing in the game with the specific image/color that they use to get rendered to the screen

It is also the renderer’s job to use the specific shaders that allow the objects to get colored in a way that the shader governs. In a nutshell, shaders are bits of code (written in OpenGL Shading Language a.k.a. GLSL, in our case) that tell the GPU where each vertex is present in the 3D space and what sort of algorithms should be used to color every pixel along with what sort of effects should be applied to the rendered image.

For example, 3D games nowadays have started using a ‘Bloom’ effect to highlight bright objects on the screen.

Bloom effect is a lighting illusion that is used to make objects appear brighter than the maximum brightness of the monitor.

This particular effect i.e. Bloom effect is implemented inside shaders and the renderer uses these shaders to output graphics on the screen.

During the development of Rubeus’ renderer, that we proudly named the ‘Guerrilla Renderer’, we ran a benchmark at rendering 14,560 sprites (a.k.a. 2D objects) at 450 FPS on a GTX 1060 (6GB). We tried to crank the numbers higher and somehow managed to choke our own engine by displaying 122,300 sprites at 4 FPS. A quick reminder: No real-life game ever reaches these numbers of objects being displayed at a time. We had also tested Guerrilla only in Debug mode without any form of inlining of C++ code.

This is a test run from another benchmark that we ran.

Multithreading:

We were aware of the fact that even if we may not ever make Rubeus multithreaded in the first place, we may require the need to perform asynchronous responses such as implementing a console, or a debug menu for the user that use Rubeus to make a game for their players.

Multithreaded programs are exactly what they sound like. They are able to follow more than 1 flow of execution of code at a certain moment in time. Beware that such systems can be incredibly hard to build because improper sharing of resources and also just overuse of threading will also give a negative hit to the performance of the engine.

We have implemented a multithreaded messaging system inside Rubeus that we plan to release in v2.0. More information on this type of architecture can be found in this wonderful article about making different types of game engine architectures.

By the time we were done with the multithreading architecture and the Guerrilla renderer, it was already mid-July and we had started to realize that this project might take a while to get completed. Not because of any lack of development times but the sheer size of this project. It was about time we started to really speed things up or Rubeus would be seeing the light of the day not before 2019 or maybe even not at all.

A Physics Engine:

Rubeus’ physics engine, nicknamed ‘Awerere’ (pronounced as “auror”) is also what it sounds like. Awerere is a physics engine that works inside Rubeus and allows simulation of life-like collisions and physics of game objects.

The physics engine is an essential part of bringing any form of realism in a game. It is responsible for figuring out what objects are colliding with each other, what objects are not colliding with each other and if they are colliding, what velocities do they move away with and if they have collided, should they repel like rigid bodies or do they release some form of energy (likes of what we see in inelastic collisions amongst rigid bodies).

All these questions are what the physics engine has to find the answers for. Sometimes the user can define some customized response to collisions. For example, the user would like to open a door to another doorway if the player shoots a particular switch on the wall.

Currently, Awerere supports shapes such as boxes, circles, and planes. It handles collisions amongst all of the permutations of these objects and assigns them their final physical state after the collision. Designing Awerere and implementing the different collision algorithms was a treat because we personally like studying and realizing rigid body physics with the help of real-world physical laws.

Inputs and Sounds Manager:

In this part of the development cycle, we were slowly approaching the release date and we had already implemented and debugged the hard parts of implementing a physics engine.

We have used the popular ‘Simple and Fast Multimedia Library’, often known as just ‘SFML’ to provide Rubeus with cross-platform access to the sound devices in an organized sound manager. Rubeus now supports loading both long audio tracks like ambient and background music in addition to short pieces of audio like footsteps, gunshots, etcetera.

When we had selected GLFW for generating windows on all OSs, we also had to keep a note of how GLFW handled getting inputs from the input devices. It also provides keyboard presses along with mouse button presses, scrolling, and just plain cursor positions. But all of this is done in an asynchronous response that GLFW provides the engine. We have implemented a system that keeps track of what keys have been pressed and what keys have been released at the starting of every frame. This made up the base of creating the Input manager which we further abstracted to work by creating keybindings for each control. Multiple keys are now assignable to a single keybinding/control.

Bringing everything together

Near the end of November we were ready with all subsystems and modules that were required to make up Rubeus. But we still did not have an API or a gateway that the user could interact with.

This is when we came up with broCLI, which stands for ‘Rubeus on Command Line Interface’. broCLI is a CLI tool implemented in Golang which helps create a project structure for Rubeus. It was the perfect idea for Rubeus to use a CLI tool instead of a GUI so that users get a feeling of doing some heavy work while working with Rubeus. The user persona for Rubeus was always a beginner programmer from the start of May 2018. A CLI is probably something that they will be seeing a lot in their coming days.

Rubeus may have a GUI later but for v1.0, we are focusing only on a CLI.

Fast forward to this day

We are happy that we were able to implement such a complex piece of technology with elegance and now, we invite others to partake in this endeavor into the realms of game development.

Как создать графический движок с нуля на Python

Заявление об ограничении ответственности: я делал это не один — Мэтт и Девин также внесли большой вклад в этот проект. Кроме того, мы продолжим вносить улучшения, поэтому следите за обновлениями и не стесняйтесь вносить свой вклад на GitHub.

Честно говоря, мы не знали, насколько легко / сложно на самом деле заставить графический движок работать. Оказывается, линейная алгебра относительно проста, а код довольно прост. Эта статья будет довольно общим обзором того, как мы подошли к проблемам кода с более глубоким погружением в линейную алгебру, которую мы использовали.

Код

Чтобы проект оставался чистым, мы разделили код на три отдельных модуля.

Модуль дисплея

Прежде чем мы начали, мы поняли, что для того, чтобы наш графический движок хоть как-то работал, нам нужно иметь возможность отображать изображение на экране. Теперь библиотека пользовательского интерфейса по умолчанию в Python называется Tkinter, у которой есть свои плюсы и минусы. (Главный недостаток, с которым мы столкнулись, заключается в том, что он блокирует основной поток, и некрасиво работать с потоками, хотя это в нашем списке потенциальных оптимизаций.)

Чтобы справиться со всем этим, мы создали модуль display в нашем проекте, где находятся классы Screen и Bitmap . Screen обрабатывает задачи окна, настраивает и отключает, а также отвечает на вводимые пользователем данные. Bitmap принимает три точки и цвет и рисует соединяющий их треугольник заданного цвета (раньше это был обычный Python с Tkinter, но с тех пор добавили numpy и подушку для ускорения).

Модуль алгебры

Поскольку графический движок по своей сути содержит так много линейной алгебры, мы создали удобный модуль, который имеет несколько классов: Vec3 , Vec2 и Mat3 (матрица 3×3). На самом деле это не более чем оболочки для массива или массива массивов, но они реализуют перегрузку операторов и некоторые вспомогательные методы (подумайте о скалярном произведении, перекрестном произведении и умножении матриц), которые делают остальную часть кода намного чище. .

Модуль двигателя

Решая, как структурировать наш графический движок, я опирался на опыт работы с OpenGL, Apple SceneKit, Unity, Roblox и программу 3D-моделирования Blender. Результат наиболее точно соответствует структуре, которую использует Unity.

Самый фундаментальный объект в нашем движке — это Node . Node имеет три свойства: Mesh , Transform и Shader , а также массив дочерних узлов. Mesh — это объект, который содержит список точек ( Vec3 ) и граней (массив индексов трех точек, которые соединяет это лицо). Transform кодирует, как масштабировать, вращать и перемещать этот узел и все дочерние элементы относительно родительского узла. И Shader в настоящее время просто сохраняет цвет узла, но это в списке улучшений.

