J3DTOOL Um Motor para o Desenvolvimento de Jogos Educacionais em Java3D

Transcrição

1 J3DTOOL Um Motor para o Desenvolvimento de Jogos Educacionais em Java3D Silvano Maneck Malfatti, Leandro Lorenzet Dihl, Jacques Duílio Brancher Universidade Regional do Alto Uruguai e das Missões URI Campus de Erechim Brasil {smalfatti,ldihl}@urisan.tche.br, jacques@uri.com.br ABSTRACT The aim of this work is to present an engine to develop educational games. It s built in Java and your API Java. The J3DTOOL was developed with the purpose to offer a set of classes that abstract the java 3D commands and help the programming of three-dimensional games. Keywords: Engine, Educational Games, Java3D INTRODUÇÃO A indústria de jogos para computadores é um ramo que tem crescido muito nas últimas décadas. Este aumento deve-se a diversos fatores, sendo que o principal deles é a queda no preço do hardware, aliado a uma busca cada vez maior por títulos novos no mercado. Com o aumento do tamanho e complexidade dos jogos, os Motores (engines) desempenham um papel cada vez mais importante no processo de construção dos mesmos. Os motores oferecem uma série de vantagens quando aplicados ao desenvolvimento de jogos, principalmente por agilizarem o processo de implementação. Além disso, quanto mais complexo for o jogo, maior será a sua equipe de desenvolvedores, e nesse âmbito, os motores são importantes pelo fato de que mantém um padrão que evita o acontecimento de erros e que estes se propaguem ao longo do projeto. Enfim, o Motor deve oferecer todo um conjunto de recursos que permite ao programador especificar o comportamento do seu jogo, sem necessariamente saber como esse ele está implementado [1]. Além disso, se um Motor foi desenvolvido para criar um determinado gênero de jogo (ação, RPG, luta), ele poderá ser utilizado no desenvolvimento de vários jogos do mesmo gênero, porém com objetivos, enredos e cenários diferentes. Uma das principais funções que está inerente a um Motor é a renderização, por isso, é importante escolher bem a API (Application Programming Interface) que será utilizada para realizar essa tarefa. O Java3D é uma API que vem se tornando bastante conhecida pelo fato de ser uma camada em alto nível que facilita o desenvolvimento de jogos, pois dispensa o programador de tarefas complexas como gerenciamento de memória, otimização e renderização. Essas características são muito importantes na hora de escolher uma API para o desenvolvimento de um Motor, pois se ela não tratar tais aspectos, o Motor deverá fazê-los. Partindo-se deste pressuposto, este trabalho tem por objetivo apresentar um Motor chamado J3DTOOL destinado a jogos educacionais desenvolvido a partir da linguagem Java e sua API gráfica Java3D. A principal motivação para o desenvolvimento do J3DTOOL foi criar uma ferramenta que possibilite o desenvolvimento de jogos educacionais em três dimensões sem a necessidade de conhecer a API Java3D por completo. Para isso, o Motor encapsula as funcionalidades do Java3D em classes e métodos com nomes mais intuitivos e que permitem ao programador fazer muito em poucas linhas. Assim, este documento está organizado da seguinte forma: a seção 2 discute o conceito de Motor e a sua importância no desenvolvimento de jogos; a seção 3 descreve a API Java3D e as vantagens que ela oferece para o desenvolvimento de motores; a seção 4 apresenta a ferramenta J3DTOOL com suas funcionalidades e alguns estudos de caso; por fim, a seção 5 apresenta as conclusões e perspectivas para trabalhos futuros. DEFINIÇÃO DE MOTOR Um Motor pode ser definido como um conjunto de funcionalidades reutilizáveis em alto nível que ajudam o programador a implementar as tarefas mais comuns de um jogo. Todos os recursos que ele oferece são baseados no tipo de jogo que se deseja desenvolver. Por exemplo, para jogos 2D, deve possuir recursos de desenho que permitam a manipulação de camadas (layers), imagens (tiles), animação de sprites, detecção de colisão e assim por diante. Já um Motor desenvolvido para a criação de jogos 3D deve permitir ao programador realizar a manipulação e posicionamento da câmera, posicionamento de objetos no espaço de coordenadas (x,y,z), recursos para implementação da física, rendering, etc. Em síntese, um Motor tem a função de oferecer ao programador um nível mais alto de programação do que o oferecido pela linguagem de programação. Em projetos de jogos orientados a objetos, pode ser definido como um conjunto de classes 37

