Inhaltsverzeichnis Einleitung Über das Buch Anforderungen an Computer und Grafikkarte Konventionen Feedback Danksagungen

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1 Inhaltsverzeichnis Einleitung Über das Buch Anforderungen an Computer und Grafikkarte Konventionen Feedback Danksagungen Kapitel 1 - Asteroidenjagd im Weltraum Spieleprogrammierung für Minimalisten 1.1 Über die Arbeit mit Visual C Ein Projekt Schritt für Schritt erstellen Installation des DirectX-SDK Einstellen der DirectX-Verzeichnispfade Verwendete DirectX-Bibliothekdateien 1.2 Entwurfsarbeit Titel und Beschreibung 1.3 Die Rahmenanwendung eines Spiels (Game Shell) Die Funktionsweise einer Windows-Anwendung Der Game Shell-Programmcode 1.4 Initialisierungs-, Aufräumarbeiten und Spielschleife Initialisierungsarbeiten Aufräumarbeiten Die Spielschleife (Game Loop) 1.5 DirectX Graphics Bilddarstellung Transformations- und Beleuchtungspipeline View- und Projektionsmatrizen initialisieren DirectX-Ersetzungen DirectX Graphics initialisieren DirectX Graphics beenden Ein 3D-Szenario anzeigen Basiswissen für den Schnelleinstieg Spielablauf (Game Logic) Handling der Asteroiden Sortieren der Asteroiden gemäß ihrer Kameraabstände zur Vermeidung von Darstellungsfehlern Flexible Vertexformate (FVF) Grafikprimitiven Culling von Vertexdaten Darstellung eines 2D-Sternenfeldes Texture Mapping Darstellung von Sonne und Erde, der Asteroiden, der Plasmaprojektile und des Fadenkreuzes Einfache Explosionsanimationen 1.6 Spielsteuerung mit DirectInput Globale Variablen, Definitionen, Header-Dateien und Funktionsprototypen Initialisierung des DirectInput-Hauptinterface Initialisierung eines Tastatur-Objekts Initialisierung eines Maus-Objekts Initialisierung eines Joystick-Objekts Abfrage der Tastaturnachrichten Abfrage der Mausnachrichten Abfrage von Joysticknachrichten Freigabe aller DirectInput-Objekte 1.7 Musik und 3D-Sound mit DirectX Audio Begriffserklärungen CMusicManager und CMusicSegment zwei wichtige Helper- Klassen Globale Variablen, Definitionen, Header-Dateien und Funktionsprototypen Soundobjekte erzeugen Parameter für die Wiedergabe des 3D-Sounds festlegen Soundobjekte freigeben Hintergrundmusik abspielen, stoppen und Lautstärkeregelung D-Soundbuffer vor dem Abspielen ausrichten und 3D-Sound abspielen 1.8 Zusammenfassung Kapitel 2 - Eine frei konfigurierbare Spielsteuerung 2.1 Das Demoprogramm kurz vorgestellt 2.2 Globale Variablen 2.3 Tastatur- und Joystickbelegung frei konfigurieren Die Idee hinter der praktischen Umsetzung Änderung der Tastaturbelegung Änderung der Joystickbelegung Laden und Speichern der aktuellen Tastatur- und Joystickbelegung Der Programmcode im Überblick 2.4 Visualisieren der Tastatur- und Joystickeingaben 2.5 Zusammenfassung Kapitel 3 - Hintergrundgestaltung und Spielsteuerung in 2D-Spielen 3.1 Die 2D-Tile-Engine kurz vorgestellt 3.2 Verwendete Dateiformate Speichern der Texturpfade