От Node идет объект Camera , который кодирует важную информацию о рендеринге сцены. И хотя Camera происходит от Node, он не поддерживает Mesh или Shader — только Transform . Он также имеет несколько других важных свойств: фокусное расстояние, ширину изображения, высоту изображения, ближнюю глубину и большую глубину. Ширина и высота довольно просты, фокусное расстояние мы рассмотрим в линейной алгебре, а ближняя глубина и дальняя глубина — это просто точки отсечки для «слишком близко» и «слишком далеко», в которых мы отбрасываем треугольники от рендеринга. — часть более крупного процесса, называемого отбраковкой.

Объект самого высокого уровня в движке — это Scene . Scene довольно прост — он просто содержит корень Node , дочерним элементом которого должно быть все в сцене, и ссылку на Camera , который следует использовать для рендеринга. У него также есть самый важный метод: render() , который заставляет все отображаться на Bitmap с использованием большого количества линейной алгебры.

Линейная алгебра

Что меня больше всего удивило, так это то, что линейная алгебра, которая заставила все работать, была действительно довольно простой. Хотя большинство людей забыли об этом, умножение матриц и векторов, которым изучают в старших классах, действительно все, что вам нужно, чтобы заставить этот движок работать.

Чтобы объяснить линейную алгебру, мы рассмотрим один вызов метода render() в нашем Scene объекте. Представим, что наша сцена содержит единственный узел со следующей сеткой:

И чтобы было интересно, почему бы нам не переместить его на (5, 20, 3) , повернуть вокруг оси z на 45 ° и удвоить его размер. Используя стандартную камеру (фокусное расстояние: 2, ширина: 4, высота: 3), мы должны получить следующее изображение:

Шаг 1. Примените преобразование

Когда мы только начинаем, каждый отдельный узел определяет свое собственное пространство. Наш куб существует в другом пространстве, чем наша камера, которая существует в другом пространстве, чем любой другой узел. Чтобы увидеть, где на самом деле вершины находятся по отношению друг к другу, нам нужно применить масштабирование, поворот и перенос каждого узла ко всем его вершинам и дочерним элементам.

Во-первых, давайте посмотрим на сам объект Transform . Для его создания мы предоставляем три вектора: перевод, поворот и масштаб. Поскольку действия поворота и масштабирования являются линейными преобразованиями, они могут быть описаны с помощью матриц и реализованы с помощью умножения матриц, поэтому код для Transform просто содержит одну комбинированную матрицу для поворота и масштабирования. С другой стороны, преобразование отображает нулевой вектор в другое место, кроме нуля, поэтому это не линейное преобразование и не может быть описано матрицей. Вместо этого он просто держится за вектор трансляции.

Учитывая Transform , довольно просто переместить вершину из одного пространства в пространство, описанное преобразованием — манипулировать указанным вектором с помощью матрицы преобразования, а затем смещать его вектором преобразования. Но что, если нам нужно выполнить преобразование для другого преобразования? (Представьте себе случай, когда у вас есть еще один узел, являющийся дочерним по отношению к нашему кубу — нам нужно применить как родительские, так и дочерние преобразования к вершинам дочернего элемента.) Что ж, оказывается, умножение матриц эквивалентно выполнению одного преобразования и потом еще один! Это означает, что мы можем создать новый Transform , который учитывает как родительские, так и дочерние преобразования, умножая матрицы и складывая переводы.

Итак, чтобы переместить каждую вершину в единое мировое пространство, мы начинаем с корня и продвигаемся вниз к каждому узлу и каждой вершине, применяя и связывая преобразования по пути. Затем мы сохраняем большой список всех новых вершин и граней (важно обновить грани, чтобы они соответствовали новому индексу каждой вершины) и передаем его следующему шагу.

Шаг 2: сортировка по W-индексу

W-индекс — одна из основных частей растеризации, которая не является стандартной линейной алгеброй. Идея проста, но важна: мы хотим нарисовать ближайшие поверхности поверх самых удаленных поверхностей. Если в вашей сцене красивое голубое небо, которое находится очень далеко, мы хотим, чтобы дерево на переднем плане не было перезаписано визуализацией треугольников неба. Чтобы решить эту проблему, для каждого лица рассчитывается индекс w или расстояние до камеры. Лица с наивысшим индексом w рисуются первыми, а лица с самым низким индексом w рисуются последними и оказываются наверху.

Чтобы вычислить лицо, нам нужно найти центр лица и вычислить квадрат расстояния от этого положения до точки фокусировки камеры. (Мы используем квадрат, потому что извлечение квадратного корня затратно с вычислительной точки зрения и замедлило бы работу нашего двигателя.) Мы столкнулись с проблемами, когда использовали среднее положение точек в качестве центра, потому что центр в конечном итоге сдвигался бы к основанию треугольник, что иногда приводит к неправильному порядку. Теперь мы вычисляем ограничивающую рамку трех точек и используем ее центр, что отлично работает.

После того, как все w-индексы вычислены, грани переупорядочиваются в соответствии с убывающим w-индексом и переходят к следующему шагу.

Шаг 3. Рисование в растровое изображение

Теперь, когда у нас есть все лица, которые мы хотим нарисовать в мировом пространстве, и они упорядочены правильно, последний шаг — превратить трехмерный мир в двухмерное изображение, которое мы можем поместить на экран.

Мы делаем это, отображая каждую вершину из мирового пространства в 2D-пространство, определяемое камерой, которое мы называем экраном. Помогает представить нашу камеру такой:

Двухмерное положение вершины задается путем рисования линии между точкой фокусировки и этой вершиной в мировом пространстве, а затем вычисления ее пересечения с экраном. Затем мы превращаем это положение пересечения в 2D-координату. Все, что не пересекает экран (который имеет определенную ширину и высоту), считается вне поля зрения камеры и не отображается, как в реальной жизни.

Математически мы достигаем этого, находя два вектора: вектор от точки фокуса к вектору, который мы хотим нарисовать, который мы назовем a, и вектор от точки фокусировки к центру экран, который мы назовем f. Точка пересечения должна находиться в плоскости экрана, а это значит, что ее компонент вдоль f должен быть равен длине f. И поскольку он будет проходить вдоль линии, соединяющей точку фокусировки и нашу вершину, это будет скалярное число, кратное a. Если мы назовем вектор от фокальной точки до точки пересечения v,, мы получим следующую систему уравнений:

Решая для s, получаем:

Теперь, когда у нас есть положение точки пересечения в мировом пространстве, мы можем превратить его в экранные координаты, найдя вектор от центра экрана к точке пересечения и вычислив компонент вдоль w и h, векторы от центра до правой границы экрана и верхней границы экрана соответственно.

Благодаря процессу преобразования вершин в координаты экрана рисование граней становится упражнением по заполнению треугольников. Мы вычисляем три линейных уравнения, которые соединяют точки, затем шагаем по оси x, используя уравнения, чтобы определить минимальное и максимальное значения y для заданного значения x.

Мой главный вывод из этого проекта состоит в том, что линейная алгебра, которая используется при создании графического движка, не является недосягаемой для всех. В качестве курса средней школы или университета по линейной алгебре и Python или как способ самообучения конечный продукт чрезвычайно полезен, а работа вполне выполнима.