2 Santiago, Chile 1, 2 y 3 Diciembre 2004 e métodos que facilitam a programação do jogo através do encapsulamento de comandos necessários para o seu desenvolvimento. Segundo Michael [2], um Motor é uma coleção de módulos que não especificam diretamente a lógica nem o comportamento do jogo, mas incluem módulos para a manipulação dos dispositivos de entrada, saída (desenho 2D, rendering 3D, sons) e, também, a física a ser utilizada no mundo do jogo. Portanto, uma das principais funções do Motor é permitir que o programador faça de maneira eficaz e em poucas linhas o que teria que fazer em uma quantidade maior de código se estivesse utilizando a linguagem diretamente. Um exemplo dessa característica pode ser observado na análise dos resultados do Motor FunGen proposto por Furtado [1], onde afirma-se que um dos benefícios da programação através do Motor foi uma redução significativa no número de linhas de código, além de propiciar uma maior clareza e legibilidade. Essa tendência é facilmente percebida ao compararmos dois fragmentos de código que realizam o posicionamento de um objeto em um mundo virtual feito com Java3D. O fragmento (a) apresenta o posicionamento do objeto somente com os comandos oferecidos pelo Java3D, o fragmento de código (b) mostra o posicionamento do objeto através do J3DTOOL (Figura 1). liberação de recursos como memória, pois se presume que o código oferecido pelo Motor já esteja devidamente testado e aprovado. Todas essas características tornam o processo de desenvolvimendo mais dinâmico e automatizado, fazendo com que, no cronograma, haja mais espaço para atividades específicas do jogo como o seu roteiro, o comportamento de seus personagens, seus cenários, trilha sonora entre outros. A API JAVA3D NO DESENVOLVIMENTO DE MOTORES O Java3D é uma biblioteca de classes desenvolvida pela Sun Microsystems para viabilizar a criação de aplicações java com recursos tridimensionais[3]. Uma das qualidades que tornam o Java3D bastante adequado para a implementação de um Motor é o modo como uma cena é representada através do grafo de cena. O grafo de cena, como mostra a Figura 2, é um grafo direcional e acíclico que representa uma cena virtual. É composto principalmente por nós de grupo (Group nodes) e nós do tipo folha (Leaf nodes). Os nós do tipo Group tem como principal função a organização lógica do grafo, bem como podem sofrer transformações geométricas. Os nós do tipo Leaf não podem ter filhos e são utilizados para guardar os elementos da cena como modelos geométricos e fontes de luz. Uma importante característica que está intrínseca ao grafo de cena é o controle hierárquico: quando uma transformação é aplicada a um nó pai, todos os seus filhos também sofrem a mudança. Isso permite que modelos complexos como, por exemplo, os movimentos de um corpo humano possam ser facilmente modelados [4]. Figura 1. comparação entre a programação com e sem o J3DTOOL. Além da redução de código, a programação torna-se muito mais intuitiva pois ao invés de utilizar vários comandos que não deixam claro o que está sendo feito, o desenvolvedor utiliza apenas um método cujo o nome está relacionado á função que ele desempenha. Outro ponto positivo da utilização dos motores é a redução do número de erros, principalmente os de alocação e Figura 2. Grafo de cena do java3d Outro recurso bastante peculiar oferecido pelo Java3D são os chamados Behaviors. Os Behaviors são um conjunto de classes que permitem definir comportamentos para os objetos da cena. Eles permitem que os objetos sofram 38

3 mudanças sob certas condições como intervalos de tempo ou colisões, possibilitando que animações possam ser definidas facilmente. Além disso, o Java3D se encarrega de toda a parte otimização, renderização e também da alocação e liberação de memória para o grafo de cena, permitindo por exemplo, que um nó seja removido sem que o programador tenha a preocupação de liberar a sua memória e a dos seus eventuais filhos. Esse gerenciamento de recursos torna o Java3D bastante indicado para o desenvolvimento de Motores tendo em vista que facilita as operações de inserções e remoções de objetos em tempo de execução. A figura 3 apresenta um exemplo do código para criar um objeto através do J3DTOOL. Classe J3DTOOLMessage Tem a finalidade de realizar a comunicação com o usuário. È através dessa classe que são apresentados os textos contendo os exercícios e as explicações do conteúdo para o aluno. Alem do texto é possível mostrar também animações em 2D. Para isso, deve ser passado o quadro inicial da animação e o número de quadros que a compõem. Esse recurso é bastante utilizado para simular