Игровой мир, освещение, тени

Примеры к лабораторной работе

Задачи работы

Подходы к созданию игрового мира

Для создания игрового мира трехмерной игры используют несколько подходов.

Рассмотрим работу с игровым миром, который представлен в виде отдельной модели, содержащей все его элементы.

Загрузка игрового мира

В качестве объекта игрового мира, который мы использовали для демонстрации, применен готовый игровой объект – .

Создадим новый игровой проект P17_1. На рис. 22.1. вы можете видеть его окно Project Explorer.

В качестве игрового объекта мы используем модель ball.fbx, для построения игрового мира применим модель дома house1.x и плоскость plane.fbx. В этом проекте мы используем уже знакомый вам по предыдущим проектам класс modCls – он применяется для вывода моделей.

В листинге 22.1. вы можете видеть код класса Game1.

using System;
using System.Collections.Generic;
using Microsoft.Xna.Framework;
using Microsoft.Xna.Framework.Audio;
using Microsoft.Xna.Framework.Content;
using Microsoft.Xna.Framework.GamerServices;
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;
using Microsoft.Xna.Framework.Input;
using Microsoft.Xna.Framework.Net;
using Microsoft.Xna.Framework.Storage;

namespace P17_1
{
    public class Game1 : Microsoft.Xna.Framework.Game
    {
        GraphicsDeviceManager graphics;
        //Матрицы
        Matrix viewMatrix;
        Matrix projMatrix;
        //Модели
        Model ball, house, plane;
        // Позиция объекта, поворот
        Vector3 avatarPosition = new Vector3(0, 0, -10);
        float avatarlRotation;

        // Положение камеры
        Vector3 cameraReference = new Vector3(0, 0, 10);
        Vector3 thirdPersonReference = new Vector3(0, 20, 100);

        // Скорости поворота и движения
        float rotationSpeed = 1f / 60f;
        float forwardSpeed = 10f / 60f;

        //Поле зрения камеры
        float viewAngle = MathHelper.ToRadians(45.0f);

        //Расстояние от камеры до переднего и заднего плана
        float nearClip = 1.0f;
        float farClip = 2000.0f;
        //Объекты
        modCls ballObj;
        modCls mHouse;
        modCls mPlane;
        
        //Соотношение сторон экрана
        float aspectRatio;

        public Game1()
        {
            graphics = new GraphicsDeviceManager(this);
            Content.RootDirectory = "Content";

        }

        protected override void Initialize()
        {
            // TODO: Add your initialization logic here

            base.Initialize();
        }

        
        protected override void LoadContent()
        {
           //Загрузка моделей
           ball = Content.Load<Model>("ball");
           house  = Content.Load<Model>("house1");
           plane = Content.Load<Model>("plane");
            aspectRatio = (float)graphics.GraphicsDevice.Viewport.Width /
  (float)graphics.GraphicsDevice.Viewport.Height;


        }

        
        protected override void UnloadContent()
        {
            // TODO: Unload any non ContentManager content here
        }

        protected override void Update(GameTime gameTime)
        {
            //обновить положение объекта
            UpdateAvatarPosition();
            base.Update(gameTime);
        }

        protected override void Draw(GameTime gameTime)
        {
          graphics.GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);

            UpdateCameraThirdPerson();


            //вывести объекты сцены
            DrawScene();

            base.Draw(gameTime);

        }

        //Обновляем состояние объекта
        void UpdateAvatarPosition()
        {
            KeyboardState keyboardState = Keyboard.GetState();

            //Поворот влево
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.Left))
            {
                avatarlRotation += rotationSpeed;
            }
            //Поворот вправо
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.Right))
            {
                avatarlRotation -= rotationSpeed;
            }
            //Движение вперед
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.Up))
            {
                Matrix forwardMovement = Matrix.CreateRotationY(avatarlRotation);
                Vector3 v = new Vector3(0, 0, -forwardSpeed);
                v = Vector3.Transform(v, forwardMovement);

                avatarPosition.Z += v.Z;
                avatarPosition.X += v.X;
                
            }
            //Движение назад
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.Down))
            {
                Matrix forwardMovement = Matrix.CreateRotationY(avatarlRotation);
                Vector3 v = new Vector3(0, 0, forwardSpeed);
                v = Vector3.Transform(v, forwardMovement);
                avatarPosition.Z += v.Z;
                avatarPosition.X += v.X;
              
            }
            //Движение вверх
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.W))
            {
                Matrix forwardMovement = Matrix.CreateRotationY(avatarlRotation);
                Vector3 v = new Vector3(0, forwardSpeed, 0);
                v = Vector3.Transform(v, forwardMovement);
                avatarPosition.Y += v.Y;
               