Конечно, есть много улучшений, которые можно и будут делать. Эта статья будет обновляться по мере внесения серьезных изменений (особенно повышения производительности). Две функции, которыми меня интересуют: отбраковка (выяснение, какие грани не нужно рисовать) и освещение или шейдеры (так что узлов может быть больше, чем только один сплошной цвет).

Каэден Уайл — студент Вашингтонского университета, соучредитель Offsite и основатель Kilometer Creative, где он выпустил несколько игр в App Store, включая TileForm и Landr.

Как создать собственный игровой движок на Java: пошаговое руководство

Создание игр является одним из наиболее популярных и интересных направлений программирования. Если вы планируете создание своей собственной игры, то вам потребуется надежный и гибкий движок, который может обеспечить основу для вашей игры.

Один из наиболее популярных языков программирования для создания игр — Java. Этот язык программирования обладает богатой библиотекой и многими практичными инструментами для создания игр, что делает его отличным выбором для начинающих разработчиков.

В этой статье мы рассмотрим основные шаги по созданию собственного движка для игры на языке Java. Мы изучим основные компоненты и алгоритмы, которые вам необходимо знать для написания своего собственного движка для игр.

Создание собственного движка для игр на языке Java

Java — это один из наиболее популярных языков программирования для разработки игровых движков. Написание своего собственного движка на Java является интересной задачей, которая может предоставить вам большое количество опыта в программировании.

При создании собственного движка вам нужно начать с определения его функционала и основных компонентов. Это может включать в себя работу с 2D и 3D графикой, управление вводом и выводом данных, работу с анимацией и звуками.

Другой важный аспект создания собственного движка — это выбор инструментов и технологий, которые вы будете использовать. Вы можете рассмотреть различные фреймворки и библиотеки, включая JavaFX, LibGDX и другие.

Важно помнить, что создание собственного движка для игр может быть сложным процессом, который требует хорошего знания языка программирования и программирования в целом. Однако, для тех, кто ищет вызов и возможность развиваться в области разработки игр, создание своего собственного движка на Java может стать увлекательным и полезным проектом.

Определите функционал и компоненты движка
Выберите фреймворки и библиотеки, которые будут использоваться
Знание языка программирования и программирования в целом является обязательным

Подготовка к разработке

Шаг 1: Определите тип игры, которую хотите создать

Первый и самый важный шаг – определить характеристики игры, которую вы собираетесь разработать. Решите, какой жанр и тип игры вам ближе: стратегия, головоломка, аркада, RPG или что-то другое.

Далее определите, какие функции и особенности вам понадобятся в своем движке для реализации задуманного проекта.

Шаг 2: Проектирование движка

Одним из ключевых элементов разработки собственного движка является правильный проект. Сначала, продумайте, какие классы и структуры данных вам понадобятся. Проведите анализ уже имеющихся движков для игр на языке Java, изучите принципы их работы и составьте план своего движка.

Шаг 3: Определение инструментов

Выберите и установите нужные средства разработки, которые будут вам необходимы при создании движка. При разработке движка на языке Java вам может потребоваться использовать следующие инструменты:

Java Development Kit (JDK), для создания и компиляции Java-приложений;
IntelliJ IDEA или Eclipse, для разработки и написания кода;
Apache Maven, для автоматизации сборки, тестирования и управления зависимостями проекта;
Git, система контроля версий, для сохранения и переключения на разные версии вашего проекта.

Шаг 4: Написание кода

Наконец, после проектирования и выбора инструментов, настало время начать саму разработку движка.

Рекомендуется сохранять код и файлы вашего проекта на удаленном репозитории, чтобы иметь возможность вернуться к предыдущим версиям.

Шаг 5: Тестирование и отладка

После написания кода и сборки приложения необходимо протестировать все его функции и возможности в различных ситуациях. При обнаружении ошибок необходимо провести отладку и внести изменения в код.

Шаг 6: Завершение проекта

После успешного прохождения всех этапов тестирования и отладки, ваш движок готов к использованию. Теперь можно приступать к созданию игры, используя ваш новый движок.

Первичные знания Java

Java является объектно-ориентированным языком программирования, который был создан в 1991 году компанией Sun Microsystems. С тех пор он стал одним из самых популярных языков в мире программирования. Для выполнения Java-программ необходимо установить Java Development Kit (JDK) на свой компьютер.

Первым шагом в изучении Java является освоение основных концепций объектно-ориентированного программирования. К ним относятся классы, объекты, наследование и полиморфизм. Также необходимо знание основных типов данных, таких как целочисленные, вещественные и символьные.

Другим важным аспектом является работа с переменными и операторами, которые выполняют различные математические операции и логические сравнения. Также необходимо понимание работы условных операторов и циклов, которые позволяют создавать более сложные программы.

В Java используется механизм исключений, который позволяет обрабатывать ошибки и исключения в программе. Чтобы написать свой движок для игры на языке Java, необходимо иметь хорошие знания программирования на этом языке и уметь применять различные структуры данных и алгоритмы.

В целом, Java является мощным языком программирования, который обладает множеством возможностей и применений. Он может быть использован для создания игр, веб-приложений, мобильных приложений и многого другого.

Понимание принципов разработки игровых движков

Игровой движок – это программный инструментарий, предназначенный для создания компьютерных игр. Он объединяет в себе различные компоненты и алгоритмы, необходимые для реализации графического и физического движения объектов в игре, управления звуком и пользовательским интерфейсом.

При разработке игрового движка, необходимо учитывать различные аспекты, такие как качество графики, производительность, возможность масштабирования и поддержка мультиплатформенности. На всех этапах разработки нужно придерживаться основных принципов, которые позволяют создать качественный движок.

Модульность – движок должен быть разбит на отдельные компоненты, каждый из которых занимается определенными задачами, что упрощает тестирование и изменение кода.
Эффективность – движок должен работать быстро и без задержек. Это достигается оптимизацией и использованием эффективных алгоритмов.
Расширяемость – движок должен иметь возможность легко добавлять новые функции и компоненты, чтобы соответствовать требованиям различных игр.
Удобство использования – движок должен быть простым и удобным для использования разработчиками игр, чтобы уменьшить время, необходимое для создания игры.

Для разработки игрового движка на языке Java, можно использовать различные библиотеки и фреймворки, такие как LibGDX, jMonkeyEngine, Unity и Unreal Engine. Выбор конкретной технологии зависит от поставленных задач, опыта разработчиков и потребностей игры.

Основы создания игрового движка

Игровой движок — это программный код, отвечающий за работу игры. Он управляет отрисовкой графики, обработкой звуковых эффектов, физикой мира, взаимодействием объектов в игре, а также другими аспектами игрового процесса.

Для создания игрового движка на языке Java необходимо понимать основы программирования, владеть алгоритмическими навыками и знать основные структуры данных и архитектуру ПО.

Архитектура игрового движка должна быть построена с учетом задач, которые он должен решать. Обычно она состоит из трех модулей: графического движка, физического движка и игрового движка с логикой игры.

Графический движок отвечает за отображение графики и взаимодействие с графическими устройствами. Он использует графические библиотеки Java, такие как AWT или Swing.

Физический движок отвечает за обработку столкновений, гравитации и других физических законов мира, созданного в игре. Он использует математические вычисления для моделирования физических процессов.

Игровой движок связывает в себе графический и физический движки, а также реализует логику игры: управление персонажем, взаимодействие с другими объектами в игре и установление правил и условий для прохождения игры.

Для создания качественного игрового движка на языке Java необходимо иметь опыт программирования и знать основные принципы дизайна и архитектуры ПО.

