Game programming

Programação de Jogos: visãogeralparainiciantesdacobrinhaaoBioshockem 50 min… Fabio Fonseca – catavento.art.br

DisclaimerEstaapresentação é baseadanosmeusestudossobreprogramação de jogos. Qualquerdisparidade com autor X ou Y ou design Z ou W ou engine A ou B é porsuaconta e risco. Maselesvãotedizerque o game loop é o mesmo (bem, eumudei a ordem do game loop padrão...).

MetaEntender o Game Loop Entender o que é e quaissãooscomponentes de uma game engine

Antes de começar, o quevocêprecisa saber?ProgramarPode ser POO ouestruturadaFísica e MatemáticaSaber aquela do cursinhoajudahorrores…Google e Fórunspontov.com.br, gamedev.net, box2d.net

Let’s begin the operation!2D ou 3D, escolhendo o número de dimensõesQual o problema a ser resolvido e paraqualplataforma? Simples e original vs. complexo e padrãoTiveumaidéia! Voufazer o Resident Evil 7!O número de dimensõesnãoimportadependendodatuaescolha. Complexo e originalSe Δt -> ∞ ...

Gentleman, start your enginesSurge com Doom emmeados dos anos 90. Programado com relativaseparação entre sistemas de renderização, colisão, audio, arte, mapas e regras de jogo.Mods: a separaçãocriadapela ID permitiuque gamers individuais e pequenosgruposcriassemjogosbaseadosnaestrutura de Doom.Upgrade: Unreal, Quake III com linguagenspróprias de script.“Data-driven architecture”: Teoricamente a regra de jogo e a parte lógicaficariamseparadas dos outroselementos, permitindoqueváriosjogos do mesmoestilofossemfeitos a partirdamesmaplataforma.Masnãoháseparaçãoclaranem entre elementosnem entre o que é um jogo e o que é a engine.“Tudoacontecenaperiferia. Brigas, mortesnaperiferia” – Ratos de porão

Gentleman, start yourengines“Weshould reserve theterm “game engine” for software that is extensibleandcanbeused as thefoundation for manydifferente games without major modification” – Jason Gregory, Game Engine Design Architecture

What’sinside?Específico do jogoHUD, efeitos visuaisÁudio e redeGerenciador de física eanimação de corposRenderização e gerenciador de cenasInicialização e configuraçãoAbstração do SO e SDKsespecíficas para cada sistemaHardware e SO.

Depois, as ferramentasO eterno debate sobrelinguagem de programação e sobrequal engine utilizarA melhor e maiseficientelinguagem de programaçãoÉ aquelaquevocêmaissabeÉ aquelaqueresponde o problema “plataformaalvo + eficiênciacomputacional”EngineÉ aquelaquevocêmaissabeÉ aquelaquevaiteoferecermaiorsuporte e menor tempo de aprendizado – e estámaispróxima do game quevocê tem emmenteÉ aquelaqueutiliza a linguagemquevocêmaissabe

20infinite loopGame loop ou jogos são ilusõesÉ o laço onde todas as alterações do sistema que compõem um game, áudio, gráficos, física, etc., são atualizadasComo o cinema, os jogos também precisam de, pelo menos, 24 quadros por segundo para dar a ilusão de interatividade.

21infinite loopExemplo:Pinta na tela o resultado final do frame atualwhile (g_renderManager->update()) {g_sceneManager->update();entityManager->update();psx->update(); inputManager->update(); }Verifica se há eventos de cena: telas de game over, HUD, outrosFaz update da animação e posição das entidades com os resultados do frame anterior.Resolve a física dos objetos, detecta colisão e atualiza valores das posições.Verifica input feito pelo jogador e deixa de prontidão outros blocos para o próximo frame.

22infinite loopNão reinvente a roda*Padrões de códigoDesign PatternsBibliotecas e suas APIsGame engines*Do menos abrangente para o mais abrangente

1VisãogeralGame engine simples e seuscomponentesPorqueutilizarPrecisarnãoprecisa, masajudabastanteDividir e conquistarCadagerente no seuquadradoEstruturageral

PorqueutilizarPrecisarnãoprecisa… ou um breveconto de Engenharia de softwareCustos: Time is money. Inclusive o seu tempo livre.Divisão de trabalho: componentesindependentessendoproduzidosemseparado; boas práticas.Sucesso: Você tem umaequipe, e agora!? Foco no negócio.