            }
            //Движение вниз
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.S))
            {
                Matrix forwardMovement = Matrix.CreateRotationY(avatarlRotation);
                Vector3 v = new Vector3(0, -forwardSpeed, 0);
                v = Vector3.Transform(v, forwardMovement);
                avatarPosition.Y += v.Y;
               
            }

            //Уменьшение угла обзора камеры
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.R))
            {
                viewAngle -= MathHelper.ToRadians(1.0f);
            }
            //Увеличение угла обзора камеры
            if (keyboardState.IsKeyDown(Keys.F))
            {
                viewAngle += MathHelper.ToRadians(1.0f);
            }
            //Если новый угол обзора вышел за дозволенные пределы
            //изменяем его
            if (viewAngle > MathHelper.ToRadians(180.0f)) viewAngle = MathHelper.ToRadians(179.9f);
            if (viewAngle < MathHelper.ToRadians(0.0f)) viewAngle = MathHelper.ToRadians(0.1f);
        }
        //Обновляем положение камеры при выбранном виде от третьего лица
        void UpdateCameraThirdPerson()
        {
            //Поворот камеры
            Matrix rotationMatrix = Matrix.CreateRotationY(avatarlRotation);

            // Направление камеры
            Vector3 transformedReference = Vector3.Transform(thirdPersonReference, rotationMatrix);

            // Позиция камеры
            Vector3 cameraPosition = transformedReference + avatarPosition;

            //Матрица вида
            viewMatrix = Matrix.CreateLookAt(cameraPosition, avatarPosition, new Vector3(0.0f, 1.0f, 0.0f));
            //Проецкионная матрица
            projMatrix = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(viewAngle, aspectRatio, nearClip, farClip);
        }

        //Вывод объектов сцены
        void DrawScene()
        {
            //очистить коллекцию компонентов
            Components.Clear();
            //Вывести дом
            mHouse = new modCls(this, house, graphics);
            mHouse .WorldMatrix = Matrix.CreateTranslation(0, 0, -5)*Matrix .CreateScale (5f);
            mHouse .ViewMatrix = viewMatrix;
            mHouse .ProjectMatrix = projMatrix;
            Components .Add (mHouse );
            //выведем игровой объект
            ballObj = new modCls(this, ball, graphics);
            ballObj.WorldMatrix = Matrix.CreateRotationY(avatarlRotation) * Matrix.CreateTranslation(avatarPosition);
            ballObj.ViewMatrix = viewMatrix;
            ballObj.ProjectMatrix = projMatrix;
            Components.Add(ballObj);
            //Вывести плоскость
            mPlane = new modCls(this, plane, graphics);
            mPlane.WorldMatrix = Matrix.CreateScale(700) * Matrix.CreateRotationY(MathHelper.ToRadians(90)) *
                Matrix.CreateRotationZ(MathHelper.ToRadians(90)) *
                Matrix.CreateTranslation(0, -2, 0);
            mPlane.ViewMatrix = viewMatrix;
            mPlane.ProjectMatrix = projMatrix;
            Components.Add(mPlane);
        }
    }
}

На рис. 22.2. вы можете видеть игровой экран проекта P17_1.

Управление освещением, тени

Рассмотрим управление освещением и отображением теней в XNA. Существуют различные техники работы с тенями, мы рассмотрим отрисовку теней с использованием так называемого буфера трафаретов, или, по-английски - Stencil Buffer. В частности, мы модифицируем проект P16_2 таким образом, чтобы шарики, падающие на плоскость, отбрасывали тени.

Stencil Buffer является стандартным устройством, входящим в состав современных видеокарт. Однако, различные видеокарты могут иметь различный размер этого буфера, поэтому, перед его использованием, необходимо определить, какой именно буфер доступен на видеокарте, используемой в данный момент.

Для создания тени мы воспользуемся методом CreateShadow объекта Matrix. Он позволяет создавать тень от объекта на основе информации об источнике освещения и плоскости, на которую должна проецироваться тень.

После того, как создана матрица, представляющая собой тень, мы используем эту матрицу для вывода тени. Причем, техника работы такова: сначала вывести сцену, освещенную так, как нужно, после этого соответствующим образом настроить буфер трафаретов и вывести ту же сцену без освещения, модифицировав мировую матрицу с помощью полученной матрицы тени.

В этом же примере мы рассмотрим настройку источника света. В частности, мы применим для рисования объектов один направленный источник света, направление которого можно менять с помощью клавиш клавиатуры – координата Z изменяется с помощью клавиш-стрелок вверх-вниз, координата X – клавишами вправо-влево, координата Y – клавишами W и S. Изменение направления освещения влияет не только на освещение объектов, но и на тень.

Создадим новый проект – P17_2.

На рис. 22.3. вы можете видеть его окно Project Explorer.

Для представления моделей, выводимых на экран, мы используем класс modCls, в качестве ресурсов игры используем шар ball2 и плоскость plane.

