CONCEITOS DE DESENVOLVIMENTO DE GAMES DIOGO FERNANDO TREVISAN

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1 CONCEITOS DE DESENVOLVIMENTO DE GAMES DIOGO FERNANDO TREVISAN 1 ARQUITETURA DE UM GAME Um game geralmente é constituído por software e arquivos multimídia. A parte do software é encarregada pela renderização de imagens, reprodução de áudio (música e efeitos sonoros), controle de entradas de dados do usuário (como teclados, mouse e joysticks), controle da rede (para games multiplayer), física do game (movimento do personagem, veículos), inteligência artificial e gerenciamento de mídia. Estas funcionalidades são implementadas por uma engine, que é o motor do game, a parte mais importante que geralmente é implementada com a integração de várias bibliotecas, sendo uma para cada funcionalidade. A parte multimídia é composta por imagens (que servem como texturas), modelos tridimensionais, terrenos, músicas de fundo, efeitos sonoros (como sons de tiro), fala (para cenas de animação) e vídeos. Os games, do ponto de vista arquitetural, são divididos em duas categorias macro: games 2D e games 3D. Existem engines para games 2D, assim como existem engines para games 3D. 1.1 HARDWARE ENVOLVIDO A imagem que aparece no monitor está diretamente ligada com o hardware gráfico. Todos processamentos gráficos feitos pela Graphics Processing Unit (GPU) ficam salvos na memória de vídeo (VRAM), esta que está ligada diretamente ao monitor. Nesta memória ficam armazenadas imagens, modelos e cores, e qualquer alteração nesses dados causará uma alteração visual que será transmitida para o monitor. A tarefa da GPU é fazer cálculos 3D/2D em imagens e aliviar a carga sobre o processador (CPU), este que fica encarregado de outras tarefas como Threads do sistema, outros aplicativos, reprodução de áudio, cálculos numéricos do game, entre

2 outros. O CPU se comunica com o hardware gráfico através de um barramento, que age como um canal para fluxo de informações. A VRAM armazena dados sobre o estado gráfico do game como bitmaps, sprites, cenários, planos de fundo entre outros. Caso esta memória se esgote a memória de acesso randômico (RAM) é utilizada automaticamente, sem que o programador precise especificar isto (PERUCIA et al., 2007). A Figura 1 mostra a disposição do hardware que influencia na execução de um game. Figura1. Esquema do hardware envolvido em um game. Os gráficos no monitor são mostrados através de pequenos pontos quadrados chamados pixels. O pixel é a menor unidade que pode ser exibida em um monitor. O número de pixels apresentados (chamado de resolução da tela) é definido pelo usuário ou programador, porém, cada monitor possui uma resolução máxima. Quanto maior a resolução, mais VRAM será utilizada para armazenar as informações de vídeo (HARBOUR, 2004). Para exibir qualquer gráfico (sendo de um game ou não) as cores dos pixels são alteradas, assim, o conjunto total forma uma imagem visível ao olho (PERUCIA et al., 2007). A velocidade com que os pixels são alterados e atualizados é definida pela taxa de atualização. Esta varia geralmente de 50hz a 75hz. Isto significa que por segundo o monitor terá a imagem atualizada 50 vezes (50hz) até no máximo 75 vezes (75hz). Na atualização, uma linha escaneia o monitor de cima para baixo, atualizando a cor dos pixels que ela intersecta. Esta linha é chamada de scan line (PERUCIA et al., 2007).

3 1.2 GAMES EM DUAS DIMENSÕES Os games e aplicações em duas dimensões (2D) trabalham com a altura e largura de objetos, imagens e cenários. Cada objeto é representado de forma plana, semelhante a uma foto. O monitor também possui duas dimensões, assim, as imagens e outros recursos gráficos são facilmente transmitidos para a tela. A figura 2 mostra o esquema de coordenadas utilizado pelos monitores. Figura2 O esquema coordenadas da tela de um monitor para representar uma resolução de 800 x 600 pixels, sendo cada célula um pixel. O primeiro pixel fica no canto superior esquerdo (retirado de BRACKEEN, 2004). Em geral, para construção de games 2D são utilizados bitmaps, tiles, tilesets, mapas de tiles, planos de fundo, sprites, camadas, sons e animações. Estes conceitos são apresentados a seguir Tipos de visão em games 2D O tipo de visualização nos games 2D influi no seu projeto. Caso queira mostrar somente uma tela a visão é fixa e lateral, não deixando o fundo do cenário acessível ao jogador. Pode-se querer que o cenário seja grande, não cabendo totalmente na tela.

