TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM
NGÔ THÁI AN
0112085
NGUYỄN ĐÌNH TOÀN
0112287
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM
3D ENGINE
KHÓA LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
T.S DƯƠNG ANH ĐỨC
Th.S TRẦN MINH TRIẾT
NIÊN KHÓA 2001-2005
– i –
LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho chúng em thực
hiện đề tài tốt nghiệp này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Dương Anh Đức và thầy Trần Minh Triết
đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian làm đề tài.
Chúng em cũng xin cảm ơn quý Thầy Cô trong Khoa đã tận tình giảng dạy,
trang bị cho chúng em những kiến thức cần thiết trong suốt quá trình học tập tại
trường. Chúng em xin gởi lòng biết ơn sâu sắc đến ba, mẹ, các bạn bè đã ủng hộ,
giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học cũng như thời gian làm luận văn đầy
khó khăn, thử thách.
Mặc dù đã rất cố gắng hoàn thành luận văn với tất cả nổ lực của bản thân, nhưng
chắc chắn luận văn không tránh khỏi những sai sót và hạn chế, kính mong sự thông
cảm, chỉ bảo của quý Thầy Cô và các bạn.
Nhóm thực hiện
Ngô Thái An và Nguyễn Đình Toàn
Tháng 7 năm 2005
– ii –
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, các sản phẩm giải trí mà đặc biệt là Game đã mang lại một nguồn lợi
nhuận to lớn cho ngành công nghiệp máy tính. Do nhu cầu của thị trường tăng
nhanh, các Game ngày càng có chất lượng càng cao và thời gian xây dựng ngày
càng được rút ngắn. Các Game 3D trên thị trường hiện nay rất đa dạng về nội dung
và chủng loại nhưng cùng có điểm chung là xây dựng trên các Game Engine. Chất
lượng của Game sẽ phụ thuộc vào chất lượng của Game Engine mà nó sử dụng.
Game Engine chính là phần cốt lõi để xây dựng Game hiện nay và 3D Engine
chính là phần quan trọng nhất của Game Engine. Việc sử dụng Game Engine để xây
dựng Game là một xu thế tất yếu để có những Game chất lượng cao trong thời gian
ngắn. Tiếc thay, hiện nay ở nước ta việc xây dựng Game 3D cũng như Game
Engine vẫn còn là điều mới mẻ. Chính vì vậy, chúng em thực hiện đề tài “Nghiên
cứu và xây dựng thử nghiệm 3D Engine” với mong muốn góp vào những viên
gạch đầu tiên để xây dựng nên ngành công nghiệp Game của nước nhà trong tương
lai.
Là những người đi sau và được thừa hưởng những thành tựu từ quá trình phát
triển công nghệ thế giới, chúng em đã áp dụng những kĩ thuật mới nhất hiện nay
vào trong 3D Engine của mình. Chúng em đã xây dựng nên Nwfc Engine là một 3D
Engine với chức năng chính là dựng hình và quản lý tập tin. Sau đó chúng em tìm
hiểu và xây dựng thêm một số hệ thống khác như hệ thống quản lý diễn hoạt, hệ
thống vật lý, hệ thống hiệu ứng (particle và âm thanh) để kết hợp với 3D Engine
Nwfc tạo ra ứng dụng Game demo Dead Rising.
Nội dung của luận văn được chia làm 4 phần; trong đó, phần 1 là chương đầu
tiên giới thiệu về Game Engine và cho ta cái nhìn tổng quát về các Game Engine
đang được sử dụng trên thế giới; phần 2 gồm 3 chương 2, 3, và 4 giới thiệu các
thành phần và công nghệ chính sử dụng trong Nwfc Engine; phần 3 gồm 5 chương
tiếp theo (từ chương 5 đến chương 9) đề cập đến các thành phần bổ sung vào Nwfc
– iii –
Engine và ứng dụng Game demo Dead Rising; phần 4 là chương 10 tóm tắt kết quả
đạt được và đề ra hướng phát triển trong tương lai. Cụ thể các chương như sau:
•
Chương 1 Tổng quan: Tìm hiểu về Game Engine và 3D Engine.
•
Chương 2 Vertex Shader và Pixel Shader: Đây là công nghệ mới nhất trong
việc dựng hình 3D hiện nay và là công nghệ chính xây dựng nên Nwfc Engine.
•
Chương 3 Nwfc Engine: Chi tiết về 3D Engine được xây dựng.
