3D-Effekte für Spieleprogrammierer

Transkript

1 3D-Effekte für Spieleprogrammierer Die praktische Referenz ALEXANDER RUDOLPH

2 INHALTS- VERZEICHNIS

3 Einleitung 17 Über das Buch 18 Anforderungen an Computer und Grafikkarte 18 Konventionen 19 Feedback 19 Danksagungen 19 1 Asteroidenjagd im Weltraum Spieleprogrammierung für Minimalisten Über die Arbeit mit Visual C Ein Projekt Schritt für Schritt erstellen Installation des DirectX-SDK Einstellen der DirectX-Verzeichnispfade Verwendete DirectX-Bibliothekdateien Entwurfsarbeit Titel und Beschreibung Die Rahmenanwendung eines Spiels (Game Shell) Die Funktionsweise einer Windows-Anwendung Der Game Shell-Programmcode Initialisierungs-, Aufräumarbeiten und Spielschleife Initialisierungsarbeiten Aufräumarbeiten Die Spielschleife (Game Loop) 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 73 6

4 Darstellung von Sonne und Erde, der Asteroiden, der Plasmaprojektile und des Fadenkreuzes Einfache Explosionsanimationen 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 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 Zusammenfassung Eine frei konfigurierbare Spielsteuerung Das Demoprogramm kurz vorgestellt Globale Variablen Tastatur- und Joystickbelegung frei konfigurieren Die Idee hinter der praktischen Umsetzung Änderung der Tastaturbelegung Änderung der Joystickbelegung Laden und Speichern der aktuellen Tastaturund Joystickbelegung Der Programmcode im Überblick Visualisieren der Tastatur- und Joystickeingaben Zusammenfassung 132 7

5 3 Hintergrundgestaltung und Spielsteuerung in 2D-Spielen Die 2D-Tile-Engine kurz vorgestellt Verwendete Dateiformate Speichern der Texturpfade Speichern der Tiles Szenenaufbau Änderung der Kameraperspektive Darstellung des Mauszeigers Klassenentwürfe Die Klasse CTileEngine Die Klasse CTileQuad Die Klasse CTileTextures Initialisierungsarbeiten Initialisierung der Tile-Engine Initialisierung eines Tilequads Rendern der Hintergrund-Tiles Sichtbarkeitstests Objekt-Culling Cullen der Hintergrund-Tiles Spielsteuerung (in Strategiespielen) Abfrage der Mausnachrichten Abfrage der Tastaturnachrichten Zusammenfassung D-Objekte und Kameradrehungen im 3D-Raum Asteroidenjagd im 3D-Raum Kameradrehungen Funktionen für die Kameradrehung Objekte entsprechend ihres Kameraabstands im 3D-Raum sortieren Spielsteuerung Verarbeiten der eingegangenen Steuerbefehle Abfrage der Tastaturnachrichten Abfrage der Mausnachrichten 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 D-Sternenfeld Hintergrundnebel Zusammenfassung 178 8

6 5 Einstieg in die 3D-Programmierung Direct3D-Lichtquellen und -Materialeigenschaften Ambientes Licht Direkte Lichtquellen Materialeigenschaften Vertexformate für die Arbeit mit untransformierten, unbeleuchteten Vertices Farb- und Alphaoperationen Multitexturing Detail Mapping Glow Mapping Dark Mapping Zurücksetzen der Farboperationen nach dem Rendern Texturfilterung Übersicht über die möglichen Filterungstechniken Vergleich zwischen bilinearer und anisotroper Filterung Verwendung von Mipmaps Sonne und Sonnenstrahlen Lens Flares 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 Planeten Planetenmodell und -Texturen Initialisierung und Darstellung eines Planeten Sky-Sphären und -Boxen Die physikalisch korrekte Kollisionsbeschreibung für Massenpunkte Der eindimensionale Stoß Der eindimensionale Stoß mit beliebig orientierter Kollisionsachse Der dreidimensionale Stoß 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 Verschiedenartige Objekte gemäß ihrer Kameraabstände sortieren Asteroiden und Gesteinsbrocken Explosionen für Fortgeschrittene Zusammenfassung 258 9

7 6 3D-Modelle Ein Programm zur Modellierung von Asteroiden und Gesteinsbrocken Überblick über die verwendeten Klassen Dateimanagement Ein Asteroid-Mesh modellieren X-Modelle (3D-Modelle im X-Dateiformat) Überblick über die verwendeten Klassen Eine X-Datei laden Ein X-Modell rendern X-Dateien in ein eigenes Modellformat konvertieren und speichern D-Modelle im eigenen Modellformat laden und darstellen Überblick über die verwendeten Klassen Vertexnormalen für ein 3D-Modell berechnen 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 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 Kollisionsund Schnittpunkttests auf Dreiecksbasis Zusammenfassung Einführung in die HLSL-Shader-Programmierung 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 HLSL der erste Kontakt Ein einfacher Vertex Shader Ein HLSL-Programm verwenden