4 Assim que o jogador colocar o personagem próximo ao final da tela, a câmera deve se movimentar para mostrar a próxima parte do cenário. Quando o cenário se movimenta horizontalmente tem-se o efeito side scroller. O efeito vertical scroller é obtido quando o cenário do game é movimentado verticalmente. Em outros casos é utilizado um sistema top down de câmera, onde o cenário e personagem são mostrados por cima. A figura 3 mostra um exemplo de cada câmera (MORAIS; SILVA, 2009). Figura3. Tipos de visão em games 2D: Câmera fixa (a), side scroller (b), vertical scroller (c) e top down (d) Bitmaps Os bitmaps (mapas de bits) são arquivos de imagens que representam cores ponto a ponto, onde cada ponto possui em geral 3 bytes de informações. Os bytes representam o sistema RGB (Red Green Blue), onde cada índice é a quantidade das cores vermelho, verde e azul respectivamente. A cor resultante para o ponto é a mistura das cores aplicadas nele. Por exemplo, quando tem-se 0 para vermelho, 0 para verde e 0 para azul a cor resultante é preto; quando se tem o valor máximo para cada cor (255) se tem a cor branca. Além do sistema RGB, existem o CMYK (Cian Magena Yellow black) e o RGBA (que é similar ao RGB, contendo apenas um Alpha que representa o nível de transparência) (PERUCIA et al., 2007; MANSSOUR; COHER, 2006). O uso de bitmaps simplifica o processo de criação de cenários, personagens e outros elementos gráficos, tendo-se em mente que basta carregar o arquivo para a memória e desenhá-lo na tela. Caso contrário, cada elemento do game deveria ser desenhado através de funções gráficas, levando mais tempo para a produção do mesmo

5 e afetando a qualidade final, pois, a criação de uma imagem em um editor gera uma qualidade de efeitos melhores (BRACKEEN, 2004). A Figura 4 mostra um bitmap sendo editado no software GIMP (GIMP 2009). Figura4. Um exemplo de bitmap sendo criado no software GIMP (2009) Tiles Como a maioria dos componentes em um game 2D os cenários são criados a partir de imagens. Um cenário 2D geralmente é extenso e criar uma imagem bitmap para representá-lo ficaria inviável, pois, consumiria muita memória, vendo que cada ponto de uma imagem possui 3 bytes e um cenário teria um numero mínimo de pixels igual a resolução da tela, e, supondo que a resolução da tela fosse de 800 por 600 pixels seriam consumidos bytes, ou mais de 1 megabyte para representar um cenário extremamente pequeno. Utilizando um cenário de tamanho maior ter-se-ia um consumo mais alto de memória, inviabilizando o uso de um bitmap para representar um cenário completo. Por tal motivo, os cenários são representados através de tiles que são pequenas imagens, semelhantes a tijolos em construções. Um conjunto de tiles forma um tileset (BRACKEEN, 2004; PERUCIA et al., 2007).

6 1.2.4 Tileset Um tileset é um conjunto de tiles utilizado para representar um cenário 2D. Ao invés de possuir uma única imagem com um desenho do mapa são utilizados tiles para representar as partes gráficas que se apresentam varias vezes, assim, só é necessário armazenar em memória uma pequena imagem que será desenhada várias vezes pela tela. A posição que um tile deve aparecer na tela fica armazenada em um mapa de tiles, que pode ser representado por uma matriz onde cada célula contém referencia a um tile do tileset e esta posição representa também a localização que o tile aparecerá no cenário. A Figura 5 mostra um exemplo de tileset utilizado para representação de um cenário (BRACKEEN, 2004; PERUCIA et al., 2007). Figura5. Um tileset construído a partir de uma imagem. As linhas representam a divisão dos tiles. Todos os os tiles possuem o mesmo tamanho Mapa de tiles Um mapa de tiles representa as posições que um tile deve ocupar na formação do cenário do game. Como o cenário é geralmente mais extenso que a tela, somente parte dele é mostrada. A figura X mostra um exemplo de mapa de tiles inspirado no tileset da Figura 6 junto à exibição do cenário que ele representa (BRACKEEN, 2004).