Обзор возможностей библиотек и фреймворков

Разработка игрового движка на языке Java может быть ускорена благодаря использованию библиотек и фреймворков. Существует множество таких средств, не так уж и много для игровых движков, но все же их достаточно, чтобы делать выбор.

Одной из самых популярных библиотек для создания игровых движков является LWJGL( Lightweight Java Game Library). Она предоставляет доступ к OpenGL и OpenAL, что позволяет создавать игры на языке Java с прекрасной графикой и звуком. Также LWJGL имеет низкий уровень абстракции и позволяет создать полностью настраиваемый игровой движок.

Еще один хороший выбор — игровой движок jMonkeyEngine. jMonkeyEngine имеет высокий уровень абстракции и предоставляет множество инструментов для работы над игровыми механиками, интерфейсами, моделями и анимациями.

Также стоит упомянуть фреймворк JavaFX. JavaFX может быть использован для разработки игровых интерфейсов и встраивания их в созданный вами игровой движок.

Важно выбирать инструменты, которые наилучшим образом соответствуют вашим потребностям и функциональным требованиям. Изучайте документацию и рассмотрите примеры, чтобы убедиться, что выбранный вами инструмент обладает всеми необходимыми функциями и может быть легко интегрирован в ваш проект.

Разработка игровых механик

Разработка игровых механик является важной частью создания игр на Java. Механики игры определяют, как игрок взаимодействует со всеми элементами игры, включая персонажей, объекты и окружение.

Важными элементами игровых механик являются: управление персонажем, обработка взаимодействия с окружением, определение правил игры, расчет столкновений и физики, а также балансировка игровых механик.

Чтобы создать уникальную игровую механику, необходимо иметь хорошее понимание того, что делает игру интересной и как игроки будут взаимодействовать с ее элементами. Важно также тестировать игровую механику на различных уровнях сложности и принимать отзывы от игроков.

Изучение ранее созданных игр и анализ игровых механик других игр может также помочь в разработке новых механик на Java. Важно также продумать, как игровые механики будут сочетаться с графикой игры и звуковыми эффектами, чтобы создать полноценный игровой опыт для игроков.

Важно иметь хорошее понимание того, что делает игру интересной и как игроки будут взаимодействовать с ее элементами.
Тестирование и отзывы от игроков являются необходимым шагом в разработке игровых механик.
Изучение аналогичных игр также может помочь в создании новых механик.

Создание уникальной игровой механики — это сложный процесс, но с правильным планированием и тестированием можно создать увлекательный игровой опыт для игроков.

Работа с графикой и звуком

Графика. Один из важных компонентов движка игры – это работа с графикой. В Java существует множество библиотек, позволяющих создавать визуальные эффекты, отображать изображения и анимации. Библиотека AWT (Abstract Window Toolkit) и ее замена, более современная библиотека Swing – это стандартные инструменты для создания интерфейса пользователя. Есть также библиотеки, созданные специально для создания игр, например, LWJGL (Lightweight Java Game Library) и Java3D.

В конце концов, библиотека выбирается в зависимости от потребностей и целей разработчика.

Звук. Звук – это другой важный аспект игрового движка. Как правило, звук используется для создания атмосферы игры и помещения игроков в альтернативный мир. В Java для работы со звуком используется библиотека Java Sound API. Эта библиотека позволяет воспроизводить звуковые файлы в формате WAV, обеспечивать контроль над яркостью, питчем и другими параметрами воспроизведения.

Однако, если требуется более реалистичное воспроизведение звуков, можно использовать библиотеки, разработанные специально для создания звуковых эффектов и музыки. Например, Native Libraries или JASS (Java Audio Synthesis System).

Работа с графикой и звуком – это важный элемент создания игры на языке программирования Java. Разработчик должен быть в состоянии управлять графическими и звуковыми элементами игры, чтобы создать визуально и аудиально привлекательный продукт.

Эффективное управление производительностью

Производительность игры является одним из главных критериев успеха при ее создании. Чтобы обеспечить быструю работу игрового движка, необходимо правильно управлять ресурсами компьютера. Использование сборщика мусора, оптимизация кода и использование многопоточности — это лишь некоторые методы, позволяющие улучшить производительность игры.

При разработке игры на Java, рекомендуется использовать специальные библиотеки, например, JavaFX и LWJGL, которые обеспечивают оптимизированный доступ к графическим ресурсам и ускоряют обработку пользовательского ввода.

Для эффективного управления производительностью игры возможно использовать такие инструменты, как профайлеры, которые позволяют выявить узкие места в работе программы и оптимизировать их. Кроме того, можно использовать оптимизированные алгоритмы, например, алгоритмы быстрой сортировки или хэширования, которые ускоряют работу игровой механики.

Использование сборщика мусора;
Оптимизация кода;
Использование многопоточности;
Использование специальных библиотек, таких как JavaFX и LWJGL;
Профилирование кода с помощью специальных инструментов;
Использование оптимизированных алгоритмов.

Следуя этим принципам, можно обеспечить эффективное управление производительностью игрового движка, что позволит создать качественную и популярную игру.

Использование паттернов проектирования

Паттерны проектирования являются архитектурными решениями для часто встречающихся проблем в разработке программного обеспечения. Их использование позволяет улучшить структуру кода, сделать его более читаемым и уменьшить количество ошибок, которые могут возникнуть при разработке.

Некоторые из самых популярных паттернов проектирования, которые могут быть использованы при разработке игрового движка на языке Java, включают в себя паттерн «Фабрика», который используется для создания объектов в зависимости от определенных условий, а также паттерн «Стратегия», который позволяет выбирать алгоритм для выполнения в зависимости от того, какие данные вводятся в программу.

Еще один паттерн, который может быть полезным при разработке игрового движка, это «Наблюдатель», который позволяет отслеживать изменения в объектах и оповещать другие объекты об этих изменениях. Это может быть полезно для координирования действий различных игровых элементов, например, уведомлять другие объекты при изменении положения персонажа на экране.

Важно помнить, что использование паттернов проектирования не всегда является оптимальным решением для всех задач. Они должны использоваться только тогда, когда они действительно упрощают разработку и улучшают качество кода.

Если вы хотите применять паттерны проектирования при создании вашего собственного игрового движка на языке Java, то рекомендуется изучить их более подробно и использовать их в соответствии с конкретной задачей, с которой вы сталкиваетесь.

Используйте «Фабрику», чтобы легко создавать объекты.
Используйте «Стратегию», чтобы выбирать алгоритмы, которые лучше всего подходят для конкретного случая.
Используйте «Наблюдателя», чтобы отслеживать изменения и оперативно реагировать на них.

Оптимизация работы движка

Оптимизация работы движка осуществляется для ускорения игрового процесса и более плавной работы игры. Результаты оптимизации могут быть достигнуты разными способами.

Первый способ — использование быстрых алгоритмов и структур данных. Оптимизированные алгоритмы и структуры данных помогают движку работать более эффективно и меньше грузить процессор. Например, использование хеш-таблиц вместо списков позволяет более быстро искать элементы в коллекции.

Второй способ — использование потоков. Использование нескольких потоков позволяет распределить нагрузку на несколько ядер процессора, тем самым ускоряя работу движка.

Третий способ — оптимизация работы с памятью. Например, использование пула объектов для создания и удаления объектов помогает снизить нагрузку на сборщик мусора и ускорить работу движка. Также, минимизация использования объектов, необходимых для каждого обновления кадра, может снизить нагрузку на память.