•
Chương 4 Các thuật toán Vertex và Pixel Shader: Đề cập chi tiết đến các
thuật toán chính dùng trong Vertex Shader và Pixel Shader của Nwfc Engine.
•
Chương 5 Hệ thống diễn hoạt (Animation System): Tìm hiểu và xây dựng hệ
thống quản lý các diễn hoạt cho các đối tượng trong Game.
•
Chương 6 Hệ thống vật lý (Physics System): Tìm hiểu và ứng dụng hệ thống
vật lý NovodeX vào Game.
•
Chương 7 Giới thiệu Game demo Dead Rising: Giới thiệu về Game demo
Dead Rising và các thành phần để xây dựng nên Game này.
•
Chương 8 Hệ thống hạt (Particle System) và AI: Xây dựng hệ thống hạt và
AI cho Game demo Dead Rising.
•
Chương 9 Cài đặt và hướng dẫn sử dụng: Cài đặt, hướng dẫn sử dụng và một
số kết quả nổi bậc của Game demo Dead Rising.
•
Chương 10 Tổng kết: Các kết quả đạt được và hướng phát triển.
– iv –
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………………………………………. i
LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………………………ii
MỤC LỤC ……………………………………………………………………………………………….. iv
DANH SÁCH CÁC HÌNH………………………………………………………………………….viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG…………………………………………………………………………… x
MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT…………………………………………………………………………….. xi
Chương 1
Tổng quan……………………………………………………………………………….. 1
1.1.
Game Engine và 3D Engine………………………………………………………………2
1.2.
Mối quan hệ giữa Game Engine và Game …………………………………………..3
1.3.
Phân loại Game Engine…………………………………………………………………….3
1.3.1.
Isometric Engine ………………………………………………………………………..3
1.3.2.
3D FPS (First Person Shooter) Engine ………………………………………….4
1.3.3.
MMOG (Massive Multiplayer Online Game) Engine……………………..4
1.4.
Một số Game Engine hiện nay…………………………………………………………..5
1.5.
Tóm tắt …………………………………………………………………………………………..8
Chương 2
Vertex Shader và Pixel Shader…………………………………………………. 9
2.1.
Tổng quan……………………………………………………………………………………..10
2.2.
Qui trình xử lý đồ họa (Graphic Pipeline) …………………………………………10
2.3.
Vertex Shader………………………………………………………………………………..12
2.3.1.
Xử lý vertex bằng Fixed Function Pipeline………………………………….12
2.3.2.
Máy ảo Vertex Shader ………………………………………………………………13
2.3.3.
Cấu trúc của 1 chương trình Vertex Shader bằng hợp ngữ……………..15
2.4.
Pixel Shader ………………………………………………………………………………….17
2.4.1.
Xử lý điểm ảnh bằng Fixed Function Pipeline ……………………………..17
2.4.2.
Máy ảo Pixel Shader…………………………………………………………………21
2.4.3.
Cấu trúc của 1 chương trình Pixel Shader bằng hợp ngữ……………….23
2.5.
Sử dụng Vertex Shader và Pixel Shader trong chương trình………………..24
2.6.
Giới thiệu HLSL…………………………………………………………………………….27
2.7.
Tóm tắt …………………………………………………………………………………………28
Chương 3
Nwfc Engine…………………………………………………………………………… 29
3.1.
Tổng quan……………………………………………………………………………………..30
3.1.1.
Lý do xây dựng ………………………………………………………………………..30
3.1.2.
Giới thiệu ………………………………………………………………………………..30
3.2.
Các tính năng của Nwfc Engine……………………………………………………….31
3.3.
Mô hình xây dựng Nwfc Engine………………………………………………………32
3.4.
Cấu trúc của Nwfc Engine ………………………………………………………………33
– v –
3.4.1.
Các thành phần trong Nwfc module ……………………………………………34
3.4.2.
Các thành phần trong RendererDX9 module………………………………..36
3.5.
Hệ thống chất liệu (material) …………………………………………………………..37
3.5.1.
Giới thiệu ………………………………………………………………………………..37
3.5.2.
Cấu trúc của hệ thống chất liệu (material)……………………………………38
3.5.3.
Material…………………………………………………………………………………..39
3.5.4.
Textures…………………………………………………………………………………..41
3.5.4.1.
Phân loại texture dùng trong Engine …………………………………….41
3.5.4.2.
Texture flags……………………………………………………………………..44
3.5.5.
Shader……………………………………………………………………………………..44
3.5.5.1.
Giới thiệu tập tin Effect………………………………………………………46
3.5.5.2.