7 Figura 6. O cenário (a) gerado pelo mapa de tiles (b) com os tiles do tileset da Figura 5. Somente parte do cenário considerada visível (quadrado vermelho (b)) é desenhada na tela (a) Planos de fundo Para deixar o cenário mais bonito é utilizada uma imagem de tamanho maior ao dos tiles. Esta imagem é o plano de fundo (background) e em geral mostra cenários distantes à cena principal do game como montanhas, nuvens, mar, entre outros panoramas. Os planos de fundo sempre ficam na camada mais oculta em um game (BRACKEEN, 2004; PERUCIA et al., 2007) Sprites Para representar personagens, inimigos e objetos utiliza-se sprites, que são imagens com suporte a transparência e animação. Um personagem pode ser composto de vários sprites, os quais representam suas animações. Em geral os sprites ficam na última camada a ser colocada na tela. A transparência da imagem pode ser implementada pelo próprio tipo de arquivo ou por um método especial na API que ignora certa cor, por exemplo, o tipo de arquivo PNG aceita transparência enquanto na API SDL uma cor é ignorada no momento que os sprites são pintados, assim, o que é

8 para ser transparente fica todo daquela determinada cor. Na figura 7 são exibidos alguns sprites de um personagem (BRACKEEN, 2004; PERUCIA et al., 2007). Figura7. Sprites de um personagem Camadas Para representar distância, profundidade e qual objeto sobrepõe outro (por exemplo, um personagem deve ficar na frente dos tiles do cenário) é utilizado o conceito de camadas. Um game possui no mínimo as camadas de plano de fundo (background), camada do cenário onde são desenhados os tiles, camada dos sprites onde são desenhados os personagens e a camada de Head Up Display que contém informações sobre o estado do game como pontuação, barra de vida, tempo, entre outros (PERUCIA et al., 2007) Animações 2D Em games 2D as animações são feitas por vários sprites seqüenciais que são exibidos com certo intervalo de tempo entre eles. Cada sprite representa uma pose da animação e a imagem x não pode ser muito diferente da x-1 para que a transição de imagens não seja tão perceptível para o jogador. A seqüência de transição de imagens gera o efeito de movimento. A Figura 8 mostra um exemplo de animação com três sprites (BRACKEEN, 2004).

9 Figura8. Pequena animação composta por três sprites. A transição entre eles gera a impressão de que o personagem esteja dando um passo Double buffering e page flipping Como visto, todos os recursos gráficos são armazenados na VRAM e o monitor possui uma taxa de atualização. A cada atualização a GPU copia os dados que estão na VRAM diretamente para o monitor. Um problema que pode acontecer é os dados não estarem prontos para serem copiados. Este problema pode ser percebido ao desenhar as camadas de um game, pois, primeiramente é desenhada a camada de fundo, em seguida os tilesets e por ultimo o sprite atual da animação do personagem, assim, o personagem pode não ser desenhado e somente o plano de fundo aparecer, ficando um espaço vazio em seu lugar, gerando o efeito flicker (BRACKEEN, 2004; PERUCIA et al., 2007) Como a tela é atualizada de tempo em tempo, pode ocorrer de a tela começar a ser pintada novamente enquanto a scan line estiver no meio da tela, fazendo com que a metade de cima não seja atualizada. Este efeito é chamado tearing e pode ser visto na Figura 9. Figura 9. A esfera movimenta-se da esquerda para a direita, porem, metade dela continua na esquerda enquanto outra metade começa a aparecer na direita.

