Introdução à Ciência da Computação com Jogos

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1 Introdução à Ciência da Computação com Jogos

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3 Introdução à Ciência da Computação com Jogos

4 2010, Elsevier Editora Ltda. Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei n o 9.610, de 19/02/1998. Nenhuma parte deste livro, sem autorização prévia por escrito da editora, poderá ser reproduzida ou transmitida sejam quais forem os meios empregados: eletrônicos, mecânicos, fotográficos, gravação ou quaisquer outros. Copidesque: Adriana Kraner Revisão: Marília Pinto de Oliveira Editoração Eletrônica: SBNIGRI Artes e Textos Ltda. Elsevier Editora Ltda. Conhecimento sem Fronteiras Rua Sete de Setembro, o andar Centro Rio de Janeiro RJ Brasil Rua Quintana, o andar Brooklin São Paulo SP Brasil Serviço de Atendimento ao Cliente sac@elsevier.com.br ISBN Nota: Muito zelo e técnica foram empregados na edição desta obra. No entanto, podem ocorrer erros de digitação, impressão ou dúvida conceitual. Em qualquer das hipóteses, solicitamos a comunicação ao nosso Serviço de Atendimento ao Cliente, para que possamos esclarecer ou encaminhar a questão. Nem a editora nem o autor assumem qualquer responsabilidade por eventuais danos ou perdas a pessoas ou bens, originados do uso desta publicação. CIP-Brasil. Catalogação-na-fonte. Sindicato Nacional dos Editores de Livros, RJ F328i Feijó, Bruno Introdução à ciência da computação com jogos : aprendendo a programar com entretenimento / Bruno Feijó, Esteban Clua e Flavio S. Corrêa da Silva. Rio de Janeiro: Elsevier, Apêndice ISBN Programação (Computadores). 2. Jogos por computador. 3. Animação por computador. 4. Computação. I. Clua, Esteban. II. Silva, Flavio S. Corrêa da. III. Título CDD: CDU:

5 Agradecimentos Muitas pessoas contribuíram para a realização desta obra. Em primeiro lugar estão as nossas famílias, que se privaram do nosso convívio e da nossa atenção durante a nossa contínua e exagerada jornada extra de trabalho. Para eles vão os agradecimentos, literalmente infinitos, pelos apoio, compreensão e paciência. Bruno agradece à sua esposa Carmem e aos seus filhos Marcelo e Leonardo. Esteban agradece à sua esposa Luciana. Flávio agradece à sua esposa Renata e à sua filha Maria Clara. Este livro não teria surgido sem o espírito inovador de Karin Breitman (professora e pesquisadora do Departamento de Informática da PUC-Rio) que, na qualidade de Diretora de Publicações da Sociedade Brasileira de Computação, deu toda a atenção e todo o estímulo aos autores. Agradecimentos efusivos vão para a equipe da Editora Campus Elsevier que com rigor, competência e muita paciência nos acompanharam passo a passo. Em especial, gostaríamos de citar André Gerhard Wolff, Vanessa Vilas Bôas Huguenin e Silvia Barbosa Lima. Sem a ajuda de Lucas Machado e Rodrigo Martins, o motor javaplay não teria sido possível. Não temos como agradecer suficientemente a dedicação desses dois pesquisadores do VisionLab/PUC-Rio. Raros profissionais no país têm a competência desses dois pioneiros da área de jogos digitais. A equipe por detrás deste livro é ainda maior e a muitos devemos palavras de agradecimento: Luciana Rocha Mariz Clua, por sua ajuda em design gráfico; Fernando Ribeiro e Pablo Bioni, pela arte nos elementos visuais dos jogos; Anselmo Antunes Montenegro e Dante Corbucci Filho, professores do Instituto de Computação/UFF, como consultores em Java; e Marcelo Pana-

6 ro Zamith, pela ajuda no material de demonstração colocado no site. Com o receio de não sermos suficientemente abrangentes e considerando o grande número de pessoas, nos limitamos a agradecer, em bloco, a todos os nossos alunos nossa primeira fonte de inspiração e de colaboração na pesquisa e no ensino por seus permanentes questionamentos, suas incuráveis mentes criativas e suas alegrias em aprender e ajudar.