Định dạng tập tin Effect ……………………………………………………..46
3.5.6.
Sử dụng Vertex Shader và Pixel Shader trong Engine…………………..48
3.5.6.1.
Vertex Shader trong Engine ………………………………………………..49
3.5.6.2.
Pixel Shader………………………………………………………………………54
3.6.
Tóm tắt …………………………………………………………………………………………54
Chương 4
Các thuật toán Vertex và Pixel Shader……………………………………. 55
4.1.
Lời nói đầu ……………………………………………………………………………………56
4.2.
Đổ bóng thời gian thực Shadow Volume…………………………………………..56
4.2.1.
Cơ sở lý thuyết…………………………………………………………………………56
4.2.2.
Vertex Shader cho Shadow Volume……………………………………………62
4.2.3.
Một số kết quả đạt được…………………………………………………………….63
4.3.
Khung cảnh bầu trời (skybox)………………………………………………………….64
4.3.1.
Cơ sở lý thuyết…………………………………………………………………………64
4.3.2.
Vertex Shader cho skybox …………………………………………………………66
4.3.3.
Một số kết quả đạt được…………………………………………………………….67
4.4.
Chiếu sáng theo điểm ảnh sử dụng normal map và specular map…………69
4.4.1.
Cơ sở lý thuyết…………………………………………………………………………69
4.4.2.
Vertex Shader và Pixel Shader cho per-pixel lighting……………………75
4.4.3.
Một số kết quả đạt được…………………………………………………………….77
4.5.
Tóm tắt …………………………………………………………………………………………79
Chương 5
Hệ thống diễn hoạt (Animation System)………………………………….. 80
5.1.
Giới thiệu hệ thống diễn hoạt…………………………………………………………..81
5.2.
Các vấn đề cần giải quyết ……………………………………………………………….81
5.2.1.
Tập tin lưu dữ liệu diễn hoạt………………………………………………………82
5.2.1.1.
Tập tin md5……………………………………………………………………….82
5.2.1.2.
Xử lý dữ liệu tập tin md5…………………………………………………….84
5.2.2.
Vấn đề về khung xương…………………………………………………………….85
5.2.2.1.
Giới thiệu về khung xương………………………………………………….85
5.2.2.2.
Tổ chức dữ liệu………………………………………………………………….87
5.2.2.3.
Cập nhật và di chuyển khung xương…………………………………….88
5.2.3.
Đường dẫn định hướng cho diễn hoạt………………………………………….89
– vi –
5.2.3.1.
Giới thiệu về đường định hướng ………………………………………….89
5.2.3.2.
Cập nhật biến đổi trên các đường cơ bản ………………………………89
5.2.4.
Vấn đề về quản lý diễn hoạt……………………………………………………….91
5.2.4.1.
Các vấn đề cơ bản trong diễn hoạt ……………………………………….91
5.2.4.2.
Tổ chức quản lý diễn hoạt …………………………………………………..93
5.2.5.
Kết hợp các diễn hoạt………………………………………………………………..95
5.2.5.1.
Kết hợp các diễn hoạt khác nhau vào khung xương………………..95
5.2.5.2.
Kết hợp các diễn hoạt trong các phần của khung xương………….96
5.3.
Hệ thống diễn hoạt trong thực thi …………………………………………………….99
5.3.1.
Sơ đồ lớp của hệ thống diễn hoạt………………………………………………..99
5.3.2.
Chức năng các thành phần trong sơ đồ………………………………………..99
5.3.2.1.
Hệ thống xử lý dữ liệu………………………………………………………..99
5.3.2.2.
Các lớp quản lý đường dẫn………………………………………………..100
5.3.2.3.
Các lớp quản lý diễn hoạt………………………………………………….100
5.4.
Tóm tắt ……………………………………………………………………………………….101
Chương 6
Hệ thống vật lý (Physics System)…………………………………………… 102
6.1.
Giới thiệu hệ thống vật lý………………………………………………………………103
6.2.
Các yếu tố cần xử lý trong hệ thống vật lý ………………………………………103
6.3.
Engine vật lý NovodeX…………………………………………………………………104
6.4.
Sử dụng NovodeX………………………………………………………………………..107
6.4.1.
Kết hợp NovodeX vào Game……………………………………………………107
6.4.2.
Cài đặt NovodeX trong ứng dụng……………………………………………..109
6.4.3.
Các thành phần trong sơ đồ………………………………………………………110
6.5.
Tóm tắt ……………………………………………………………………………………….114
Chương 7
Giới thiệu Game demo Dead Rising………………………………………. 115
7.1.