10 Para resolver este problema, todas as pinturas são feitas em uma imagem secundaria (buffer secundário) do tamanho da tela, e, por final esta imagem é copiada para tela (buffer primário) assim que o monitor começar a atualizar novamente, evitando que alguma camada do game não apareça (flicker) e contorna o tearing (BRACKEEN, 2004; PERUCIA et al., 2007). A técnica de Page Flipping trabalha com dois buffers. Enquanto um buffer está sendo exibido, todos os desenhos são feitos no segundo buffer. Assim que as operações de desenho terminarem, os buffers são invertidos, ou seja, o segundo vira o primeiro e vice versa, fazendo com que o desenho se transforme em uma imagem que é desenhada de uma só vez, durante o inicio da atualização da tela. Este método economiza tempo, vendo que não é necessário copiar o buffer para tela, mas sim alterar o valor de um ponteiro (que passa a apontar para o buffer que acabou de ser desenhado) (BRACKEEN, 2004; PERUCIA et al., 2007) Sons Quando se está jogando pode-se ouvir os efeitos sonoros, porém eles não ganham muita atenção. Isto acontece porque se espera ouvir um som, porém, a sua ausência é notada. Eles são uma parte importante de um game e as pessoas esperam ouvi-los (BRACKEEN, 2004). O som é criado quando algo vibra sobre alguma mídia. Neste caso, a mídia é o ar e a vibração vem dos auto-falantes do computador. Os tímpanos captam as vibrações e sinalizam para o cérebro que interpreta o sinal como um som (BRACKEEN, 2004). Em games é comum ter sons ambientes (os que são reproduzidos todo tempo como, por exemplo, músicas) e sons pontuais (sons que emitem de um ponto no cenário conforme se aproxima deles o som fica mais alto, ou diminui com a distancia, variando de um auto-falante para outro conforme o personagem esta mais a direita ou esquerda do ponto) (BRACKEEN, 2004). Em games é comum o uso de arquivos para representar áudio, sendo os formados mais comuns MIDI, áudio de CD, MP3, Ogg Vorbis e WAV (BRACKEEN, 2004; PERUCIA et al., 2007).

11 Loop principal de um game 2D Em geral um game fica em um loop desde seu inicio até que o usuário desista de jogá-lo. A Figura 10 mostra o fluxograma do game. Figura 10. Loop principal de um game 2D.

12 1.3 GAMES EM TRÊS DIMENSÕES Com o avanço dos dispositivos gráficos ficou comum a criação de games em três dimensões (3D). O processo de criação e a arquitetura de um game 3D se difere de um game 2D, tanto na parte de software quanto nos arquivos multimídia utilizados. A seguir são apresentados os principais conceitos utilizados em games 3D Universo 3D O universo 3D é o espaço tridimensional onde todos objetos são adicionados. Este espaço tem origem na coordenada (0,0,0) e seu tamanho é infinito (MANSSOUR; COHER, 2006) Sistemas de coordenadas Quando se trabalha com gráficos tridimensionais o sistema de coordenadas do universo passa a ser representado por três eixos ortogonais, representados pelas letras x, y e z. A origem deste sistema ortogonal é no ponto (0,0,0) e cada ponto que está nele é representado pela tripla (x,y,z), onde x é a distancia horizontal do eixo, y é a distancia vertical e z é a profundidade. A Figura 11 mostra a representação do universo 3D (MANSSOUR; COHER 2006).

13 Figura 11. O sistema de coordenadas 3D. a origem (0,0,0) é o ponto de intersecção dos três eixos. O eixo x tem valor positivo para direita e negativo para esquerda. O eixo y tem valor positivo para cima e negativo para baixo da origem. O eixo z tem valor positivo para frente e negativo para traz do eixo. Como o mundo 3D pode ser muito grande, para visualizá-lo é criada uma janela. Esta janela define qual parte do mundo 3D será exibida em conjunto com uma câmera e raios de projeção (MANSSOUR; COHER, 2006). A câmera é semelhante a uma maquina fotográfica ou filmadora, pois, pode se mover em qualquer eixo definindo assim o ponto que o universo será visualizado (MANSSOUR; COHER, 2006; BRACKEEN, 2004). A janela de projeção geralmente é quadrada e posicionada entre a câmera e os objetos 3D do universo. A projeção (raios de projeção) é a maneira que o universo 3D será transformado em uma imagem 2D para ser mostrado no monitor. O sistema de projeção define o tamanho da janela de visualização e o ângulo de abertura desta. A partir da posição da câmera são traçadas retas (projeções) que intersectam a janela de projeção e os pontos que definem objetos virtuais. O modo como os raios de projeção intersectam os pontos dos objetos 3D é influenciado pelo ângulo de abertura (MANSSOUR; COHER, 2006). Na projeção paralela ortográfica o ângulo de abertura de visão é de 90 graus, assim os raios de projeção serão paralelos e os pontos que formam os objetos do mundo 3D serão intersectados representando sua distancia da câmera (MANSSOUR; COHER, 2006). Na projeção perspectiva o ângulo de abertura os raios de projeção são emitidos de um único ponto passando pelos pontos que definem os objetos. Neste tipo de projeção é considerada também a profundidade de um objeto, podendo representar o volume do objeto e também o redimensionamento levando em consideração a distancia entre o objeto e a câmera (MANSSOUR; COHER, 2006).