a fala e as expressões faciais dos avatares presentes no ambiente. Por fim, o Java3D ainda possui a vantagem de ser multiplataforma, que torna possível a execução de um jogo em vários sistemas operacionais sem a necessidade de ser compilado novamente. DESCRIÇÃO DO J3DTOOL O J3DTOOL é um motor destinado ao desenvolvimento de jogos educacionais em três dimensões. Ele é basicamente um conjunto de classes que abstraem para um nível ainda mais alto as funcionalidades oferecidas pelo Java3D. A estrutura do J3DTOOL permite a criação de ambientes virtuais compostos por diversos objetos 3D que armazenam desafios para serem apresentados ao aluno durante a exploração do ambiente. Uma das vantagens dessa proposta é permitir a criação de jogos educacionais temáticos onde o cenário e os objetos apresentados estejam relacionados com o conteúdo a ser aprendido, como por exemplo estudar química passeando por um laboratório. Dentre os principais recursos oferecidos pelo Motor, destacamse a criação de ambientes do tipo sala e a manipulação de objetos 3D feitos na linguagem VRML. Através do J3DTOOL é possível criar uma sala e ligar objetos a ela. O Motor oferece também recursos para animação, tratamento de colisão e captura de eventos do teclado e joystick. Na seqüência apresenta-se as classes que compõem o J3DTOOL e uma breve descrição. Classe J3DTOOLObject Permite criar e posicionar objetos VRML dentro das salas virtuais. Esta classe possui atributos como largura e profundidade que armazenam os limites do objeto que serão utilizados para calcular a área de colisão. Todos os objetos inseridos no mundo virtual podem ter um exercício associado. Por esse motivo, um objeto do tipo J3DTOOLObject possui dois atributos do tipo cadeia de caracteres que guardam a pergunta e a resposta do exercício. Figura 3. Utilizando o J3DTOOL para criar um objeto no mundo virtual. Classe J3DTOOLMd3 A classe estende a J3DTOOLObject e oferece as mesmas funções, com exceção de que o objeto a ser carregado possui o formato Md3 que suporta animações [5]. J3DTOOLRoom A classe permite que sejam criadas as salas virtuais que irão conter os objetos. Para criar uma sala é preciso especificar sua largura, altura e comprimento. Através dessa classe é possível também escolher o tipo de textura que será aplicado nas paredes, teto e chão. Existe a possibilidade de se definir ambientes abertos, para isso, a sala deve ser criada com altura zero. O J3DTOOLRoom possui um vetor dinâmico de objetos do tipo J3DTOOLObject, pois todo o objeto que é adicionado à cena está vinculado a uma sala, e é através dela que eles são inseridos e removidos do mundo virtual. Todas as operações sobre um objeto são baseadas na posição em que ele se encontra no vetor de objetos da sala. O código apresentado na figura 4 mostra a inserção de alguns objetos em uma sala Figura 4. Inserindo objetos em uma sala 39

4 Santiago, Chile 1, 2 y 3 Diciembre 2004 J3DTOOLWorld A classe foi desenvolvida para fazer a ligação entre a janela da aplicação e o J3DTOOL. O construtor de sua classe recebe como parâmetro um objeto do tipo Canvas3D que é adicionado a janela da aplicação. O Canvas3D é o objeto que permite a renderização de cenas feitas em Java3D na classe de Janela oferecida pelo java. acessá-lo através do mundo que contém referência para a sala que por sua vez contém os métodos para alterar o objeto. A figura 6 mostra a arquitetura completa de classes do J3DTOOL. Através do J3DTOOLWorld é possível criar e remover salas do mundo. Por isso, essa classe conta com um vetor de objetos do tipo J3DTOOLRoom que controla a remoção e inserção de salas e também é utilizado para definir a sala que está sendo visualizada no momento. Essa classe possui também um objeto do tipo J3DTOOLNavigator, responsável por permitir a movimentação da câmera pela sala que está sento visualizada e verificar a colisão com objetos da mesma. Ao definir uma sala para ser visualizada, o J3DTOOL se encarrega de desalocar a sala anterior e seus objetos e mostrar na tela a sala atual. A classe J3DTOOLWorld conta ainda com um objeto do tipo J3DTOOLScore, que oferece métodos para criar um placar e manipular o valor que será exibido como pontuação. O fragmento de código da figura 5 exemplifica como as salas são adicionadas no mundo e o comando que define a sala a ser vizualisada. Figura 6. Arquitetura do J3DTOOL 5 Estudos de caso Com o objetivo de testar o J3DTOOL e agilizar ainda mais o seu uso no desenvolvimento de jogos, a primeira aplicação desenvolvida tendo como base este Motor foi um editor