Giới thiệu Game demo Dead Rising……………………………………………….116
7.2.
Nội dung cốt truyện………………………………………………………………………116
7.3.
Các thành phần chính cần sử dụng………………………………………………….118
7.4.
Hệ thống các tập tin định nghĩa ……………………………………………………..118
7.4.1.
Định nghĩa giao diện (GUI)……………………………………………………..119
7.4.2.
Định nghĩa hệ thống hạt (Particle System) …………………………………119
7.4.3.
Định nghĩa màn chơi (Map level)……………………………………………..120
7.4.4.
Định nghĩa đối tượng và AI ……………………………………………………..121
7.4.5.
Các định nghĩa khác………………………………………………………………..122
7.5.
Tóm tắt ……………………………………………………………………………………….122
Chương 8
Hệ thống hạt (Particle System) và AI…………………………………….. 123
8.1.
Hệ thống hạt (Particle System) ………………………………………………………124
8.1.1.
Smoke particle system …………………………………………………………….124
8.1.2.
Spark particle system………………………………………………………………125
8.1.3.
Một số hệ thống hạt được sử dụng trong Game…………………………..126
8.2.
Trí tuệ nhân tạo (AI) …………………………………………………………………….127
– vii –
8.2.1.
Cơ sở lý thuyết hành vi……………………………………………………………127
8.2.2.
Sơ đồ trạng thái………………………………………………………………………129
8.3.
Tóm tắt ……………………………………………………………………………………….130
Chương 9
Cài đặt và hướng dẫn sử dụng………………………………………………. 131
9.1.
Môi trường phát triển ứng dụng và các công cụ……………………………….132
9.2.
Kết quả đạt được ………………………………………………………………………….132
9.3.
Hướng dẫn sử dụng………………………………………………………………………133
9.3.1.
Các phím điều khiển ……………………………………………………………….133
9.3.2.
Các chế độ chơi………………………………………………………………………135
9.4.
Tóm tắt ……………………………………………………………………………………….141
Chương 10 Tổng kết ………………………………………………………………………………. 142
10.1. Kết luận………………………………………………………………………………………143
10.2. Hướng phát triển và mở rộng…………………………………………………………144
PHỤ LỤC
…………………………………………………………………………………………….. 145
TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………………………… 154
– viii –
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1-1 Vai trò của Game Engine…………………………………………………………………..3
Hình 2-1 Sơ đồ mô tả qui trình xử lý dữ liệu và hình ảnh 3D trên Direct3D………..11
Hình 2-2 Xử lý vertex bằng Fixed Function Pipeline………………………………………..12
Hình 2-3 Sơ đồ lý thuyết máy ảo Vertex Shader ………………………………………………14
Hình 2-4 Cấu trúc 1 chương trình Vertex Shader bằng hợp ngữ…………………………16
Hình 2-5 Qui trình xử lý đối tượng cơ sở………………………………………………………..17
Hình 2-6 Qui trình xử lý điểm ảnh qua 2 giai đoạn …………………………………………..18
Hình 2-7 Mô hình xử lý điểm ảnh của Fixed Function trong giai đoạn 1 …………….19
Hình 2-8 Mô hình xử lý điểm ảnh của Pixel Shader trong giai đoạn 1 ………………..20
Hình 2-9 Mô hình lý thuyết của máy ảo Pixel Shader……………………………………….21
Hình 2-10 Cấu trúc chương trình Pixel Shader bằng hợp ngữ…………………………….23
Hình 2-11 Kết quả thực thi chương trình ví dụ về sử dụng Vertex shader……………26
Hình 3-1 Mô hình module của Engine…………………………………………………………….32
Hình 3-2 Mô hình các thành phần của Nwfc Engine…………………………………………34
Hình 3-3 Ấm trà được vẽ ở chế độ khung và ở chế độ bình thường…………………….38
Hình 3-4 Ấm trà được vẽ với các chất liệu khác nhau……………………………………….38
Hình 3-5 Cấu trúc của material………………………………………………………………………38
Hình 3-6 Các mặt của Environment Cube Map………………………………………………..42
Hình 3-7 Các loại texture khác nhau……………………………………………………………….43
Hình 3-8 Cấu trúc của 1 Shader trong Engine ………………………………………………….45
Hình 3-9 Dựng hình nhiều lần để cho ra ảnh cuối cùng …………………………………….45
Hình 4-1 Mô tả các phần của shadow volume………………………………………………….57