Рассмотрим код класса modCls (листинг. 22.2.) В проекте P16_2 этот класс отвечал за вывод изображений на экран. Сейчас он выполняет ту же функцию, дополнив вывод изображений визуализацией теней.

using System;
using System.Collections.Generic;
using Microsoft.Xna.Framework;
using Microsoft.Xna.Framework.Audio;
using Microsoft.Xna.Framework.GamerServices;
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;
using Microsoft.Xna.Framework.Input;
using Microsoft.Xna.Framework.Storage;
using Microsoft.Xna.Framework.Content;

namespace P17_2
{
    /// <summary>
    /// This is a game component that implements IUpdateable.
    /// </summary>
    public class modCls : Microsoft.Xna.Framework.DrawableGameComponent
    {
        //Модель
        public Model myModel;
        //Мировая матрица, матрицы вида и проекции
        public Matrix WorldMatrix;
        public Matrix ViewMatrix;
        public Matrix ProjectMatrix;
        //Направление света
        public Vector3 LightDirection;
        //Матрица для отображения тени
        Matrix shadow;
        //Плоскость, на которой отображается тень
        Plane sPlane;
        //Соотношение сторон экрана
        public float aspectRatio;
        //Для управления графическим устройством
        GraphicsDeviceManager graphics;
        //Конструктор получает на вход 
        //игровой класс, модель, объект для управления графическим устройством и плоскость для вывода тени
        public modCls(Game game, Model mod, GraphicsDeviceManager grf, Plane pl)
            : base(game)
        {
            myModel = mod;
            graphics = grf;
            sPlane = pl;
            aspectRatio = (float)graphics.GraphicsDevice.Viewport.Width /
(float)graphics.GraphicsDevice.Viewport.Height;
            LightDirection = new Vector3();
        }

        public override void Initialize()
        {
            // TODO: Add your initialization code here
            base.Initialize();
        }

        public override void Draw(GameTime gameTime)
        {
            //Выводим объект
            foreach (ModelMesh mesh in myModel.Meshes)
            {
                //Для каждого эффекта в сети
                foreach (BasicEffect effect in mesh.Effects)
                {
                    //Включить источник направленного света №0
                    effect.DirectionalLight0.Enabled = true;
                    //Настроить параметры
                    effect.DirectionalLight0.DiffuseColor = Vector3.One;
                    effect.DirectionalLight0.SpecularColor = Vector3.One;
                    //Направление света - в класса Game1 мы меняем направление
                    //по клавиатурным командам
                    effect.DirectionalLight0.Direction = Vector3.Normalize(LightDirection);
                    //Включить освещение
                    effect.LightingEnabled = true;
                    //Установка матриц
                    effect.World = WorldMatrix;
                    effect.View = ViewMatrix;
                    effect.Projection = ProjectMatrix;
                }
                mesh.Draw();
            }

            //Создать матрицу тени
            shadow = Matrix.CreateShadow(-LightDirection, sPlane);
            //Очистить буфер трафаретов
            graphics.GraphicsDevice.Clear(ClearOptions.Stencil, Color.Black, 0, 0);
            //Включть буфер трафаретов
            graphics.GraphicsDevice.RenderState.StencilEnable = true;
            // Вывод на экран элемента буфера в том случае, если он установлен в 0         
            graphics.GraphicsDevice.RenderState.ReferenceStencil = 0;
            graphics.GraphicsDevice.RenderState.StencilFunction = CompareFunction.Equal;
            //При выводе применяем операцию увеличения
            graphics.GraphicsDevice.RenderState.StencilPass = StencilOperation.Increment;
            //Включаем альфа-смешивание для того, чтобы сделать тень полупрозрачной
            graphics.GraphicsDevice.RenderState.AlphaBlendEnable = true;
            graphics.GraphicsDevice.RenderState.SourceBlend = Blend.SourceAlpha;
            graphics.GraphicsDevice.RenderState.DestinationBlend = Blend.InverseSourceAlpha;
            //Выводим тень
            foreach (ModelMesh mesh in myModel.Meshes)
            {
                foreach (BasicEffect effect in mesh.Effects)
                {
                    effect.AmbientLightColor = Vector3.Zero;
                    effect.Alpha = 0.5f;
                    effect.DirectionalLight0.Enabled = false;
                    effect.DirectionalLight1.Enabled = false;
                    effect.DirectionalLight2.Enabled = false;
                    effect.View = ViewMatrix;
                    effect.Projection = ProjectMatrix;
                    //При выводе тени умножаем мировую матрицу
                    //на матрицу вывода тени
                    effect.World = WorldMatrix*shadow;
                }
                mesh.Draw();
            }
            //Отключить буфер
            graphics.GraphicsDevice.RenderState.StencilEnable = false;
            //Отключить альфа-смешивание
            graphics.GraphicsDevice.RenderState.AlphaBlendEnable = false;
            base.Draw(gameTime);
        }
    }
}