8 7.2.3 Ein einfacher Pixel Shader Einfachstes Texture Mapping Das Texture-Mapping-Programm verwenden Zugriff auf Vektor- und Matrizenelemente nehmen Beleuchtungsmodelle verstehen lernen Die diffuse Reflexion Die einfach-ambiente und hemisphärisch-ambiente Reflexion Die spiegelnde Reflexion 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 -spiegelnden Reflexion Vereinfachte Berechnung des spiegelnden Reflexionsanteils Punktlicht-Reflexionen berechnen 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 Pixelbasis 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 LightDepthColorTexture Vertex und Pixel Shader zum Rendern des Tiefenabbilds der 3D-Szene aus der Blickrichtung des Lichts in die LightDepthColorMap 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 Beleuchtung auf Pixelbasis Zusammenfassung Animation von 3D-Modellen Key Frame- und Bone Frame-Animationen Dateiformate für die Beschreibung der Animationsskelette und -posen Kinematik Klassen für die Beschreibung eines Animationsskeletts Die CJoint-Klasse für das Handling eines Gelenks (Joints) Die CBone-Struktur für die Beschreibung eines Knochens

9 8.4.3 Die CJointHierarchy-Klasse für die Beschreibung einer Gelenk-Hierarchie CSkeleton-Klasse für das Handling des Animationsskeletts 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 Zusammenspiel zwischen einem 3D-Modell und einem Animationsskelett Vertexformat für ein animiertes Mesh Automatische Zuordnung zwischen den Vertices eines 3D-Modells und den Gelenken eines Animationsskeletts Indiziertes Vertex Blending Treffer- und Kollisionserkennung mit einem animierten Mesh Zusammenfassung Simulierte Physik 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 Das Simulationsprogramm im Überblick Die Klasse CSimulatedBodies Die Klasse CBody Die Klasse CMassElement Die Klasse CBonding Zusammenfassung

10 10 Weltraumgestaltung für Fortgeschrittene Das Sonnensystem Position, Geschwindigkeit und Rotation der Planeten und Monde Initialisierung eines Asteroidengürtels Dateiformate für die Beschreibung des Sonnensystems Der CSolarSystem-Klassenentwurf Die Spielewelt Die Klasse C3DScenario Die Klasse CGamesWorld Ablaufsteuerung der Sonnensystem-Simulation Himmelsmechanik am Beispiel der Planetenring-Asteroiden Handling der Planeten 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 seiner Atmosphäre Berechnung der Normal Maps für die Beleuchtung der Planeten, Monde und Asteroiden 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 Atmosphäre Pixelgenaue Beleuchtung der Asteroiden Zusammenfassung Partikel-, Waffen- und Schildeffekte, dynamische Beleuchtung und Texturierung von 3D-Modellen Einzelheiten bei der Darstellung der Raumschiffe 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 Energieschilde Eine Klasse für das Handling des Energieschilds Der EnergyShield-HLSL-Shader Dynamische Beleuchtung und Texturierung von 3D-Modellen Rendern des Schiffsmodells Der SpaceShip-HLSL-Shader Darstellung der Waffenobjekte Zusammenfassung

11 12 Spielmechanik Handling der Waffensysteme Dynamisches Handling der Waffenobjekte Kollisionsprävention und Treffererkennung Verwalten der Kollisionsdaten Treffererkennung Kollisionsprävention Eine Funktion für die Kollisionsprävention und Treffererkennung KI-Programmierung Ausarbeiten einer Befehlskette Verwalten der Missionsziele eines Raumschiffs KI-Steuerung eines Raumschiffs KI-Helper-Funktionen für die Berechnung der Kurskorrekturen Manövertaktiken festlegen Änderung der Flugrichtung Zusammenfassung Musikauswahl, Missions-Scripting und Kamerasteuerung Abspielen der einzelnen Musikstücke Handling der Missionsnachrichten Beurteilung des aktuellen Missionsstatus Kameraführung Eine Klasse für das Handling von vorprogrammierten Kameraeinstellungen Neuausrichten der Kamera Kameraverfolgung eines Raumschiffs Zusammenfassung Echtzeit-Wassereffekte Wasser aus der Sicht des Spieleprogrammierers Einbinden des Wasser-Renderers in eine Terrain Engine Klassenentwurf für einen Wasser-Renderer Initialisierungsarbeiten Über dem Wasser oder unter Wasser? Berechnung der Sichtmatrizen und Clipping Planes Über- und Unterwasser-Polygon-Clipping Environment Mapping Berechnung der Bump Mapping-Matrizen Rendern des Wasserbassins Die Wasseroberfläche rendern Der High-Quality-HLSL-Water-Shader Zusammenfassung

12 15 Tageszeitänderungen und Wettereffekte Berechnung der Uhrzeit Die scheinbare Sonnenbahn zu verschiedenen Jahreszeiten Die Erdrotationsachse ausrichten und die Jahreszeitkorrektur Ausbreitungsrichtung, Farbe und Intensität des Sonnenlichts berechnen (Simulation der Erddrehung) 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 Zusammenfassung Terrain Rendering Der Terrain Renderer kurz vorgestellt Terrain-Eigenschaften Terrain Tiles Texturen Environment-Mapping-Einstellungen Klassenentwürfe Einbinden des Terrain Renderers in ein Beispielprogramm 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 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

13 Rendern einer Terrain Tile Der Ultra-High-Quality-HLSL-Tile-Shader Zusammenfassung Architektur-Rendering Der Architektur-Renderer kurz vorgestellt Verwendete Modellformate Klassenentwürfe 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-Konstruktionselementen Rendern der Gebäude Rendern eines Fassaden-Konstruktionselements Rendern eines Innenraum-Konstruktionselements HLSL-Shader-Programme für die Darstellung der Konstruktionselemente Zusammenfassung 831 A Die Buch-CD 833 B Internetseiten rund um die Spieleentwicklung 837 B.1 Deutschsprachige Seiten 838 B.2 Englischsprachige Seiten 838 C Listingverzeichnis 839 Stichwortverzeichnis