2 3.2.2 Speichern der Tiles 3.3 Szenenaufbau 3.4 Änderung der Kameraperspektive 3.5 Darstellung des Mauszeigers 3.6 Klassenentwürfe Die Klasse CTileEngine Die Klasse CTileQuad Die Klasse CTileTextures 3.7 Initialisierungsarbeiten Initialisierung der Tile-Engine Initialisierung eines Tilequads 3.8 Rendern der Hintergrund-Tiles 3.9 Sichtbarkeitstests Objekt-Culling Cullen der Hintergrund-Tiles 3.10 Spielsteuerung (in Strategiespielen) Abfrage der Mausnachrichten Abfrage der Tastaturnachrichten 3.11 Zusammenfassung Kapitel 4-2D-Objekte und Kameradrehungen im 3D-Raum 4.1 Asteroidenjagd im 3D-Raum 4.2 Kameradrehungen Funktionen für die Kameradrehung Objekte entsprechend ihres Kameraabstands im 3D-Raum sortieren 4.3 Spielsteuerung Verarbeiten der eingegangenen Steuerbefehle Abfrage der Tastaturnachrichten Abfrage der Mausnachrichten 4.4 Billboard-Transformationsfunktionen Ein Billboard unter Verwendung des Ortsvektors ausrichten und positionieren Ein Billboard unter Verwendung von Polarkoordinaten ausrichten und positionieren Ein Billboardkreuz unter Verwendung von Polarkoordinaten ausrichten und positionieren 4.5 3D-Sternenfeld 4.6 Hintergrundnebel 4.7 Zusammenfassung Kapitel 5 - Einstieg in die 3D-Programmierung 5.1 Direct3D-Lichtquellen und -Materialeigenschaften Ambientes Licht Direkte Lichtquellen Materialeigenschaften Vertexformate für die Arbeit mit untransformierten, unbeleuchteten Vertices 5.2 Farb- und Alphaoperationen 5.3 Multitexturing Detail Mapping Glow Mapping Dark Mapping Zurücksetzen der Farboperationen nach dem Rendern 5.4 Texturfilterung Übersicht über die möglichen Filterungstechniken Vergleich zwischen bilinearer und anisotroper Filterung Verwendung von Mipmaps 5.5 Sonne und Sonnenstrahlen 5.6 Lens Flares 5.7 Indizierte Dreieckslisten bei der Darstellung von 3D Objekten Einen Indexbuffer erzeugen Einen Indexbuffer für eine geometrische Grundform erzeugen Einen Vertexbuffer für ein Kugelmodell erzeugen Rendern einer indizierten Dreiecksliste 5.8 Planeten Planetenmodell und -Texturen Initialisierung und Darstellung eines Planeten 5.9 Sky-Sphären und -Boxen 5.10 Die physikalisch korrekte Kollisionsbeschreibung für Massenpunkte Der eindimensionale Stoß Der eindimensionale Stoß mit beliebig orientierter Kollisionsachse Der dreidimensionale Stoß 5.11 Kollisionserkennung mithilfe von Bounding-Boxen Ein einfaches Kollisionsmodell kurz vorgestellt Achsenausgerichtete Bounding-Boxen (AABB) Orientierte Bounding-Boxen (OBB) Aufbau eines AABB-Kollisionsmodells Das Kollisionsmodell im Einsatz 5.12 Verschiedenartige Objekte gemäß ihrer Kameraabstände sortieren 5.13 Asteroiden und Gesteinsbrocken 5.14 Explosionen für Fortgeschrittene 5.15 Zusammenfassung Kapitel 6-3D-Modelle

3 6.1 Ein Programm zur Modellierung von Asteroiden und Gesteinsbrocken Überblick über die verwendeten Klassen Dateimanagement Ein Asteroid-Mesh modellieren 6.2 X-Modelle (3D-Modelle im X-Dateiformat) Überblick über die verwendeten Klassen Eine X-Datei laden Ein X-Modell rendern 6.3 X-Dateien in ein eigenes Modellformat konvertieren und speichern 6.4 3D-Modelle im eigenen Modellformat laden und darstellen Überblick über die verwendeten Klassen Vertexnormalen für ein 3D-Modell berechnen 6.5 Mesh Simplification verschiedene LOD-Stufen für ein 3D-Modell erzeugen Mesh Simplification durch Kantenkollapse Die CEdge-Klasse für die Verwaltung der Eigenschaften einer Dreieckskante Alle Dreieckskanten identifizieren und ihre Seitigkeit bestimmen Diejenigen zweiseitigen Kanten bestimmen, die für einen Kantenkollaps in Frage kommen LOD-Stufen für ein 3D-Modell erzeugen 6.6 Kollisions- und Schnittpunkttests auf Dreiecks- und Vierecksbasis Die Normalenform einer Ebene Schnittpunkt mit einer Ebene