Использование этих и других методов оптимизации могут значительно улучшить работу движка и создать более плавный и быстрый игровой процесс для пользователей.

Тестирование и отладка движка

Тестирование и отладка движка являются неотъемлемой частью разработки игр. Ведь движок – это не только программа, но и целая экосистема, где каждый компонент должен работать безупречно.

Для начала стоит написать тесты для каждого компонента движка. Тестирование должно быть проведено на разных операционных системах и различных устройствах. Важно убедиться, что движок работает стабильно.

Если при тестировании движка будут выявлены проблемы, нужно проводить отладку. На этом этапе нужно понимать, какой именно компонент работает некорректно. Затем нужно проанализировать код, чтобы выяснить, в чем причина ошибки. Используйте логирование для просмотра сообщений об ошибках в реальном времени.

Если ошибка была найдена и исправлена, следует перезапустить тестирование. Если все проходит успешно, то можно продолжать работу над игрой. Но не стоит забывать, что тестирование и отладка – процессы непрерывные, и их нужно проводить в течение всего жизненного цикла игры.

Никогда не пренебрегайте тестированием и отладкой своего движка. Это поможет вам создать качественную игру, которая будет приносить радость игрокам.

Подготовка тестовых сценариев

Перед тем, как приступить к созданию собственного движка для игры на языке Java, необходимо подготовить тестовые сценарии. Это позволит протестировать работу движка на различных кейсах и убедиться в его стабильности и корректности работы.

Первым шагом является определение цели и задач тестирования. Необходимо выявить основные функциональные требования и проверить их выполнение в тестовых сценариях. Кроме того, нужно определить ожидаемый результат и сравнить его с реальным в процессе тестирования.

Далее следует составление плана тестирования, который включает в себя список тестовых случаев, необходимые данные для проведения тестирования, описание ожидаемого результата и критерии оценки результатов. При составлении плана необходимо учитывать все возможные сценарии использования движка и осуществлять тестирование на наиболее распространенных платформах и устройствах.

Важным аспектом тестирования является проверка производительности и нагрузочного тестирования. Необходимо проверить, как быстро работает движок при большом количестве одновременных операций и как он справляется с нагрузкой на разных платформах.

Для проведения тестирования можно использовать как автоматические, так и ручные методы. В первом случае использование специальных инструментов и техник автоматизации позволяет сократить время тестирования и повысить качество результата. Однако ручное тестирование также является важным компонентом, поскольку позволяет выявлять проблемы, которые автоматические методы не могут обнаружить.

Тестирование игрового движка на языке Java является важным этапом в разработке любой игры. Качественно подготовленные тестовые сценарии позволят выявить и устранить проблемы в работе движка и повысить качество игры в целом.

Использование инструментов тестирования и отладки

Когда вы разрабатываете собственный движок для игры на языке Java, вам необходимо тщательно тестировать и отлаживать свой код, чтобы убедиться в его корректности и эффективности.

Для этого можно использовать множество инструментов тестирования и отладки, которые легко доступны в вашей интегрированной среде разработки (IDE). Они позволяют проанализировать производительность и стабильность вашего кода, а также выявить потенциальные ошибки и проблемы.

Например, инструменты отладки, такие как отображение значений переменных, трассировка стека вызовов и установка точек останова, позволяют вам более эффективно исследовать ваш код для нахождения ошибок. Кроме того, инструменты тестирования, такие как фреймворки JUnit или TestNG, могут упростить процесс тестирования вашего кода и увеличить его точность и доступность для будущих тестовых случаев.

Важно также не забывать о том, что тестирование и отладка — это продолжительный процесс, который требует от вас дисциплины, терпения и настойчивости. Не останавливайтесь на первом найденном баге или проблеме, стремитесь к непрерывному улучшению и оптимизации вашего кода.

В целом, использование инструментов тестирования и отладки является важным компонентом процесса разработки движка игры на языке Java. Они помогают защитить ваш код от ошибок и повысить его качество, что в конечном итоге приведет к большей уверенности в вашем продукте и его успехе на рынке.

Взаимодействие движка со средой

Для того чтобы написать собственный движок на языке Java, необходимо понимать, как он будет взаимодействовать со средой выполнения.

Первым шагом является выбор платформы, на которой будет работать движок. В Java существует несколько платформ, под которые можно разрабатывать приложения: Java Platform, Standard Edition (Java SE), Java Platform, Enterprise Edition (Java EE) и Java Platform, Micro Edition (Java ME).

После выбора платформы необходимо учитывать возможные ограничения среды выполнения, такие как доступ к файловой системе, свободное использование ресурсов памяти и процессорного времени.

Разработчик должен уметь обращаться к аппаратному обеспечению, такому как графический ускоритель, сетевая карта, аудиокарта и другие устройства, для обеспечения выбранного уровня функциональности. Он также должен уметь взаимодействовать с пользовательским интерфейсом, например, с помощью системы событий и обработки исключений.

Наконец, движок должен обеспечивать соответствующий уровень безопасности, включая проверку прав доступа и обработку возможных уязвимостей.

Конечно, каждый разработчик имеет свои особенности и подходы в разработке движков для игр, но знание основных принципов взаимодействия со средой выполнения позволит создать стабильный и качественный продукт.

Создание пользовательского интерфейса и управление

Пользовательский интерфейс является одной из ключевых частей любой игры. В нем игроки взаимодействуют с игровым миром, управляют персонажами и совершают действия, необходимые для достижения целей. Создание качественного пользовательского интерфейса является задачей, которой следует уделить должное внимание.

В Java для создания пользовательского интерфейса используется библиотека JavaFX. Она позволяет создать интерфейс, полностью соответствующий потребностям игры. В JavaFX есть множество готовых элементов интерфейса, таких как кнопки, текстовые поля, лейблы, таблицы и многое другое, что позволяет без особых усилий создать интерфейс.

Управление это еще одна важная часть игры. Ее задача — дать игрокам ощущение полного контроля над игровым миром. Для этого важно выбрать правильную систему управления, которая позволит игрокам легко и удобно управлять персонажами и окружением.

В Java для управления в играх используется механизм обработки событий. События могут быть вызваны различными действиями, например, нажатием на кнопку или движением мыши. После того, как событие произойдет, вызывается метод обработки события, который обрабатывает действия после события. Программисту необходимо правильно настроить обработку событий, чтобы игроки могли управлять игрой легко и удобно.

Вывод: Создание пользовательского интерфейса и управление — это две ключевые составляющие любой игры. В JavaFX есть множество готовых элементов интерфейса, которые позволяют создать качественный и удобный интерфейс, а механизм обработки событий позволяет правильно настроить управление в игре. Соответствие пользовательского интерфейса и управление целям игры — это факторы успеха любой игры.

Работа с файлами и сохранением прогресса

При разработке игр на языке Java, важно уметь сохранять прогресс игрока. Для этого можно использовать файловую систему и работать с файлами. Java предоставляет множество инструментов для работы с файлами, что позволяет создать собственный формат сохранения игры.

Одним из самых простых и удобных способов сохранения данных в Java является использование класса ObjectOutputStream. Он предназначен для записи объектов в файл. Для чтения данных из файла используется класс ObjectInputStream.

Для сохранения прогресса игры, можно создать отдельный класс SaveGame, который будет сериализоваться в файл. В этом классе могут храниться данные об уровне, инвентаре, здоровье и другие параметры игрока.

Кроме сериализации объектов, можно использовать текстовый формат файла для сохранения данных. Например, можно записывать данные в формате JSON или XML. Это поможет сделать данные более читабельными и позволит легко расширять формат сохранения в будущем.