7 Os Autores Bruno Feijó possui graduação em Engenharia Aeronáutica pelo ITA, mestrado em simulação dinâmica pela PUC-Rio e doutorado em CAD (Computer-Aided Design) pela University of London. Atualmente é professor associado do DI (Departamento de Informática) da PUC-Rio, no Grupo de Computação Gráfica e Entretenimento Digital, e Coordenador do VisionLab/ PUC-Rio Laboratório de Visualização, TV/Cinema Digital, Games e Produção de Conteúdo Digital. É pioneiro em 3 áreas de pesquisa em Informática no país: CAD, Animação e Jogos. Foi um dos criadores da Comissão Especial da SBC em Jogos e Entretenimento Digital e foi o seu primeiro Presidente. Ele também é um dos fundadores do SBGames (Simpósio Brasileiro de Jogos e Entretenimento Digital). Foi o idealizador da Rede Brasileira de Visualização (RBV) ligada ao MCT. Também foi um dos principais colaboradores na idealização do curso profissionalizante do Núcleo de Pesquisa em Educação, criado pelo Instituto Oi Futuro. Na pós-graduação do Departamento de Informática da PUC-Rio, da qual já foi Coordenador, ministra cursos de jogos, animação e efeitos especiais. Na graduação do DI/PUC-Rio, da qual já foi Coordenador, tem ministrado os cursos de introdução à ciência da computação por cerca de 15 anos. Esteban Clua possui graduação em Computação pela USP, mestrado pela PUC-Rio e doutorado também pela PUC-Rio. Atualmente é professor do Instituto de Computação da UFF e coordenador geral do UFF Media Lab, além de atuar na pós-graduação dessa universidade. Atua especialmente na área de Computação Gráfica em tempo real, Games, Realidade Virtual, GPUs,

8 visualização e simulação. É membro do conselho administrativo da ABRA- GAMES, membro da Comissão Especial de Jogos e Entretenimento Digital da SBC e um dos pioneiros na área de pesquisa científica em jogos e entretenimento digital. Também é um dos criadores do SBGames e um grande entusiasta da área de jogos digitais. Flávio S. Correa da Silva possui graduação em Engenharia de Produção pela USP, mestrado pela Politécnica da USP e doutorado em Inteligência Artificial pela University of Edinburgh. Atualmente é professor associado da USP, revisor do Journal of Information Technology Research e membro do corpo editorial da Applied Intelligence (Boston).

9 Prefácio Estamos vivendo a revolução do mundo digital, onde ter noções de programação é tão essencial quanto saber o básico da matemática, da física, da economia, e quem sabe até dos primeiros socorros médicos... Até mesmo artistas e designers já perceberam que programar está na essência das novas mídias. Se você abriu este livro, muito provavelmente você ou é um fissurado por jogos, ou é um estudante, ou é um educador, ou pelo menos é um curioso incorrigível (uma das maiores qualidades do novo profissional criativo). Em qualquer desses casos, você deve estar buscando uma introdução à arte de programar que esteja mais próxima das novas demandas do mundo digital e que seja menos maçante para acompanhar. Você também pode estar procurando uma introdução à arte de desenvolver jogos digitais, quer porque você almeja ser um profissional da área, quer porque lhe disseram que o jogo digital é uma aplicação onde convergem os maiores desafios da computação (um jogo tem que ser multimídia, visualmente elaborado, distribuído, artificialmente inteligente... e tudo isso rodando em tempo real). Como educador, muito provavelmente você deve estar buscando um texto mais leve e estimulante para a geração de jovens Y. Este livro pretende atender a todas essas expectativas. Muita coisa mudou desde que a primeira linguagem de programação de alto nível foi lançada há mais de 50 anos. Desde então, as linguagens e os paradigmas de programação têm evoluído constantemente. Linguagens caem em desuso e novas surgem. E qual a melhor linguagem para aprender no momento? Essa é uma pergunta que vem sendo formulada desde o momento em que surgiram duas linguagens diferentes e os primeiros cursos de computação; e provavelmente continuará a ser feita até o dia em que não precisaremos mais dos computadores... Muito dificilmente haverá um consenso na resposta a essa