Der Halbseitentest Die Klasse CTriangle Rücktransformation auf die Modellkoordinaten Dreieck-Dreieck-Schnittpunkttest Die Klasse CQuad Verbesserung der Performance der Kollisions- und Schnittpunkttests auf Dreiecksbasis 6.7 Zusammenfassung Kapitel 7 - Einführung in die HLSL- Shader-Programmierung 7.1 HLSL-Programme als Effekt-Dateien in die eigene Anwendung einbinden Effekt-Dateien genauer betrachtet Effekt-Dateien in eine DirectX-Anwendung einbinden Einen Effekt verwenden Erweiterungen 7.2 HLSL der erste Kontakt Ein einfacher Vertex Shader Ein HLSL-Programm verwenden Ein einfacher Pixel Shader Einfachstes Texture Mapping Das Texture-Mapping-Programm verwenden Zugriff auf Vektor- und Matrizenelemente nehmen 7.3 Beleuchtungsmodelle verstehen lernen Die diffuse Reflexion Die einfach-ambiente und hemisphärisch-ambiente Reflexion Die spiegelnde Reflexion 7.4 Beleuchtungsmodelle im Vertex Shader implementieren Ein Vertex Shader für die hemisphärisch-ambiente Reflexion Alternative Berechnung des Reflexionsanteils im Modellkoordinatensystem Ein Vertex Shader für die Berechnung der einfach-ambienten, direktional-diffusen und -spieg Vereinfachte Berechnung des spiegelnden Reflexionsanteils Punktlicht-Reflexionen berechnen 7.5 Per Pixel Beleuchtung mit Dotproduct3 Bump Mapping (Normal Mapping) Wie lassen sich Normalenvektoren in einer Textur speichern? Berechnung der einfach-ambienten, direktional-diffusen und spiegelnden Reflexion auf Pixel Shadow Mapping Initialisierung der Light Depth Map, des zugehörigen z-buffers und des Viewports Rendern des Tiefenabbilds der 3D-Szene aus der Blickrichtung des Lichts in die LightDepthCo Vertex und Pixel Shader zum Rendern des Tiefenabbilds der 3D Szene aus der Blickrichtung de Shadow Mapping im Detail erklärt Übergabe der für das Shadow Mapping benötigten Daten an das verwendete Shader-Programm Das Shader-Programm ShadowOnly.fx im Überblick Shadow Mapping kombiniert mit einfach-ambienter, direktional- diffuser und -spiegelnder Bel Zusammenfassung Kapitel 8 - Animation von 3D-Modellen 8.1 Key Frame- und Bone Frame-Animationen 8.2 Dateiformate für die Beschreibung der Animationsskelette und -posen 8.3 Kinematik 8.4 Klassen für die Beschreibung eines Animationsskeletts Die CJoint-Klasse für das Handling eines Gelenks (Joints) Die CBone-Struktur für die Beschreibung eines Knochens Die CJointHierarchy-Klasse für die Beschreibung einer Gelenk Hierarchie CSkeleton-Klasse für das Handling des Animationsskeletts 8.5 Darstellen der animierten Gelenkpositionen und Knochen Berechnen der Gelenk-Rotations- sowie der Gelenk- Translationsmatrizen Berechnen der animierten Gelenkpositionen im Modellkoordinatensystem Darstellen der animierten Gelenkpositionen und Knochen 8.6 Zusammenspiel zwischen einem 3D-Modell und einem Animationsskelett

4 8.6.1 Vertexformat für ein animiertes Mesh Automatische Zuordnung zwischen den Vertices eines 3D Modells und den Gelenken eines Animat Indiziertes Vertex Blending 8.7 Treffer- und Kollisionserkennung mit einem animierten Mesh 8.8 Zusammenfassung Kapitel 9 - Simulierte Physik 9.1 Das Massenpunktmodell Ein Blick ins Physikbuch Ein Dateiformat zum Speichern der Massenpunktmodell-Daten Ein Dateiformat zum Speichern der Eigenschaften der zu simulierenden Körper Berechnung von Schwerpunkt und Gesamtmasse Schwerpunktkoordinaten