Hình 4-2 Cạnh bao có một mặt kề hướng ánh sáng còn mặt còn lại thì không……..57
Hình 4-3 Dựng shadow volume mesh bằng các thêm vào các mặt phụ……………….59
Hình 4-4 Chương trình MeshTools tạo shadow volume mesh một cách tự động ….60
Hình 4-5 Thuật toán shadow volume với kỹ thuật z-fail ……………………………………61
Hình 4-6 Bối cảnh không có đổ bóng thời gian thực…………………………………………63
Hình 4-7 Bối cảnh có đổ bóng thời gian thực…………………………………………………..63
Hình 4-8 Shadow volume được vẽ bao trùm các vùng tối………………………………….64
Hình 4-9 Texture liền nhau ở các cạnh dùng cho sky sphere ……………………………..65
Hình 4-10 Texture 6 mặt dùng cho sky box……………………………………………………..65
Hình 4-11 Tọa độ của skybox được cập nhật theo tọa độ camera……………………….66
Hình 4-12 Khung cảnh bầu trời chính diện………………………………………………………68
Hình 4-13 Một góc nhìn khác của bầu trời ………………………………………………………68
Hình 4-14 Không gian tiếp tuyến……………………………………………………………………70
– ix –
Hình 4-15 Tạo normal map từ height map……………………………………………………….70
Hình 4-16 Tạo normal map từ vật thể có chi tiết cao hơn bằng Melody(NVidia)….71
Hình 4-17 Chiếu sáng theo từng vertex trong Vertex Shader……………………………..72
Hình 4-18 Chiếu sáng trên từng điểm ảnh trong Pixel Shader ……………………………72
Hình 4-19 Sự phản xạ của tia sáng trên bề mặt ………………………………………………..73
Hình 4-20 Tính độ phản chiếu trên từng điểm ảnh……………………………………………74
Hình 4-21 Tóm tắt qui trình per-pixel lighting bằng hình vẽ……………………………..74
Hình 4-22 Các công đoạn sử dụng Fixed Function …………………………………………..77
Hình 4-23 Các công đoạn sử dụng Shaders per-pixel lighting ……………………………78
Hình 4-24 Kết quả sau cùng sau khi bổ sung một số hiệu ứng……………………………79
Hình 5-1 Ví dụ cấu trúc khung xương …………………………………………………………….86
Hình 5-2 Ví dụ đường đi thẳng………………………………………………………………………89
Hình 5-3 Ví dụ đường đi Bezier……………………………………………………………………..90
Hình 5-4 Ví dụ diễn hoạt qua các khung hình khóa…………………………………………..92
Hình 5-5 Sơ đồ quan hệ các lớp quản lý diễn hoạt ……………………………………………93
Hình 5-6 Minh họa kết hợp chuyển động các phần trong khung xương ………………97
Hình 5-7 Sơ đồ lớp của hệ thống điễn hoạt………………………………………………………99
Hình 6-1 Ví dụ bao bọc đối tượng Game bằng đối tượng của NovodeX ……………108
Hình 6-2 Các lớp chính trong hệ thống vật lý…………………………………………………109
Hình 6-3 Điều khiển nhân vật với NovodeX ………………………………………………….113
Hình 8-1 Đặc điểm của 1 particle dạng smoke ……………………………………………….124
Hình 8-2 Đặc điểm của 1 particle dạng spark…………………………………………………125
Hình 8-3 Một số hệ thống hạt được sử dụng trong Game ………………………………..126
Hình 8-4 Các thuộc tính biễu diễn cho hành vi của quái vật …………………………….128
Hình 8-5 Sơ đồ trạng thái của quái vật ………………………………………………………….129
Hình 9-1 Màn hình giới thiệu……………………………………………………………………….135
Hình 9-2 Màn hình tác giả…………………………………………………………………………..135
Hình 9-3 Màn hình chơi Game …………………………………………………………………….136
Hình 9-4 Người chơi sẽ gặp nhiều quái vật trong quá trình chơi ………………………137
Hình 9-5 Các vật thể tương tác với nhau theo đúng các định luật vật lý…………….138
Hình 9-6 Cửa tự động mở khi người chơi đến gần ………………………………………….138
Hình 9-7 Nhiều chi tiết được thiết kế cho khẩu súng ………………………………………139
Hình 9-8 Khi bắn trúng quái vật, máu sẽ phun ra……………………………………………140
Hình 9-9 Lửa bốc lên từ người quái vật…………………………………………………………140
Hình 9-10 Hiệu ứng ánh sáng khi quái vật chết hay xuất hiện………………………….141
– x –