10 pergunta, mesmo entre os mais conceituados cientistas de computação do país. Não existe a situação ideal de que podemos aprender os conceitos da ciência da computação sem nos incomodarmos com as idiossincrasias e as complexidades de uma particular linguagem. Talvez o Lisp seja a que mais tenha se aproximado deste ideal (sua qualidade é atestada pelo fato de ser a segunda mais antiga linguagem do planeta ainda viva). Mas o Lisp está longe de ser uma opção para as novas demandas do mundo digital. A linguagem C já está distante dos novos paradigmas de programação. C++ é muito eficiente, especialmente no mundo dos jogos 3D, mas além de estar se tornando antiga, não é uma linguagem de fácil aprendizado. Neste livro optamos pela linguagem Java por várias razões. Primeiro, o Java possibilita aplicações em uma grande variedade de plataformas: internet nos servidores, PCs, celulares e sistemas embarcados. Segundo, o Java roda em mais de um sistema operacional (Windows, Linux,...) e conta com um bom ambiente de desenvolvimento gratuito (NetBeans). Terceiro, o Java é uma linguagem orientada a objetos um paradigma atual de programação. Quarto, Java é o ponto de partida para a programação da internet a invenção que determinará o futuro da computação. Quinto, a próxima geração de linguagens orientadas a objetos será a evolução natural do Java (como já o é a linguagem C#). Sexto, Java serve muito bem para desenvolver jogos 2D o tipo de aplicação que estamos usando neste livro. Independente da escolha do Java, este livro procura, antes de mais nada, apresentar os conceitos e os bons hábitos da arte de programar. Dessa maneira, o livro está organizado em duas partes. A primeira parte se concentra na programação procedimental estruturada (capítulos 2 a 6) e a segunda parte é dedicada aos paradigmas de orientação orientada a objetos e de programação guiada a eventos (capítulos 7 a 9). Introduzir o conceito de orientação a objetos não é uma tarefa fácil, mas é indispensável no cenário atual da ciência da computação. Este livro procura ir trazendo esse novo conceito aos poucos, sem pretender esgotar o assunto, nem aspirar ser usado como um livro de referência. Este é um livro didático que funciona como ponto de partida para os modernos conceitos em ciência da computação. O projeto deste livro inclui uma terceira parte, disponível na internet, que pode sustentar um curso mais avançado e/ou pode dar continuidade a uma especialização na área de desenvolvimento de jogos:

11 A melhor maneira de usar este livro é implementar cada exemplo citado no texto e fazer os exercícios no final de cada capítulo. Um motor de jogo 2D, chamado javaplay, foi especialmente desenvolvido para este livro. O javaplay é conciso, didático, mas tem uma estrutura profissional, moderna e com possibilidade de ser usado com eficiência pela indústria. O javaplay é apresentado em várias versões de graus crescentes de complexidade: Mini (a versão minimalista, para começar), Versão 00 (a versão intermediária) e Versão 0 (a versão-base mais completa). A Versão 1 deverá ser a que o leitor mais dedicado certamente criará. Os apêndices complementam o estudo e servem de referência. Recomendamos, em especial, que sejam feitos os projetos de jogos do Apêndice B. Os amantes de desenvolvimento de jogos acharão muito interessante o Apêndice A. Os Apêndices C e D servem de referência para o motor de jogo java- Play. Este é um livro texto para um primeiro curso de introdução à ciência da computação, usando a criação de jogos digitais como instrumento de aprendizado e motivação. Esta obra é organizada em uma sequência de tópicos que correspondem a um curso de 64 horas, em blocos de 4h/semana (16 semanas, ao total). Sugestões de sequência de assuntos e material de suporte ao professor e ao aluno podem ser encontrados na página Web citada anteriormente. Uma possível sequência para 16 semanas pode ser: semana 1: apresentação e cap.1 semana 2: cap.2 semana 3: cap.3 semanas 4 a 6: cap.4 semana 7: cap.5 semana 8: cap.6 semanas 9 a 11: cap.7 semanas 12 a 14: cap.8 semanas 15 e 16: cap.9 Uma outra sequência de aprendizado pode ser proposta através de dois cursos, com mais tempo para elaborar os conceitos: Curso I Programação Procedimental Estruturada Cap. 1 ao Cap. 5 Cap.6 como preparação ao Curso II