der Massenpunkte Die Anfangsrotation eines Körpers bestimmen Wechselwirkungskräfte zwischen den Massenelementen Newton-Reibung Bodenreibung Auftriebskraft und Schwimmfähigkeit Beschleunigung und Bewegung simulieren Die Orientierung eines Körpers berechnen Kollision zwischen zwei Körpern 9.2 Das Simulationsprogramm im Überblick Die Klasse CSimulatedBodies Die Klasse CBody Die Klasse CMassElement Die Klasse CBonding 9.3 Zusammenfassung Kapitel 10 - Weltraumgestaltung für Fortgeschrittene 10.1 Das Sonnensystem Position, Geschwindigkeit und Rotation der Planeten und Monde Initialisierung eines Asteroidengürtels Dateiformate für die Beschreibung des Sonnensystems Der CSolarSystem-Klassenentwurf 10.2 Die Spielewelt Die Klasse C3DScenario Die Klasse CGamesWorld Ablaufsteuerung der Sonnensystem-Simulation Himmelsmechanik am Beispiel der Planetenring-Asteroiden Handling der Planeten 10.3 Darstellung der Planeten und Monde Aufruf der Renderfunktionen für die Darstellung der Planeten und Monde Ein Vertexbuffer für die Darstellung der Planetenringe Renderfunktionen für die Darstellung der Planetenringe, der Planetenoberfläche sowie seine Berechnung der Normal Maps für die Beleuchtung der Planeten, Monde und Asteroiden 10.5 HLSL-Shader für die Darstellung der Sky-Sphäre, der Planeten und Asteroiden Leuchtende Hintergrundnebel auf der Sky-Sphäre Pixelgenaue Beleuchtung der Planetenoberfläche, Darstellung der Planetenringe und der Atmo Pixelgenaue Beleuchtung der Asteroiden 10.6 Zusammenfassung Kapitel 11 - Partikel-, Waffen- und Schildeffekte, dynamische Beleuchtung und Texturierung von 3D-Modellen 11.1 Einzelheiten bei der Darstellung der Raumschiffe 11.2 Rauch- und Antriebspartikel Rauch- und Antriebspartikel initialisieren und bewegen Rendern der Rauch- und Antriebspartikel eines Raumschiffs Zwei Klassen für das Handling der Rauch- und Antriebspartikel 11.3 Energieschilde Eine Klasse für das Handling des Energieschilds Der EnergyShield-HLSL-Shader 11.4 Dynamische Beleuchtung und Texturierung von 3D Modellen Rendern des Schiffsmodells Der SpaceShip-HLSL-Shader 11.5 Darstellung der Waffenobjekte 11.6 Zusammenfassung Kapitel 12 - Spielmechanik 12.1 Handling der Waffensysteme 12.2 Dynamisches Handling der Waffenobjekte 12.3 Kollisionsprävention und Treffererkennung Verwalten der Kollisionsdaten Treffererkennung Kollisionsprävention Eine Funktion für die Kollisionsprävention und Treffererkennung 12.4 KI-Programmierung Ausarbeiten einer Befehlskette Verwalten der Missionsziele eines Raumschiffs KI-Steuerung eines Raumschiffs KI-Helper-Funktionen für die Berechnung der Kurskorrekturen

5 Manövertaktiken festlegen Änderung der Flugrichtung 12.5 Zusammenfassung Kapitel 13 - Musikauswahl, Missions-Scripting und Kamerasteuerung 13.1 Abspielen der einzelnen Musikstücke 13.2 Handling der Missionsnachrichten 13.3 Beurteilung des aktuellen Missionsstatus 13.4 Kameraführung Eine Klasse für das Handling von vorprogrammierten Kameraeinstellungen Neuausrichten der Kamera Kameraverfolgung eines Raumschiffs 13.5 Zusammenfassung Kapitel 14 - Echtzeit-Wassereffekte 14.1 Wasser aus der Sicht des Spieleprogrammierers 14.2 Einbinden des Wasser-Renderers in eine Terrain Engine 14.3 Klassenentwurf für einen Wasser-Renderer 14.4 Initialisierungsarbeiten 14.5 Über dem Wasser oder unter Wasser? 