Засоби технології Microsoft XNA як основа розробки тривимірних ігрових додатків

Раніше в пункті 2.2 було описано роботу класу BasicModel який надавав можливість легко візуалізувати тривимірні моделі, але даний клас має один суттєвий недолік. Якщо треба візуалізувати одну тривимірну модель, але з різними текстурами, потрібно було в тривимірному редакторі створити декілька копій цієї моделі і накласти на них потрібні текстури, після чого імпортувати створені моделі до проекту, що призводить до значного збільшення розмірів ігрового додатку.

З метою надання можливості динамічного накладання текстур на тривимірну модель безпосередньо під час роботи ігрового додатку було створено спеціальний клас TexturedModel. Даний клас наслідує клас BasicModel, і має перевизначений метод Draw( ) який відповідає за візуалізацію тривимірної моделі з попереднім накладанням на неї потрібної текстури (Лістинг 6).

Лістинг 6. метод Draw( ) класу TexturedModel.

public void Draw(Camera camera, Texture2D mTexture, Effect TexEffect)

{ TexturedEffect = TexEffect;

Matrix[] transforms = new Matrix[model.Bones.Count];

model.CopyAbsoluteBoneTransformsTo(transforms);

foreach (ModelMesh mesh in model.Meshes)

{ foreach (ModelMeshPart part in mesh.MeshParts)

{ part.Effect = TexturedEffect;

// ініціалізація параметрів шейдера

TexturedEffect.Parameters["World"].SetValue(mesh.ParentBone.Transform

Matrix.CreateScale(Size) * GetWorld());

TexturedEffect.Parameters["View"].SetValue(camera.view);

TexturedEffect.Parameters["Projection"].SetValue(camera.projection);

TexturedEffect.Parameters["Tex"].SetValue(mTexture);

}

mesh.Draw();

}

}

Як було зазначено в пункті 2.2 XNA використовує динамічний конвеєр візуалізації, тому при візуалізації моделі, до кожної її частини потрібно спочатку застосувати шейдери для візуалізації, в методі Draw() класу TexturedModel на відміну від BasicModel для візуалізації моделі використовується не базовий клас XNA BasicEffect, а спеціально написаний шейдерний ефект TexturedEffect який передається разом з текстурою через параметри методу Draw() (Лістинг 7).

Лістинг 7. Приклад шейдерного ефекту візуалізації моделі з накладанням текстури.

float4x4 World;

float4x4 View;

float4x4 Projection;

Texture Tex;

sampler mSampler = sampler_state

{ Texture = <Tex>; };

struct VertexShaderInput

{ float4 Position : POSITION0;

float4 TexCoords : TEXCOORD0; };

struct VertexShaderOutput

{float4 Position : POSITION0;

float4 TexCoords : TEXCOORD0;};

VertexShaderOutput VertexShaderFunction(VertexShaderInput input)

{VertexShaderOutput output;

float4 worldPosition = mul(input.Position, World);

float4 viewPosition = mul(worldPosition, View);

output.Position = mul(viewPosition, Projection);

output.TexCoords = input.TexCoords;

return output;}

float4 PixelShaderFunction(VertexShaderOutput input) : COLOR0

{return

tex2D(mSampler, input.TexCoords);}

technique Technique1

{pass Pass1

{VertexShader = compile

vs_2_0 VertexShaderFunction();

PixelShader = compile

ps_2_0 PixelShaderFunction();}

}

Переданий в метод Draw( ) шейдерний ефект повинен мати чотири параметри, перші три це світова матриця, матриця виду і матриця проекції (П. 1.7), які потрібні для того щоб вершинний шейдер правильно розташував частину моделі в тривимірному просторі. Останній параметр це текстура яка накладається на тривимірну модель.

Таким чином клас TexturedModel надає можливість при кожній ітерації циклу візуалізації підставляючи потрібні параметри в виклик методу Draw( ) накладати на тривимірну модель нову текстуру, і для її накладання використовувати нові шейдерні ефекти.

2.5 Керування візуалізацією тривимірної сцени

Тривимірна графіка має важливу роль в будь якому тривимірному ігровому додатку, але без ігрового процесу як такого ігрового додатку не буде існувати. За реалізацію ігрового процесу відповідає компонент LogicGameObjects та самі класи ігрових об'єктів.

В методі Update() класу будь-якого ігрового об'єкту реалізована особиста поведінка даного об'єкта, тобто ті дії які він здійснює незалежно від інших ігрових об'єктів, та дій гравця. Наприклад сфера гравця та ворожі сфери мають параметр потужність удару який забезпечує рух сфери з певною швидкістю, якщо він має значення більше від нуля. Незважаючи на те, що значення цього параметра може змінюватись лише при взаємодії з гравцем або при зіткненні з іншими сферами, рух сфери в залежності від потужності не має відношення до інших ігрових об'єктів тому сам рух сфери програмується безпосередньо в класі ігрового об'єкта (Лістинг 12).