12 Curso II Programação Orientada a Objetos e Guiada a Eventos Cap. 7 ao Cap. 9 Material extra no site sobre estruturas de dados A presente obra é resultado de anos de experiência dos autores no ensino de programação e de disciplinas de jogos, em três das melhores universidades do país. Este livro representa uma contribuição tanto para iniciar as pessoas na arte da programação como para ajudar na formação básica da mão de obra necessária para as oportunidades que surgem com a indústria do entretenimento (jogos e TV digital interativa) e com as aplicações de simulação em tempo real.

13 Sumário Capítulo 1 Computadores A Long Long Time ago al-khowarizm Para que serve a computação? Qual é o idioma dos computadores? Insetos Sintaxe e semântica Arquitetura de computadores...11 CPU...12 Memória...14 Barramento Dispositivos de entrada e saída...15 Capítulo 2 Variáveis, Tipos de Dados e Expressões Primeiros passos, ou melhor, primeiras palavras em Java Saída de dados Comentários Variáveis Entrada de dados Expressões...31 Exercícios...40 Capítulo 3 Controle de Fluxo por Comandos de Seleção O comando if-else O comando Switch...48

14 3.3. Um pouco mais sobre controle de fluxo...52 Exercícios...52 Capítulo 4 Métodos e Soluções Métodos Criando um método estático Sobrecarga de métodos Soluções Iterativas com laços O Laço while Erros Numéricos em Soluções Iterativas Os Laços for e do-while Soluções recursivas...70 Exercícios...77 Capítulo 5 Dados compostos como vetores Vetores unidimensionais Vetores bidimensionais...85 Exercícios Capítulo 6 Usando Mais Objetos e Classes Simples Um programa, muitas classes O tipo de dados String Leitura e gravação de arquivos Classes abstratas e interfaces...98 Exercícios Capítulo 7 Classes, Objetos e Herança Classes e objetos O modificador Static Instância versus estático Abstração de classe e encapsulamento A referência this Herança A palavra-chave super Classes abstratas As classes GameObject e Player Exercícios...125

15 Capítulo 8 Programação Gráfica As classes Graphics e Color Escrevendo texto no modo gráfico O Game Loop Incrementando o modo gráfico Colisão Opsss... tratamento de exceção Exercícios Capítulo 9 Programação Guiada a Eventos Eventos e ações simples Eventos de teclado Eventos definidos no contexto do jogo Exercícios APÊNDICES A Desenvolvimento e Design de Jogos A.1. Introdução A.2. Design de um jogo A.3. Desenvolvimento artístico Modelagem 3D Terrenos A.4. Programação / Motores de jogos Módulo de Visualização Módulo de Física Módulo de Áudio Módulo de Inteligência Artificial A.5. Motores de jogos: Qual usar? Bibliografia B Sugestões de Projetos B.1. Frogger B.2. SpaceWar! B.3. Tetris...203

16 C O Motor 2D javaplay C.1. JavaPlay Versão Mini C.1.1. Demo da Versão Mini C.1.2. javaplay reduzido para a Versão Mini C.2. Demo Versão C.3. Demo da Versão C.4. javaplay para as Versões 00 e D O Projeto do javaplay D.1. Arquitetura geral D.2. Sistema Motor D.3. Sistema de estado D.4. Objetos de jogo D.5. Sistemas de entrada D.6. Sistema gráfico D.7. Sprites D.8. Exemplo de loop Índice Remissivo...259