14.6 Berechnung der Sichtmatrizen und Clipping Planes 14.7 Über- und Unterwasser-Polygon-Clipping 14.8 Environment Mapping 14.9 Berechnung der Bump Mapping-Matrizen Rendern des Wasserbassins Die Wasseroberfläche rendern Der High-Quality-HLSL-Water-Shader Zusammenfassung Kapitel 15 - Tageszeitänderungen und Wettereffekte 15.1 Berechnung der Uhrzeit 15.2 Die scheinbare Sonnenbahn zu verschiedenen Jahreszeiten Die Erdrotationsachse ausrichten und die Jahreszeitkorrektur Ausbreitungsrichtung, Farbe und Intensität des Sonnenlichts berechnen (Simulation der Erdd Himmelsdarstellung bei verschiedenen Witterungsverhältnissen und Tageszeiten CWeather-Klasse für die Simulation von verschiedenen Witterungsverhältnissen Niederschlagssimulation Das Himmelsgewölbe darstellen Hintergrundsterne Darstellung und Bewegung der Sonne Wolkenbewegung und -darstellung Blitze Rendern des Himmels in eine Environment Cube Map 15.4 Zusammenfassung Kapitel 16 - Terrain Rendering 16.1 Der Terrain Renderer kurz vorgestellt Terrain-Eigenschaften Terrain Tiles Texturen Environment-Mapping-Einstellungen Klassenentwürfe Einbinden des Terrain Renderers in ein Beispielprogramm 16.2 Initialisierungsarbeiten Aufruf des CTerrain-Konstruktors Die Helperklasse CTerrainMesh für die Generierung der Terrain- Vertexdaten Die Klasse CIndexBuffer für die Verwaltung eines Terrain Tile- Indexbuffers Eine Terrain Tile initialisieren 16.3 Der Terrain Renderer im Einsatz Terrain Tile unterhalb der Kamera bestimmen Den Abstand zum Terrain unterhalb der Kamera bestimmen Terrain Tile-Sichtbarkeitstest Rendern des Terrains in die Light Depth Map Rendern einer Terrain Tile in die Light Depth Map Vorbereitende Arbeiten für die Terrain-Darstellung Rendern des Terrains Rendern einer Terrain Tile Der Ultra-High-Quality-HLSL-Tile-Shader 16.4 Zusammenfassung Kapitel 17 - Architektur-Rendering 17.1 Der Architektur-Renderer kurz vorgestellt Verwendete Modellformate Klassenentwürfe 17.2 Der Architektur-Renderer im Einsatz Die Positionen der regengeschützten Flächen im Kameraraum bestimmen Suche nach den sichtbaren Gebäuden Kollisionstest zwischen den Spieleobjekten und den Fassaden- bzw. Innenraum-Konstruktionse Rendern der Gebäude Rendern eines Fassaden-Konstruktionselements

6 Rendern eines Innenraum-Konstruktionselements HLSL-Shader-Programme für die Darstellung der Konstruktionselemente 17.3 Zusammenfassung Anhang Anhang A - Die Buch-CD Anhang B - Internetseiten rund um die Spieleentwicklung B.1 Deutschsprachige Seiten B.2 Englischsprachige Seiten Anhang C - Listingverzeichnis Stichwortverzeichnis KAPITEL 12 Spielmechanik (S ) 12.1 Handling der Waffensysteme Es mag zwar moralisch etwas bedenklich sein, Tatsache ist jedoch, dass ausgefeilte Waffensysteme aus vielen Computerspielen einfach nicht wegzudenken sind. Überlegen wir uns also, wie sich die Raumschiffe in unserem SolarSystemWars-Spiel mit modernster Weltraumkriegstechnologie ausrüsten lassen. Hinweis: Für den Game Designer muss es möglich sein, jedes Raumschiff mit einer beliebigen Anzahl von Waffensystemen auszurüsten (siehe auch GameScenarios/TestSpiel1.txt). Auf keinen Fall sollte man den Fehler begehen, die Anzahl der Waffensysteme im Programmcode selbst zu beschränken. Hat man erst einmal diese Dummheit begangen, dann ist sie nur schwer wieder zu beseitigen. Übrigens, genau