Важно помнить, что при работе с файлами следует учитывать возможность ошибок. Например, файл может быть поврежден или не найден. В таких случаях необходимо предусмотреть обработку ошибок и вывести соответствующее сообщение для пользователя.

Расширение функционала и улучшение проекта

Если вы хотите создать игру на языке Java и написать движок для нее, то вам нужно быть готовым к расширению функционала в процессе работы над проектом. Один из способов улучшения проекта — это добавление новых элементов геймплея, таких как новые уровни, персонажи или способности.

Кроме того, можно усовершенствовать графику и звук в игре. Для этого можно использовать JavaFX, который позволяет создавать более сложные элементы интерфейса и работать со звуком.

Еще один важный аспект — это оптимизация производительности вашего движка. Она может быть достигнута путем оптимизации алгоритмов и ускорения работы кода. Для этого необходимо постоянно анализировать и тестировать ваш движок, чтобы узнать, что можно улучшить.

Также можно добавлять настройки для игроков, такие как настройка управления, настройка графики и звука. Эти настройки помогут игрокам настроить игру на свой вкус, что сделает игровой процесс более удобным и приятным.

В целом, расширение функционала и улучшение проекта — это постоянный процесс, который включает в себя работу со стороны разработчиков и фидбэк от пользователей. По мере того, как ваша игра будет развиваться, вы будете получать новые идеи и искать способы улучшения ее функционала.

Примеры дополнительных функций движка

1. Реализация движка физики

Для большинства игр жизненно важна реалистичная физика. Для этого в своем движке можно реализовать физический модуль, который будет отвечать за расчет движения объектов на сцене, гравитации и столкновений между ними. Дополнительно можно добавить возможность настройки физических параметров объектов.

2. Работа с звуком и музыкой

Эффекты звука и музыки могут значительно улучшить впечатление от игры. Движок может поддерживать форматы звуковых файлов, воспроизводить музыку на разных этапах игры (например, на главном меню, на уровнях, во время битв), применять звуковые эффекты в игровых ситуациях и т.д.

3. Интеграция с социальными сетями

Для многих игр социальные функции позволяют сделать игру интереснее и расширить аудиторию. В своем движке можно реализовать функции логина через социальные сети, поделиться результатами и достижениями в социальных сетях, создать рейтинг игроков и т.д.

4. Поддержка моддинга

Многие игры позволяют игрокам создавать свои собственные моды и дополнения. В своем движке можно предусмотреть интерфейс и инструменты для создания и загрузки модификаций, а также сделать их совместимыми с другими модами.

5. Режим мультиплеера

Мультиплеерный режим может значительно расширить возможности игры. В своем движке можно реализовать функции сервера и клиента, возможность игры по интернету и локальной сети, разные режимы мультиплеера (кооперативный, соревновательный, командный и т.д.) и т.д.

Оптимизация кода и улучшение производительности

Одной из ключевых задач при создании своего собственного движка для игры на языке Java является оптимизация кода и улучшение производительности. Это поможет создать игру, которая работает быстро и без сбоев.

Один из способов оптимизации кода — это избегать использования циклов внутри других циклов. Циклы могут быть очень ресурсоемкими, поэтому их использование внутри других циклов может замедлить работу программы. Разбивайте сложные операции на более мелкие, чтобы избегать таких проблем.

Еще один способ повышения производительности — это ограничение числа объектов, которые используются в игре. Чем больше объектов в игре, тем больше памяти и процессорного времени требуется для их обработки. Периодически удаляйте неиспользуемые объекты и используйте рекурсию вместо большого числа циклов.

Если у вас есть возможность, используйте многопоточность. Она позволит распределить нагрузку на несколько ядер процессора и ускорит работу программы. Это особенно важно для игр с большим количеством объектов и событий.

Наконец, не забывайте об общей оптимизации системы. Выберите оптимальные настройки для JVM и операционной системы, используйте библиотеки, которые предоставляют быстрый доступ к данным, и избегайте использования медленных операций ввода вывода данных.

Вывод: при создании своего собственного движка для игры на языке Java, оптимизация кода и улучшение производительности должны быть в центре внимания. Используйте различные методы, которые помогут создать быструю и стабильную игру.

Поддержание и обновление проекта

После того, как вы создали свой собственный движок для игры на языке Java, необходимо поддерживать его и обновлять, чтобы он работал стабильно и без ошибок.

Один из наиболее важных аспектов поддержания проекта — это регулярное обновление библиотек и фреймворков, которые были использованы в процессе разработки. Это может потребовать установки обновлений и исправлений, выпущенных разработчиками.

Также, следует убедиться, что проект соответствует последним версиям Java и его компонентов. Некоторые функции и методы могут быть устаревшими и заменены на более эффективные альтернативы, которые будут полезны для улучшения производительности и соответствия современным стандартам.

Если вы планируете добавлять новые функции в игру, то важно помнить о возможных проблемах совместимости. Поэтому рекомендуется тестировать новый код и функциональность на отдельной ветке, чтобы легко понимать, как изменения влияют на работу программы в целом. Не забывайте делать резервные копии всех файлов, если вы работаете с основным кодом игры.

Надо поддерживать «здоровый» код, который легко читать и понимать, документируя основные элементы кода для будущих разработчиков.
Также следует иметь план продолжительности и поддержки проекта в целом, особенно если вы планируете реализовывать масштабные изменения. Заранее продумывайте, какие ресурсы и время вам понадобятся для обновления и поддержки проекта в перспективе.

Многие успешные игры и проекты на основе Java захватывают сердца игроков и пользователя и оставляют след на долгое время. Не забывайте поддерживать свой проект со всей осторожностью, чтобы он работал безупречно и оставался неизменным на протяжении многих лет.

Для каких игр можно написать свой движок на языке Java?

На языке Java можно написать движок для любой игры, но особенно удобно это делать для игр с 2D-графикой. Это могут быть игры в жанре аркады, платформера, стратегии и многие другие.

Какие знания и навыки нужны для написания собственного движка?

Для написания собственного движка на языке Java необходимо обладать знаниями по основам ООП, знать Java API, уметь работать с графическими библиотеками, понимать основы работы сетей и многопоточности, уметь проектировать архитектуру программы.

Что такое игровой цикл и как его реализовать в своем движке?

Игровой цикл – это основная часть любого игрового движка, отвечающая за обновление и отображение игровых объектов. Реализуется он в виде бесконечного цикла, в котором происходит обработка всех событий, изменение координат и свойств объектов, отрисовка нового кадра и задержка.

Какие преимущества и недостатки есть у написания своего движка?

Преимущества: полный контроль над архитектурой, возможность интеграции с другими инструментами, лучшая оптимизация, экономия времени и денег в долгосрочной перспективе. Недостатки: высокая сложность и затраты времени на разработку, трудности с обеспечением качества, отсутствие поддержки со стороны сторонних разработчиков.

Как использовать готовые игровые движки в Java?

В Java есть множество готовых игровых движков, например, JavaFX, libGDX, jMonkeyEngine и др. Их использование значительно ускорит разработку игры, т.к. в них уже реализованы многие функции и классы. Для использования нужно подключить нужные библиотеки и начать писать код в соответствии с их документацией.

Сказ о том, как я свой воксельный 3д движок создавал

Дисклеймер: несмотря на многие ограничения и практически отсутствующий инструментарий, этот проект все-таки является 3д-движком, т. к. позволяет в режиме реального времени визуализировать трехмерную сцену. Unity3d используется исключительно как способ доступа к нужным мне технологиям. Штатный рендер Unity не используется.