14 A Figura 12 mostra dois cubos em um universo 3D e duas visualizações frontais, uma utilizando projeção paralela ortográfica e outra projeção perspectiva. Figura 12. Pode ser vista a distancia entre os dois cubos (a). A distância parece não existir (b) por utilizar a projeção paralela ortográfica e em (c) um objeto parece menor que o outro por estar mais distante Polígonos Polígonos são conjuntos de pontos ligados por arestas de forma que formem um ciclo fechado. Para criar um polígono são necessários pelo menos três pontos e três retas, formando um triangulo. Um polígono também é comumente chamado de face (MANSSOUR; COHER, 2006) Texturas Texturas são bitmaps utilizados para dar cor a polígonos. As cores de uma face de um polígono podem ser definidas como sólida (onde só se tem uma cor) ou com varias cores através de uma textura (MANSSOUR; COHER, 2006; BRACKEEN, 2004). Para se modelar uma parede acaba-se sendo inviável criar vários tijolos e uni-los, sendo mais viável criar um retângulo (para parede) e aplicar uma textura com imagens de tijolos como pode ser visto na Figura 13

15 Figura 13. Um objeto retangular (a), uma textura (b) e a junção destes para criar uma parede (c) Modelos tridimensionais Um game 3D conta com um cenário (ou universo), personagens e objetos. Cada objeto possui formas geométricas (polígonos) interligadas para gerar uma forma final. Esse conjunto de polígonos forma um modelo 3D também chamado de malha. Os modelos 3D podem ser gerados via programação ou com o uso de um modelador. O uso de um software de modelagem torna a tarefa bem mais simples, pois, o pode ser visualizado durante a criação do modelo e as ferramentas disponíveis no software de modelagem permitem criar efeitos visuais melhores e de maneira mais pratica (CLUA; BITTENCOURT, 2005). Em geral, os modelos 3D são armazenados em forma de arquivos. Dentre os principais tipos de arquivos utilizados em games estão o MD2 (criado para o game Quake), 3DS (modelos do 3D studio), X (modelos do Directx), OBJ (modelos do wavefront) e M3G (utilizados em aplicativos Java 3D). Para que estes modelos sejam utilizados em um game deve-se utilizar um loader que carrega o modelo de um arquivo e transforma-o em dados que a linguagem de programação compreenda (por exemplo, em java3d um loader carrega o modelo e devolve um objeto Shape3D que é a classe para representar objetos 3D) (CLUA; BITTENCOURT, 2005). Comumente um modelo 3D possui informações sobre a textura aplicada a ele, sendo esta um arquivo externo ao modelo 3D geralmente em formatos como JPEG, PNG, TGA ou mesmo BMP.

16 A Figura 14 mostra um modelo 3D em modo wireframe com uma textura aplicada em suas faces. Figura 14. Um modelo 3D wireframe (a), uma textura (b) e o modelo renderizado com aplicação de textura (c). O modelo 3D é composto de vários polígonos de tamanhos e formas diferentes e a junção deles forma um peixe Animação 3D Como nos games 2D os personagens 3D são animados, ou seja, devem ter articulações e movimentar-se. Isto não é uma regra, mas, um game onde os personagens não se movimentam e sim se deslizam pelo cenário provavelmente não seria bem aceito, tanto comercialmente quanto por qualquer pessoa que o jogasse. Uma animação pode ser uma troca de cor, alteração de posição e, no mundo 3D, uma simples mudança na posição da câmera (MANSSOUR; COHER, 2006). Ocorre também de um modelo 3D ser animado, como por exemplo, um personagem que anda por um cenário que deve ter os movimentos da sua perna definidos. No modelo de animação mais comum (vertex animation) as poses da animação são criadas no momento do design e armazenadas em um arquivo. O problema é que cada quadro da animação é armazenado (CAMILO et al., 2003). Caso o modelo fosse um bípede uma animação de um passo conteria vários modelos, um para cada estado da animação, como por exemplo, com os pés no chão, com o pé esquerdo levantado um pouco, e assim por diante. Uma técnica que utiliza menos espaço em disco para armazenar animações é a Skeletal Animation. Nesta, o modelo 3D é criado baseado em um esqueleto. O esqueleto