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1-1 So sánh một số Game Engine…………………………………………………………….7
Bảng 3-1 Các cờ của texture ………………………………………………………………………….44
Bảng 3-2 Các hằng mặc định cơ bản……………………………………………………………….49
Bảng 3-3 Các tổ hợp nguồn sáng ……………………………………………………………………52
Bảng 8-1 Các trạng thái của quái vật …………………………………………………………….129
Bảng 8-2 Các hành động của quái vật……………………………………………………………130
Bảng 9-1 Các phím điều khiển toàn cục ………………………………………………………..133
Bảng 9-2 Các phím điều khiển nhân vật………………………………………………………..133
Bảng 9-3 Các phím điều khiển camera ở chế độ đi theo người chơi………………….134
Bảng 9-4 Các phím điều khiển camera ở chế độ tự do …………………………………….134
– xi –
MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT
3D
3 Dimension
3 chiều
AI
Artificial Intelligence
Trí tuệ nhân tạo
ALU
Arithmetic Logic Unit
Đơn vị số học và luận lý
API
Application Program Interface Hệ giao tiếp lập trình ứng dụng
GPU
Graphic Processor Unit
Đơn vị xử lý đồ hoạ
HLSL
High Level Shader Language Ngôn ngữ shader cấp cao
PS
Pixel Shader
VS
Vertex Shader
Chương 1. Tổng quan
– 1 –
Chương 1
Tổng quan
Game Engine và 3D Engine
Mối quan hệ giữa Game Engine và Game
Phân loại Game Engine
Một số Game Engine hiện nay
Tóm tắt
Chương 1. Tổng quan
– 2 –
1.1. Game Engine và 3D Engine
Game Engine gồm một tập hợp các thành phần khác nhau làm nền tảng tạo nên
một Game (trò chơi) trên máy tính. Các thành phần cơ bản bao gồm:
Hệ thống toán học (Math system).
Hệ thống xử lý tập tin dữ liệu (File system).
Hệ thống hiển thị đồ hoạ (Render system).
Hệ thống quản lý diễn hoạt (Animation system).
Hệ thống xử lý nhập và xuất (Input and Output system).
Hệ thống xử lý các tương tác vật lý (Physics system).
Hệ thống xử lý trí tuệ nhân tạo (Artificial intelligence system).
Hệ thống xử lý mạng (Network system).
Hệ thống tạo hiệu ứng khác như khói lửa, âm thanh, …(Effect system).
Trong các Game khác nhau thì vai trò của các thành phần trên sẽ khác nhau.
Thông thường xây dựng Game ta chỉ cần một số trong các thành phần trên mà thôi.
Việc xây dựng và quản lý tất cả các thành phần trên của một Game Engine đòi hỏi
một lượng lớn thời gian cũng như công sức và đôi khi đòi hỏi nhiều kĩ thuật và kiến
thức của nhiều lĩnh vực khác nhau.
3D Engine bao gồm một tập các hệ thống trong Game Engine nhằm giải quyết
các vấn đề chính của đồ hoạ 3D là dựng hình 3D. Do đề tài tập trung nghiên cứu và
xây dựng một 3D Engine nên chúng tôi tập trung vào xây dựng hệ thống hiển thị và
hệ thống quản lý tập tin. Ngoài ra, do chúng tôi hướng đến sẽ xây dựng 3D Engine
Nwfc của mình trở thành Game Engine thật sự và hiện tại cần các hệ thống khác để
xây dựng Game demo hoàn chỉnh nên chúng tôi cũng đã tìm hiểu và xây dựng một
số hệ thống khác của Game Engine (hiện tại chưa tích hợp vào Nwfc Engine).
Do 3D Engine là một thành phần đặc trưng của Game Engine nên chúng ta sẽ
tìm hiểu về 3D Engine thông qua việc tìm hiểu về Game Engine.
Chương 1. Tổng quan
– 3 –
1.2. Mối quan hệ giữa Game Engine và Game
Hình
1-1 Vai trò của Game Engine
Game Engine chính là thành phần cốt lõi làm nền móng xây dựng nên Game. Sự
khác biệt giữa Game Engine và bản thân Game tương tự như sự khác biệt giữa động
cơ và chiếc xe. Chúng ta có thể đem động cơ ra khỏi xe, chỉnh sửa và dùng lại. Một
Game Engine có thể được xem như là một phần không phụ thuộc vào Game, nó
cũng có thể được thay đổi độc lập với Game mà không làm thay đổi cấu trúc logic
của Game.