Рендер трехмерного мира являет собой чрезвычайно сложную задачу, как с точки зрения объема работы, так и с используемого математического аппарата. В связи с этим проще и эффективнее доработать старое двигло с учетом новых технологий, чем писать с нуля движок. Даже самые новые игровые движки, типа CryEngeich, Unity 2015-2020, EU4-5 содержат в своей основе год бородатых годов. А может и не содержат, свечку не держал, исходники не видел. Итак, позволить себе создание нового 3д движка могут или крупные компании или, напротив, инди-студии, которым нечего терять можно и можно пуститься во все тяжкие

Самый распространенным способ описание трехмерной модели объекта является полигональная модель. Модель задается в виде массива вершин и отношений между ними:

пара вершин образует ребро
три ребра образуют треугольник
множество треугольников образуют трехмерную поверхность

Этот способ позволяет описывать объекты любой сложности и размеров, но полностью игнорирует внутренне устройство объектов — потому что полигональная модель описывает только форму поверхности. Так же реализация динамического изменения модели очень сложна, неочевидна и имеет ограничения.

Другой способ задание трехмерной сцены — это использование так называемых вокселей — трехмерных писелей. В этом случае трехмерная сцена задается как трехмерный массив цветов. Это решение кажется довольно интуитивным, но из-за многих проблем не получило должного распространения. Основным ограничениями являются:

затраты видеопамяти при рендере пропорциональны размеру сцены
фундаментальная угловатость мира, связанная с тем, что сцена задается в виде «кубиков»
невозможность текстурирования объектов
сохраненное на диске состояние сцены занимает большой объем памяти

Однако, воксели имеют уникальные положительные стороны:

возможность легко изменять объекты на сцене
физически корректная реализация распространения света в полупрозрачных телах
полный контроль за процессом рендеринга из-за его простоты
возможность создания физической симуляции мира на уровне поведения отдельных частиц

Предистория разработки этого движка началась ещё в 2003 году, когда в журнале Game. exe была выпущена статья о разработке компьютерной игры «Периметр: Геометрия войны». В моей памяти навсегда остались описание деформируемого в реальном времени ландшафта, по которому медленно ползут танки, которые обстреливают гаубицы на искусственных насыпях. »Периметр» навеки стал для меня эталоном стратегии, пускай даже сама игра была не столько хороша, как в моих мечтах. Идея использовать ландшафт в качестве основного элемента игрового процесса крепко поселилась в голове. И, когда я в 2019 году узрел на Хабре статьи, посвященные использованию вычислительных шейдеров я понял — настало то самое время. Идея создать свой воксельный движок не имела конкретной цели (вроде создания игры), но начав я уже не мог остановится.

Сцена для рендера представляет собой Texture3D, т. е. трехмерный массив, где индекс обозначает положение вокселя в трехмерном пространстве, а хранится в нем его цвет в формате RGBA (Red, Green, Blue, Alpha). Размер сцены составляет 256x256x256 вокселей. Для каждого пикселя экрана из точки положения наблюдателя (камеры) выпускается луч, в направлении данного пикселя. Далее в цикле происходит «шагание» по лучу, где читается цвет из трехмерной текстуры, где индекс — это округленные координаты текущей точки. Если прозрачность цвета близка к нулю — то цикл продолжается дальше. Если прозрачность цвета больше нуля — то пиксель закрашивается в этот цвет и цикл прерывается. Вот такой простой алгоритм, дающий, тем не менее рендер в реальном времени. На самом деле я его позаимствовал его из этой статьи.

Так как я статью не понял, у меня получился свой собственный рабочий алгоритм.

Что бы не тянуть интригу — мне удалось сделать с нуля рабочий рендер 3d сцены на Юнити, собрав при этом чуть ли не все возможные проблемы.

Самого старого варианта, с белым шаром в пустом пространстве, не сохранилось. Однако, и на этом скриншоте видны характерные черты воксельного рендера — угловатость пейзажа и его низкое разрешение. Но картинка есть! Я не знаю, кто будет читать эту статью и настолько мой читатель будет грамотен в вопросах компьютерной графики. Поэтому, я должен сказать, что сделанное мной даже на этапе скриншота — значительный успех. На каждом шагу меня подстерегали неразрешимые проблемы, любая из которых могла меня навсегда остановить, а хитроумным решениям для обхода глюков несть числа. Результатом является стабильный рендер картинки с частотой 30 герц и смутные перспективы на будущее технологии. Останавливаться на достигнутом было слишком просто, к тому же такой результат не годился для практического применения.

Иметь алгоритм — это хорошо, но иметь конкретную реализацию — несравнимо лучше. Для простоты я использовал игровой движок Unity. Мой движок состоит из двух основных компонентов — скрипты для управления процессом рендера и compute shader (вычислительный шейдер) для самого процесса рендера. Вычислительный шейдер — это очень полезная и оригинальная технология, которая позволяет запускать на видеокарте любой выполнимый код и возвращать результат обратно на сторону процессора. В отличии от процессора, видеокарта при помощи compute shader может параллельно обрабатывать миллионы потоков, что идеально подходит под задачу. Однако, сложность заключается в том, что вычислительными шейдерами трудно управлять и ещё сложнее отлаживать.

Просто рендера непрозрачных тел не хватает для красивой и убедительной картинки, поэтому следующий логический шаг — это добавление к рендеру освещения. Собственно, освещение — это и есть основная задача 3д-движков. Все графические технологии направлены на улучшение освещения и приближения его к реальной физике распространения света. Для моего случая вполне допустимо использовать простые законы геометрической оптики. Алгоритм:

из источника света выпускается луч для каждого вокселя, каждый воксель обрабатывается параллельно
в цикле происходит шагание по лучу и проверяется наличие препятствий для распространения света. В случае их отсутствия воксель считается освещенным. В противном случае он будет неосвещенным
данные о освещенности записываются в специальную текстуру, называемую картой теней. Она имеет такое же разрешение, что и текстура изображения.
цвет пре-рендера сцены умножается на карту теней.

На самом деле этот алгоритм имеет оптимизацию, позволяющую его выполнять в экранном пространстве. Это означает, что для каждого пикселя сцены берется воксель, который виден в этом пикселе и вычисляется его освещенность. В этом случае затраты вычислений на видеокарте будут пропорциональны разрешению экрана, дальности обзора и дальности действия источников света. Для большой сцены этот метод будет значительно снижать количество вычислений.

Однако, данный метод можно улучшить, добавив отображение нескольких источников света.

На скриншоте видно две цветные тени от источников света. В общем случае такой эффект некорректен с точки зрения оптики, поскольку тени должны быть черными, а цвет должно иметь освещенное пространство. Дальнейшая работа над освещением — это использование более сложной модели освещения. Прошлая модель не учитывала расстояние от источника света и угол его падения. Новая учитывает это, что позволяет получить более красивую картинку. Для пояснения принципа работы следует рассказать, что такое нормаль. Нормалью называется вектор, который перпендикулярен поверхности и имеет длину, равную единице. По закона оптики, интенсивность освещения поверхности тела пропорциональна скалярному произведению нормали поверхности и луча света. Для создания этого механизма я для каждого вокселя вычислял его нормаль путем проверки его соседей на прозрачность. В итоге я получал карту нормалей всей сцены, которую использовал для дальнейших расчетов. В итоге, лучи света, падающие полого к поверхности, хуже освещают поверхность, чем те, которые падают перпендикулярно. Это создает более правдоподобную картинку и визуально скругляет острые грани.