17 é constituído de polígonos hierárquicos, tendo ligações entre os que representam certa parte de um objeto. Por exemplo, um braço pode ser representado por 3 polígonos internos sendo o braço, antebraço e mão. Em cima do esqueleto são colocados outros polígonos para dar forma ao modelo, como se fossem os ossos humanos revestidos pela pele. A hierarquia entre os osso faz que quando um osso é movimentado os outros ligados a ele também se movimentam, deformando os polígonos que os revestem (CAMILO et al., 2003). A Figura 15 mostra um exemplo de Skeletal criado no software Blender. Figura 15. O modelo de esqueleto. A visão de edição (a), visão da câmera (b) e o objeto renderizado (c), onde os ossos não aparecem Cenário 3D Uma das maneiras para se representar os cenários 3D é criar uma imagem em escala de cinza, onde cada pixel na imagem é mapeado a um vértice de uma malha 3D. Quanto mais escuro for o pixel, mais baixo o vértice ficará na imagem e, quanto mais claro o ponto mais alto ficará o vértice da malha. A malha do cenário é um plano formado por vários pontos ligados entre si, formando uma matriz e com tamanhos iguais ao número de pixels da imagem que define sua forma. Um cenário (ou mapa) construído desta forma tem o nome de height map. A Figura 16 mostra um exemplo de terreno criado com heitht map (CLUA; BITTENCOURT, 2005).

18 Figura 16. Heigthmap (a) que contém os níveis de cor em escalas de cinza e o cenário criado (b) com base no heightmap. Um exemplo de Height Map em uso pode ser visto na figura 17. Figura 17. Tela de Pause do game Super Mario 64. Percebe-se que no final do cenário o Height Map é bem mais alto, impossibilitando que o personagem principal possa subi-lo, limitando o acesso somente ao meio do mapa. Os Height maps representam melhor os cenários abertos. Para cenários fechados é mais comum a utilização de mapas BSP (BRAKEEN, 2004).

19 1.3.8 Tipos de visão em games 3D O tipo de visão (também chamado de câmera) é a interface do usuário com os dados e representações do game, como objetos 3D, o cenário, personagens, inimigos, e outros componentes de um game. O estilo de câmera influi diretamente no desenvolvimento do game, já que em um estilo de câmera em primeira pessoa talvez não faça sentido criar o modelo completo do personagem, sendo que só será exibida a mão. Os principais modelos de câmera são em primeira pessoa, segunda pessoa, terceira pessoa e câmera livre Câmera em primeira pessoa Uma razão para usar câmera em primeira pessoa é fazer o jogador se sentir na pele do personagem principal. Esta também é bastante utilizada em games de ação e tiro por fornecer uma melhor precisão e facilitar que o jogador mire nos alvos. Um exemplo muito conhecido que utiliza este estilo de câmera é o Counter Strike Câmera em terceira pessoa Este estilo de câmera permite que o jogador veja o personagem de certa distancia, sendo possível observá-lo por inteiro. Os modelos tridimensionais são visualizados por completo, geralmente de costas, tendo que serem modelados de forma integral. Um game que utiliza este estilo de câmera é o Grand Theft Auto: Vice City, como pode ser visto na Figura 18.

20 Figura 18. Gta Vice City. Um exemplo de câmera em terceira pessoa Câmera livre A câmera livre é utilizada em games onde não se tem um personagem principal (como os simuladores de cidades e estratégia) ou mesmo em games em terceira pessoa, porem, tendo um controle do ângulo que se deseja observar o personagem. Games que utilizam este esquema de câmera são Grand Theft Auto: San Andreas (um game em terceira pessoa com movimentação livre da câmera) e Rise And Fall: Civilizations at War (um game de estratégia onde a câmera passeia livremente pelo cenário em diferentes ângulos).