Лістинг 12. Переміщення ігрового об'єкту

if (Power != 0)

{

world = world * Matrix.CreateTranslation(Mov_Direction * Power / 5);

Power = Power - 0.5f;

if (Power < 0)

{

Power = 0;

}

}

На відміну від класів ігрових об'єктів в компоненті LogicGameObjects реалізуються всі дії які стосуються взаємодії ігрових об'єктів між собою та з гравцем, умови програшу або виграшу і інші правила гри (наприклад збільшення розміру сфери гравця при знищенні ворожої сфери, зменшення міцності сфери при зіткненні з іншою сферою, вибух сфери якщо міцність має значення нуль і т.п.) , що і є основною ігрового процесу.

2.8.2 Моделювання законів фізики при зіткненнях ігрових об'єктів

Основною частиною механіки ігрового процесу реалізованого ігрового додатку є фізика зіткнень сфери гравця з ворожими сферами, ворожих сфер між собою, та з світовою сферою.

Першим етапом обробки зіткнення будь-яких тривимірних об'єктів є безпосередньо встановлення факту наявності зіткнення. Для вирішення даної задачі компонент LogicGameObjects має два спеціальні методи Model_Collide() (Лістинг13) для виявлення зіткнення двох тривимірних об'єктів та World_Sphere_Collide () для виявлення зіткнення тривимірного об'єкта з світовою сферою. Робота обох методів ґрунтується на використанні об'єктів стандартного класу BoundingSphere. При використанні моделей в XNA автоматично створюються об'єкти BoundingSphere (обмежуючі сфери) які є частиною даної моделі. Кожна модель складається з одного або декількох об'єктів ModelMesh, а кожен об'єкт ModelMesh, у свою чергу, має властивість BoundingSphere, яка і визначає обмежуючу сферу. BoundingSphere має спеціальний метод Intersects( ) який визначає чи пересікається дана обмежуюча сфера з обмежуючою сферою іншого тривимірного об'єкта. Враховуючи той факт що всі ігрові об'єкти які присутні в створеному ігровому додатку самі по собі є сферами для визначення їх зіткнення достатньо перевірити на зіткнення їх обмежуючі сфери.

Лістинг 13. Перевірка на зіткнення двох тривимірних об'єктів

bool Model_Collide(Model M1, Model M2, float Size1, float Size2, Matrix World1, Matrix World2)

{

BoundingSphere boundingSphere1;

BoundingSphere boundingSphere2;

boundingSphere1 = M1.Meshes[0].BoundingSphere.Transform(World1);

boundingSphere1.Radius = boundingSphere1.Radius * Size1;

boundingSphere2 = M2.Meshes[0].BoundingSphere.Transform(World2);

boundingSphere2.Radius = boundingSphere2.Radius * Size2;

if (boundingSphere1.Intersects(boundingSphere2))

{

return true;

}

else

return false; }

Після того як факт зіткнення було встановлено наступним етапом є програмування реакції об'єктів на зіткнення.

Щоб визначити, як відреагувати на зіткнення, повинні бути застосовані закони фізики. Коли об'єкт стикається з поверхнею, його напрямок змінюється, тобто він відскакує. Кут нового напрямку (або вектор відображення) від нормалі точки зіткнення такий же, як у вектора який був до зіткнення, на рис. 2.3 зображено зіткнення одного об'єкта з поверхнею іншого [16].

Рис. 2.3 - Зіткнення тривимірних об'єктів

Відповідно до рис. 2.3. R - новий направляючий вектор, I - старий вектор, який був до зіткнення, N - нормаль від точки зіткнення. Новий вектор R обчислюється за наступною формулою: R = 2*( -I Dot N)*N + I причому вектори І та N повинні бути одиничними векторами.

Використовуючи дану формуло було запрограмовано механізм зіткнення сфера гравця з світовою сферою (Лістинг 14) та ворожих сфер.