На рендер на последнем скриншоте — это, пожалуй, предел того, что можно вытащить из расчет освещения в экранным пространстве. Этот метод очень производителен и дает красивую картинку. К моей великой печали, он не позволяет работать с полупрозрачными объектами, а это одно из главных потенциальных достоинств воксельной технологии. Я испробовал много СПОБСобов обойти это ограничение, но лишь доказал, что это невозможно. печальный результат можно увидеть на картинке ниже.

Когда я понял фундаментальные ограничения старой системы, то было сложно справится с печалью. Требовалось радикально отойти от старого алгоритма, что бы продвинутся дальше. Мой новый алгоритм (названный «Accumulation de perte de lumière» или «Pertalum») имитирует реальное распространение света. Суть этого алгоритма заключается в использовании особой трехмерной текстуры, названной картой светопотерь. При расчете лучей в эту текстуру сохраняется цвет, который равен потери яркости луча при прохождении через данный воксель. Эти вычисления применяются для всех вокселей сцены. Да, для всех 16 миллионов. Результатом была довольно красивая картинка ценой чудовищных вычислительных затрат.

При запуска получилась приятная картинка и неприятное явление в лице загрузки видеокарты на 100%. Я долго думал как уменьшить загрузку, пока не придумал поистине гениальный план.

Я купил новую видеокарту! RTX2060 (на то время она была весьма мощной).

Однако, христианское милосердие не давало мне забыть о несчастных, которые не имели мощной видюшеньки и я решил продолжить оптимизацию расчета освещения. Самым очевидным вариантом было бросать лучи из источника света во все стороны и для каждого затронутого ими вокселя производить расчет освещения. Это дало небольшой прирост производительности, за счет отбрасывание многократной обработки одного и того же вокселя. Картинку смотрите ниже.

Можно видеть так называемыелучи Бога— безо всяких дополнителньных махинаций, которые нужны в обычном движке.

На данном этапе движок выполняет максимум того, что можно выжать с существующих технологий. Дальнейшее развитие требует совершенно новых решений. Для оптимизации воксельной сцены используется так называемое восьмидрево — древовидная структура данных, в которой сцена разбивается на 8 элементов. Каждый элемент, если он не пустой, так же разбивается на восемь элементов и так до тех пор, пока не будет достигнут некий минимальный размер элемента. Если элемент оказывается пустым (содержит только прозрачные воксели) то он обрабатывается как один воксель и на нем разбиение прекращается. Как вы можете догадаться, до полноценной реализации этого у меня руки не дошли.

Создание и отладка двигла — это отдельное сказание, по эпичности сравнимое с Махабарахтой и Рагнарёком. За каждым скриншотом скрывается драма

Разработка движка началась с Unity3d. Звучит немного абсурдно, но этой самый простой способ получить доступ к необходимым мне технологиям. Разумеется, я изучил возможности главного конкурента Unity — Unreal Ingeich (ну ладно, Engine) 4. В Анрыле написание, компиляция и запуск compute shader занимают гораздо больше усилий и сомнительных плюсах. Работа с вычислительными шейдерами в Юнити укладывается в простую последовательность:

написать шейдер
сохранить его в папке Resources
в скрипте загрузить его из этой папки
назначить переменные загруженному шейдеру
запустить его

В Анрыле для этого надо выполнить множество сложных и неочевидных операций и написать уйму кода, который делает неизвестно что (во всяком случае для меня) и неизвестно как (аналогично). Возможно, подход Анрыла имеет свой плюс. Или даже два плюса (++).

Как я уже писал в прошлой части, Compute Shader — это технология, которая позволяет выполнять на видеокарте любой произвольный код и даже возвращать его на сторону центрального процессора. При обычной работе видеокарта обрабатывает 3д-сцену, формирует картинку и отправляет её в кадровый буффер, после чего она оправляется на монитор. Использование вычислительных шейдеров превращает видеокарту в отдельное вычислительное устройство. Видеокарта из-за особенностей архитектуры идеально приспособлена для параллельного выполнения множества однотипных операций над данными. Например, обработка текстуры (фильтрация, наложение эффектов и т. д.). Возьмем текстуру размером 1024х1024. В этом случае ComputeShader (далее — CS) позволяет параллельно обрабатывать все пиксели, благодаря чему этот процесс завершается за считанные миллисекунды. Центральный процессор может обрабатывать текстуру в 5-10 потоков и завершит работу за несколько секунд, чего недостаточно для создания эффектов в режиме реального времени. Однако, даже CS будет тормозить при слишком большом количестве потоков.

Сам CS представляет собой код, написанный на языке HLSL (англ. высокоуровневый язык шейдеров). Это один из диалектов си, с вырезанной работой с памятью и добавленной векторной арифметикой. CS состоит из глобальных переменных и ядер (kernel). Кернель — это обычная функция, которая имеет параметр id, который имеет уникальное значение для каждого потока. Шейдер запускается на стороне скрипта с указанным количеством потоков. Подробная информация о этой технологии тайной не является и доступна по первым ссылкам в гугле.

Если бы у меня CS и другие технологии работали точно так же, как и в руководстве — я бы добился бы такого же результата за две недели, а не за три месяца. Среди самых неожиданных проблем:

Нельзя в скрипте создать трехмерную текстуру (Texture3D) размером больше чем 256х256х170. В противном случае движок будет выдавать черный экран вместо рендера, даже если эта текстура НИГДЕ не используется. При этом никаких ошибок и предупреждений Unity не выдает и посему решить эту проблему не удалось, лишь обойти.
Для использования трехмерной текстуры необходимо дополнительно указать, что она именно трехмерная, причем в руководстве это нигде не указано. В противном случае шейдер будет выдавать ошибку, что нет третьего измерения у текстуры.
В CS в текстуру нельзя сохранять отрицательные значения цвета.
Полностью отсутствуют средства отладки шейдера, поэтому для определения проблем приходится создавать свои инструменты
Юнити последних версий имеет дурную привычку обновлятся, что приводит к крушению всего проекта. Решилось переходом на старую версию.
На ноль делить нельзя. Даже если очень хочется.

Воспоминания о разрушаемом ландшафте не давали мне покоя и я решил воплотить физическую симуляцию мира на уровне отдельных частиц. Я знал что задача была решаема и с головой пустился в разработку. Для этого пришлось отказаться от представления мира в виде обычной трехмерной текстуры. Вместо сцену я представил в виде списка частиц длиной 256х256х256. Частица представляет собой структуру, которая содержит в себе:

Цвет (куда уж без него?)
Позицию в пространстве
Текущую скорость
Массу

Для визуализации оравы частиц я использовал дополнительный кернель, в котором их копировал их в другую текстуру по индексу, соответсвующую их пространственным координатам. Далее кернели рендера отсисовывают эту промежуточную текстуру. Для того, что бы можно было найти частицу по её положению, я завел ещё одну текстуру, в котором по индексу хранил номер частицы в общем списке. Фактически я реализовал указатель в языке, который их не поддерживал.

Принцип работы физической симуляции был таков:

в отдельном кернеле каждая частица меняет свою позицию на величину, равную своей скорости
Частица передает импульс другим частицам, которые она могла задеть.

Я смело предположил, что это должно работать. А на самом деле — нет. Все, что у меня получилось — это сделать падение под действием гравитации и обнаружение столкновений.