Dividir e conquistarUma game engine mínimaLog

2DesmembrandoPorque um componente de log salvarátuavidaPrecisarnãoprecisa…Mesmo se for um sistema simples com assert e printfjá vale.Sofrimentopessoal: saída de std::cout no console deixava o sistemainativo. Melhorcuspirpara um arquivotexto.Bibliotecasprofissionais: Log4j, glogCláusulas de throw / catch

3DesmembrandoRecursos, umacolheitafelizArquivos de configuraçãoÁudio, imagens, grafos de cenas, modelos 3D, etcTipos de arquivosXML, Binários, DX Studio

Tenhaseusarquivosestruturados de maneiraamigávelComponente de recursosResponsávelpeloconsumootimizado de todososarquivosque a game engine utilizará. Alimentação dos outroscomponentes. Emespecífico:Preenchegerenciador de cenas com seusgrafos (“desenho” das cenas).Conecta as entidades do game (personagens, cenário, etc) com suasrespectivasimagens e sons.Inicializa a física com as configuraçõesescolhidasMapeiacontroles e teclaspara o funcionamento no jogo.

O que é…Scene Graph – Grafo de cenahttp://www.cs.berkeley.edu/~sequin/CS184/LECT_09/L7.html

4DesmembrandoInput devices, nãoperca o controleTroca de contextosO gerenciadordeve ser capaz de alterar o mapping dos controlesconformecontextoPolling / ListenersPode-se checar o estado do controle a cada frame ouficarnaescuta de um evento.Independente do HardwareAbstração via bibliotecasouwrapping

Planejarpara o futuroInput devices, jáperdendo o controleWTF???????MindControlHelmet

VocabulárioimportanteEssesdoismonstrossemprevoltam:PollingListeners

5DesmembrandoAudio, 1, 2, 3, SOM.Semprerelegado, sempreumador de cabeçadepois.O problemadasincroniaBGM vs. FX’sBGM: eventos e troca de contextoFX’s: listeners ou pollingBASS audio

21infinite loopExemplo:Pinta na tela o resultado final do frame atualwhile (g_renderManager->update()) {g_sceneManager->update();entityManager->update();psx->update(); inputManager->update(); }E O SOM????Verifica se há eventos de cena: telas de game over, HUD, outrosFaz update da animação e posição das entidades com os resultados do frame anterior.Resolve a física dos objetos, detecta colisão e atualiza valores das posições.Verifica input feito pelo jogador e deixa de prontidão outros blocos para o próximo frame.

6DesmembrandoRenderização, o algoritmo do pintorNo final do dia, é atualizar a tela com as informaçõesobtidasaté o momentoportodososoutrosgerenciadores.Algoritmo do pintor: resolvendo o problemadavisibilidade dos elementos 3D -> 2D; z-order.Bibliotecas: DirectX/OpenGL, Ogre3D, SDL, SFML.

O quemudou entre frames?Monstro do Polling atacanovamentePollingChecaosgerenciadores de cena e objetosRenderizanaordemencontrada no grafo de Cena, i.e. respeitando o algoritmo do Pintor.

Primeiramente o quevemprimeiroAlgoritmo do Pintor e Z-orderObjetos do fundosãodesenhadosprimeiramente.Ordem de profundidade é respeitada. Objetos com menorcoordenada Z sãodesenhadosprimeiros. Háredundâncianasáreaspintadas, masproblemadavisibilidade é resolvido. O resultado final contémsomenteosobjetosobserváveis.