diesen Fehler haben wir in unserem Sternenkriege- Freeware-Projekt begangen! Bevor wir Ihnen gleich die CWeaponSystem-Klasse für das Handling eines Waffensystems vorstellen, sollten wir uns zunächst einige Gedanken über die technischen Details eines Waffensystems machen. - Position, Ausrichtung und Feuerbereich des Waffensystems: Anmerkung: Ein Waffensystem, das in alle Richtungen feuern kann, mag zwar vom technischen Standpunkt aus äußerst faszinierend sein, geht jedoch auf Kosten des Spielspaßes. Es muss immer Bereiche des Schiffes geben, die sich gefahrlos angreifen lassen. Genauso wichtig ist es, dass sich ein Schiff vor seinem Angriff immer erst in eine gute Schussposition bringen muss. - Reichweite, Mündungsgeschwindigkeit und Lebensdauer eines Waffenobjekts: Anmerkung: Mithilfe dieser drei Parameter lässt sich der Verwendungszweck eines Waffensystems festlegen. Die Möglichkeiten reichen dabei vom Kurzreichweiten-Defensivgeschütz bis zum Langreichweiten-Offensivgeschütz. - Nachladezeit und Energiebedarf des Waffensystems sowie Schadenswirkung des Waffenobjekts: Anmerkung: Je nach Raumschifftyp steht nur eine begrenzte Energiemenge zum Nachladen der Waffensysteme zur Verfügung. Aus der zur Verfügung stehenden Energiemenge und dem Energiebedarf der Waffe berechnet sich die benötigte Nachladezeit. Energiebedarf und Schadenswirkung sollten möglichst bei allen Waffensystemen im gleichen Verhältnis zueinander stehen. Damit der Spielspaß nicht auf der Strecke bleibt, sollten die technischen Details eines Waffensystems stets gut ausbalanciert sein. Beispielsweise sollte der Feuerbereich eines Langreichweiten-Offensivgeschützes nicht allzu groß sein, denn sonst gerät jeder Angriff von vornherein zu einem Selbstmordkommando. Auf der anderen Seite sollte natürlich die Schadenswirkung entsprechend hoch sein. Kurzreichweiten- Defensivgeschütze sollten dagegen einen relativ großen Feuerbereich besitzen, dafür jedoch nur geringen Schaden verursachen können (Feuerbereich kontra Schadenswirkung). Achten Sie ferner auf das richtige Verhältnis von Energiebedarf und Schadenswirkung. Ein großer Energiebedarf geht immer einher mit einer langen Nachladezeit. Während dieser Zeit regeneriert sich natürlich auch der Systemstatus des gegnerischen Schiffes. Ist das Verhältnis von Energiebedarf und Schadenswirkung schlecht gewählt, dann kann der am gegnerischen Schiff angerichtete Schaden innerhalb der Nachladezeit behoben werden mit anderen Worten, das gegnerische Schiff ist unzerstörbar. Die Waffensysteme sollten stets auf die Schiffsklasse abgestimmt sein, auf der sie zum Einsatz kommen. Beispielsweise haben Waffensysteme, die für einen schweren Kreuzer ausgelegt sind, nichts auf einer leichten Fregatte zu suchen. Die Nachladezeit wäre hier einfach zu lang. Zwar könnte man zur Verkürzung der Nachladezeit den Energiebedarf der Waffe verringern, das wäre jedoch ein unlauterer Vorteil. Die Anzahl der Waffensysteme auf einem Schiff sollte in vernünftiger Relation zu dessen Kampfkraft stehen. Sinnvollerweise berechnet man hierfür einfach den Gesamtschaden, den alle Waffensysteme bei simultanem Abschuss verursachen können und setzt diesen in Relation zur Kampfkraft. Achten Sie darauf, dass bei allen Schiffen das Verhältnis von Gesamtschaden und Kampfkraft möglichst ähnlich ist.