1.3. Phân loại Game Engine
1.3.1. Isometric Engine
Đây là Game Engine dùng trong các trò chơi 2D. Các Game Engine này hiện
nay có một số phần là 2D nhưng một số phần là 3D và có thể trong thời gian sắp
đến sẽ chuyển hẳn sang 3D. Lý do chính của việc chuyển đổi sang 3D là để tận
dụng các tính năng về ánh sáng (light) và đổ bóng (shadow) lên các đối tượng 2D.
Các Game Engine này thường được sử dụng trong các Game chiến lược
(strategy) và trong các thể loại Game nhập vai (RPG: Role Game Play Genre). Một
số Game được xây dựng trên Isometric Engine có thể kể đến như Baldur’s Gate 2,
Diablo 2 và Warlords Battle Cry 2.
Chương 1. Tổng quan
– 4 –
Isometric Engine không phải là một Game Engine tốt cho việc xây dựng các
Game chuyên về đồ hoạ 3D và các ứng dụng thực tại ảo (Virtual Reality) vì nó
không hoàn toàn là một 3D Engine mà chỉ có một số chức năng 3D.
1.3.2. 3D FPS (First Person Shooter) Engine
Đây là Game Engine dùng nhiều nhất trong các 3D Game hiện nay. Với sự phát
triển vược bật về công nghệ Game trong vài thập niên gần đây thì người dùng mong
muốn có những Game bắt mắt nhất và loại Game Engine này đã đáp ứng được nhu
cầu đó.
Một số trong rất nhiều Game được xây dựng trên các 3D FPS Engine như:
Doom, Quake, Half Life, Counter Strike, Unreal, Duke Nuke’m, DeusEx, Halo,
Wolfenstein, Medal of Honor, Serious Sam, Spec Ops, Dessert Storm và Hitman.
3D FPS Engine đã tạo ra những thay đổi lớn lao trong các Engine xây dựng thực tại
ảo.
Các Game Engine này thông thương còn kèm theo các công cụ để tạo ra các sản
phẩm mang tính nghệ thuật và tương tác cao. Các ứng dụng tạo ra các mô hình 3D
nổi tiếng như 3DSMax, Maya, và Softimage đều có thể kết xuất (export) kết quả
vào các Game Engine này. Các đặt trưng cơ bản của các Game Engine này là nó hỗ
trợ nhiều chức năng như tô bóng điểm (pixel shader), quản lý diễn hoạt (animation),
mô phỏng vật lý, mô phỏng chuyển động của các hạt nhỏ (như bụi, lửa, khói), mô
phỏng chất lỏng, áo quần, và các hiệu ứng khác mà ta hiếm khi được thấy ở các 2D
Engine.
1.3.3. MMOG (Massive Multiplayer Online Game) Engine
Sự khác biệt chính giữa các Game Engine đã đề cập và MMOG Engine là Game
Engine này dựa trên việc lập trình trên mạng và quản lý dữ liệu thông qua mạng.
Các Game xây dựng trên MMOG Engine thường chứa một cơ sở dữ liệu lớn và
thực hiện trên một mạng phân tán và xử lý cho một số lượng lớn người chơi trong
cùng lúc. Cũng chính vì vậy mà sự tối ưu trong việc sử dụng băng thông mạng hết
Chương 1. Tổng quan
– 5 –
sức quan trọng và có thể nói là yếu tố sống còn của MMOG Engine. Việc nén dữ
liệu và chọn lọc dữ liệu truyền trên mạng tốt có thể tiết kiệm được rất nhiều chi phí.
Hầu hết các MMOG Engine hiện này đều tương thích và được tích hợp với một
FPS Engine. Nhờ vậy ngoài các yếu tố liên quan đến mạng thì loại Engine này có
các chức năng đáp ứng được các ứng dụng thực tại ảo và các yếu tố nghệ thuật được
đảm bảo và đây là một yếu tố quan trọng để các người chơi hứng thú ngồi hàng giờ
để chơi các Game mạng.
Một số Game được xây dựng trên MMOG Engine có thể kể đến như: Ultima
Online, Ever Quest, Asheron’s Call và Anarchy Online.