Лістинг 14. Зміна вектора направлення сфери гравця при зіткненні із світовою сферою

Vector3 NewDirection;

Vector3 Start;

Vector3 PosColl;

// визначення нормалі від точки зіткнення

Start.X = ((Main)Game).loader.world_sphere.position.X;

Start.Y = ((Main)Game).loader.world_sphere.position.Y;

Start.Z = ((Main)Game).loader.world_sphere.position.Z;

PosColl.X = ((Main)Game).loader.player_sphere.world.Translation.X;

PosColl.Y = ((Main)Game).loader.player_sphere.world.Translation.Y;

PosColl.Z = ((Main)Game).loader.player_sphere.world.Translation.Z;

Vector3 Normal = PosColl - Start;

Normal.Normalize();

// визначення нового вектору напряму

NewDirection = 2 * Vector3.Dot(-(((Main)Game).loader.player_sphere.Mov_Direction), Normal) * Normal + ((Main)Game).loader.player_sphere.Mov_Direction;

((Main)Game).loader.player_sphere.Mov_Direction = NewDirection;

Крім зіткнень з світовою сферою в ігровому додатку сфера гравця також може зіткнутись як з ворожими сферами, так і ворожі сфери можуть стикатись між собою.

Зіткнення двох сфер які рухаються є більш складним випадком ніж попередній, в даному випадку ми маємо наступну ситуацію (рис 2.4) [16].

Рис. 2.3 - Зіткнення двох тривимірних сфер які рухаються

На рис. 2.3 U1 і U2 вектори швидкості двох сфер під час зіткнення. Вісь (X_Axis) - вектор, який з'єднує центри двох сфер, U1x, U2x проекції векторів швидкостей U1, U2 на вісь (X_Axis). U1y і U2y проекції векторів швидкості U1, U2 на вісь, перпендикулярну X_Axis.

Для того щоб отримати нові вектори швидкостей для обох сфер потрібно виконати наступні дії:

Знайти вісь X_Axis як нормалізовану різницю векторів кординат першої та другої сфери;

Знайти проекції швидкостей за наступними формулами:

U1x= X_Axis * (X_Axis dot U1)

U1y= U1 - U1x

U2x = -X_Axis * (-X_Axis dot U2)

U2y =U2 - U2x;

Знайти нові вектори швидкостей за формулами

V1x = (U1x+U2x - (U1x-U2x)) * 0.5

V2x = (U1x + U2x - (U2x - U1x)) * 0.5;

Знайти фінальні швидкості

V1y=U1y

V2y=U2y

V1=V1x+V1y

V2=V2x+V2y.

За допомогою даного методу в ігровому додатку було реалізовано механізм зіткнення між ворожими сферами та зіткнення сфери гравця з ворожими сферами (Лістинг 15).

Лістинг 15. Зміна векторів направлення сфери гравця та ворожої сфери при зіткненні

Vector3 pb1, pb2, U1x, U1y, U2x, U2y, V1x,V1y, V2x, V2y;

float a, b;

pb1.X = ((Main)Game).loader.player_sphere.world.Translation.X;

pb1.Y = ((Main)Game).loader.player_sphere.world.Translation.Y;

pb1.Z = ((Main)Game).loader.player_sphere.world.Translation.Z;

pb2.X = bm.world.Translation.X;

pb2.Y = bm.world.Translation.Y;

pb2.Z = bm.world.Translation.Z;

Vector3 xaxis;

// знаходження вісі x_axis

xaxis = Vector3.Normalize(pb2 - pb1);

// знаходження проекцій швидкостей

a = Vector3.Dot(xaxis,(((Main)Game).loader.player_sphere.Mov_Direction*

(((Main)Game).loader.player_sphere.Power/5)));

U1x = xaxis*a;

a = Vector3.Dot(xaxis, (((Main)Game).loader.player_sphere.Mov_Direction * (((Main)Game).loader.player_sphere.Power / 5)));

U1y = (((Main)Game).loader.player_sphere.Mov_Direction * (((Main)Game).loader.player_sphere.Power / 5)) - U1x;

xaxis = Vector3.Normalize(pb1 - pb2);

b = Vector3.Dot(xaxis, (bm.Mov_Direction * (bm.Power / 5)));

U2x = xaxis * b;

U2y = (bm.Mov_Direction * (bm.Power / 5)) - U2x;

// знаходження векторів швидкостей

V1x = (U1x + U2x - (U1x - U2x)) * 0.5f;

V2x = (U1x + U2x - (U2x - U1x)) * 0.5f;

V1y = U1y;

V2y = U2y;

Знаходження векторів направлення

((Main)Game).loader.player_sphere.Mov_Direction = Vector3.Normalize(V1x + V1y);

bm.Mov_Direction = Vector3.Normalize(V2x + V2y);

Слід зауважити, що рух ігрових об'єктів в додатку реалізовано за допомогою вектора направлення і показника потужності, а в результаті застосування наведених вище формул отримуємо вектори швидкостей які об'єднують в собі направлення та швидкість руху тривимірного об'єкта. Тому потрібно після застосування даних формул за допомогою нормалізації векторів виділити вектор направлення з отриманого вектора швидкості.

2.9 Розробка користувацького інтерфейсу