3DMicrosoft Windows API was designed to provide software developers with direct access to low-level functions on PC peripherals - http://www.digitalhymnal.org/glossary_a-l.html#DThe class library abstracts all the details of using the underlying system libraries like Direct3D and OpenGL and provides an interface based on world objects and other intuitive classes – ogre3d.org/about

2DSimple DirectMedia Layer is a cross-platform multimedia library designed to provide low level access to audio, keyboard, mouse, joystick, 3D hardware via OpenGL, and 2D video framebuffer. - http://www.libsdl.org/SFML is a free multimedia C++ API that provides you low and high level access to graphics, input, audio, etc.; SFML is a portable and easy to use multimedia API written in C++. You can see it as a modern, object-oriented alternative to SDL – sfml-dev.org/features.php

7DesmembrandoCena, fazendoumaCadafase é umacenacompleta e suaconfiguraçãogeral e relação entre oselementosque a compõemsãofeitosporarquivosexternos.Listeners paraeventosÉ umaponte entre o renderizador e o conjunto de elementos “vivos” (player e inimigos, porexemplo).Biblioteca: nãoconheço, mas Ogre3d é baseadoemcenas.

Volta do grafo de cenaEntendendo o porquê do arquivoexternoPensenos designersTrabalhar com elementosconcretos é maisfácil do quetilesetMesmo um XML de configuração é maisfácil de se consumir do que um ASCIISe trabalhar com 3D, vaibateremgrafos de cena de umamaneiraououtra.É intuitivo (sort of…)

Entendi! Mas o quedeveconter?Deveconversar com o gerenciador de recursos e levarumacena e suasrelaçõespara a memóriaConter um gerenciador de eventos, onde, a cada frame, seráchecado se devomudar de cena, entrarem um menu, etcTransformaçõesdaprópriacena: rotação, câmera, iluminação.Ponteiropara as entidades… próximo slide

8DesmembrandoEntidades, tudo o quenão for cenárioousomTodosos sprites em um sólugarPonte entre e o gerenciador de cena e o de físicaÉ ótimoterumafábrica de entidades (a design pattern Factory)

CriandobichosA design pattern factoryemjogosListas de objetossãoutilizadasparateste de colisão e outroseventos. Se utilizarmosumaclasse base, é maisfácilmanipulá-los.Tudoqueestánatelapode ser umaentidade, masnemtudoqueestánatela é a MESMA entidade. Umafábrica de componentes resolve o problema.

9DesmembrandoFísica, caindo de pau no NewtonNa verdade, umabiblioteca de física é um motor de animação dos elementosnatelaNãocrieseusolver de física, mesmo se soubercomofazer um.Mesmo se for 2D, vale a penausarfísicanewtoniana “de verdade”. Nãotenhamedo.Bibliotecasprontas: Box2D, Havok, PhysX

EDOs, EDPs, ÊitaO problema das equaçõesdiferenciaisgenericscalartransportequationOk, essa equação é para o movimento de um fluido, mas vale pra assustar. A “classe” de equações utilizadas na programação de jogos é a mesma desta, e os problemas enfrentados na discretização também são os mesmos.

!ResumoO game loopExemplo:Pinta na tela o resultado final do frame atualwhile (g_renderManager->update()) {g_sceneManager->update();entityManager->update();psx->update(); inputManager->update(); }E O SOM E O AI E A REDE E ....????Verifica se há eventos de cena: telas de game over, HUD, outrosFaz update da animação e posição das entidades com os resultados do frame anterior.Resolve a física dos objetos, detecta colisão e atualiza valores das posições.

!ResumoA game engineUma game engine mínimaLog

!There is a lot more…O quefaltouInteligência artificialImplementação, algoritmos e gerenciadoresRedeMultiplayer onlineGravação / acessoEngines/ SDKsNúmerosdemaisparamencionarPesquiseconformenecessidade, hardware e plataforma(s) de interesseEstrutura de dados e algoritmosDe listasaté Quad/OctressApenasque … busquemconhecimento…Quemnão tem o Bilú, que use o Google

ReferênciasGame EnginesGame Engine Architecture, Jason GregoryGame Engine Design and Implementation, Alan ThornProgramação de jogosGames programming, Alan ThornBeginning Game Programming,Hattan & SikoraGame Code Complete, Mike McShaffrywww.gamedev.netData Structures and Algorithms for game Developers, Alan SherrodDesign PatternsHead First Design Patterns,Freeman & FreemanDesign Patterns,GoFFísicawww.box2d.org3D Math Primer for Graphics and Game Development, Fletcher Dunn

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Notas do Editor