de cenários denominado J3DEditor. Um editor de cenários é uma ferramenta desenvolvida para facilitar a construção dos cenários e níveis de um jogo [6]. O J3DEditor (figura 7) permite ao desenvolvedor criar e alterar dinamicamente os ambientes tridimensionais que serão utilizados no jogo. Figura 5. inserindo salas no mundo virtual. Classes J3DTOOLEvents e J3DTOOLJoystick J3DTOOLEvents e J3DTOOLJoystick que também estão ligadas a classe J3DTOOLWorld. Essas classes fornecem apenas métodos para capturar e tratar os eventos disparados pelos dispositivos teclado e joystick, porém, cabe ao desenvolvedor programar a lógica que será aplicada para cada evento. Dessa forma essas classes podem ser utilizadas para vários tipos de jogos com funcionalidades diferentes em cada evento. Para que os eventos gerados pelos dispositivos podessem afetar tanto o Mundo Virtual quanto as salas e os objetos que elas contém, essas classes ficaram ligadas ao mundo, que contém referências para todas as outras classes que compõem o J3DTOOL. Desta forma, se o desenvolvedor desejar que o evento de uma tecla mude a posição de um objeto por exemplo, ele poderá Figura 7. Interface do J3Deditor 40

5 Através do J3DEditor o desenvolvedor pode criar salas dinamicamente, bem como alterar as suas dimensões, texturas e também o posicionamento de seus objetos. Outro recurso muito importante é a possibilidade de testar a jogabilidade dos ambientes pelo próprio editor, pois as salas desenvolvidas através dele estão ligadas a um J3DTOOLNavigator que permite o passeio virtual dinâmico. Após a configuração dos ambientes, o editor se encarrega de gerar os códigos já prontos para serem compilados. Após a conclusão do editor, iniciou-se um novo estudo de caso no qual utilizou-se o Motor em conjunto com o editor de cenários para o desenvolvimento de um jogo educacional chamado AITEM (Ambiente Temático Interativo para o Ensino da Matemática) [7]. O AITEM foi desenvolvido para auxiliar no aprendizado dos conteúdos de matemática do ensino fundamental (5º a 8º séries). O jogo, mostrado na Figura 8, apresenta os cenários de uma escola onde o aluno deve responder aos desafios que estão espalhados pelos vários ambientes como secretaria, biblioteca, refeitório, sala de aula, etc. Figura 8. Interface do jogo AITEM Os desafios são apresentados ao aluno em forma de expressões matemáticas incompletas do tipo ( )? 5 = 50. Para respondê-las o aluno deverá procurar os símbolos matemáticos que estão espalhados pelo ambiente e coletá-los. Todo o símbolo coletado fica armazenado em um repositório de objetos que o aluno consulta no momento de responder a uma questão. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS O uso de Motores no desenvolvimento de jogos agiliza o processo de implementação e permite ao desenvolvedor testar uma variedade de combinações como texturas do cenário, posições dos objetos sem alterar o código, mas sim os parâmetros passados aos métodos do Motor. O J3DTOOL foi desenvolvido com o intuito de oferecer todos os recursos necessários para a criação de jogos educacionais. Através dele o desenvolvedor pode criar ambientes virtuais 3D, manipular objetos VRML, capturar eventos de teclado e joystick sem a necessidade de saber como isto está implementado. Como trabalhos futuros, pretende-se incluir recursos para a aplicação de física aos ambientes virtuais, o que tornará os jogos ainda mais reais e desafiadores. AGRADECIMENTOS O presente trabalho foi realizado com o apoio do CNPq, uma entidade do Governo Brasileiro voltada ao desenvolvimento científicoe tecnológico. Parte integrante do projeto AITEM CNPq nº / REFERÊNCIAS 1. Furtado, A. W. B., Santos, A. L. M. FunGen Um Motor para Jogos em Haskell. FunGEn.pdf (16/08/04). 2. Lewis, M. Jacobson, J. Game Engines in Scientific Research. Communications of ACM, Janeiro de 2002, Vol. 45 nº JAVA3D API. 3D. (08/008/04). 4. Selman, D. Java3D Programming. Manning Publications, ISBN Pipho Evan, Focus On 3D Models, Premier Press; 1ª edition, ISBN: , Filho, W. M.A.F., Menezes, T. R., Vieira, M. F., Ramalho, G. L. Requisitos Funcionais para Editores de Cenários para Jogos 2D e 2 ½ D. Prooceedings of Wjogos Malfatti, S. M, Dihl, L.L., Brancher, J. D, Santos, M. C.,Piccoli, A., Giaretta, Q., Tumelero, D. Molelagem de um Ambiente Multimídia utilizando Java3D. Congresso Nacional de Ambientes Hipermídia para Aprendizagem (CONAHPA). Florianópolis, A utilização do Motor em conjunto com o editor de cenários agilizou o processo de criação dos ambientes do jogo e minimizou o número de erros. 41