1.4. Một số Game Engine hiện nay
Ngày nay trên thế giới có rất nhiều Game Engine. Mỗi Game Engine được tạo ra
với những mục đích, đặc tính và độ phức tạp khác nhau và do đó sẽ rất khó khăn
cho người dùng trong việc chọn ra một Game Engine cho chính mình sử dụng. Hầu
hết các Game Engine ngày nay cung cấp tốt các tính năng cơ bản của một Game
Engine và tuỳ thuộc vào nhu cầu cũng như khả năng mà chúng ta chọn ra một Game
Engine phù hợp cho ứng dụng của mình. Một số Game Engine tiêu biểu có thể kể
đến như: Unreal – $10,000, Quake2 – $10,000, Quake3 – $250,000, Torque – $100,
3D Game Studio – $80, Genesis – $10,000, Lithtech – $75,000, Crystal Space –
Free, Power Render – 5,500, OpenSceneGraph, XEngine, NeoEngine, OpenApp…
Chương 1. Tổng quan
– 6 –
Ta có thể có một sự so sánh sơ bộ giữa các Game Engine về các chức năng mà
chúng cung cấp cùng với giá tiền để có chúng qua bảng tóm tắt sau:
Game
Engine
Dark
Basic
Quake
1
Unreal
Halflife
Genesis
Nebula
Quake
2
Hệ thống
Culling
BSP
BSP
BSP
BSP
BSP
–
BSP
Mipmap
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Map môi
trường
Cubic
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Lightmaps
Có
Có
Có
Có
Có
–
Có
Tô bóng
động
Có
–
Có
–
Có
–
–
Nội suy
mesh
–
–
Có
–
–
Có
Có
Terrain
Có
–
Có
–
–
Có
–
Hệ thống
Particle
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Mirrors
Có
–
Có
–
Có
–
Có
Các mặt
cong
–
–
Có
–
Có
–
–
Đổ bóng
Có
–
–
–
–
Có
–
Diễn hoạt
khung
xương
Có
–
Có
Có
Có
Có
–
Nhiều
người chơi
Có
Có
Có
Có
–
Có
Có
Nhiều cảnh
Game
–
–
Có
–
–
–
Có
Engine vật
lý
–
–
–
–
–
–
–
Ngôn ngữ
kịch bản
–
Basic
C
Basic
C
C
Giá cả
$100
$10.000
$10.000
$10.000
Chương 1. Tổng quan
– 7 –
(tiếp theo)
Game
Engine
Game
Studio
Quake
3
Lich_
tech 2
Vulpine
Torque
Crystal
Space
Power
Render
Hệ thống
Culling
BSP
BSP
Portal
Portal
BSP
BSP
Có
Mipmap
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Map môi
trường
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Lightmaps
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Có
Tô bóng
động
Có
–
Có
Có
Có
Có
Có
Nội suy
mesh
Có
Có
Có
Có
Có
–
Có
Terrain
Có
–
Có
Có
.
Có
.
Hệ thống
Particle
Có
Có
Có
Có
Có
–
Có
Mirrors
Có
Có
Có
Có
Có
Các mặt
cong
–
Có
Có
Có
–
Có
Có
Đổ bóng
–
Có
Có
Có
–
Có
Diễn hoạt
khung
xương
–
–
Có
Có
Có
–
Có
Nhiều
người chơi
Có
Có
Có
Có
Có
–
Có
Nhiều cảnh
Game
Dev
Có
Có
Có
Có
–
Có
Engine vật
lý
–
–
Có
Có
–
–
Ngôn ngữ
kịch bản
TLC
C++
Java
C++
C/pyth.
Python
C++
Giá cả
$80
$250.000
$75.000
$100
$500
$5.500
Bảng
1-1 So sánh một số Game Engine
Chương 1. Tổng quan
– 8 –
1.5. Tóm tắt
Trong công nghệ Game tiên tiến ngày nay hầu hết các Game được xây dựng dựa
trên một Game Engine. Việc xây dựng nên các Game Engine đã trở thành một xu
thế tất yếu và phát triển rất mạnh mẽ. Mỗi Game Engine đều chứa đựng trong nó
nhiều thành phần, tập các thành phần xử lý hiển thị 3D của Game Engine chính là
3D Engine. Chất lượng của Game Engine phụ thuộc vào chất lượng của 3D Engine,
có thể nói 3D Engine chính là phần đặc trưng cơ bản nhất của Game Engine.
Chúng ta có thể chia các Game Engine ra thành 3 loại là Isometric Engine, FPS
Engine và MMOG Engine. Tuy nhiên việc phân chia các Engine chỉ mang tính
tương đối vì ngày này các Engine mang trong mình rất nhiều chức năng pha trộn từ
các loại khác nhằm đáp ứng việc xây dựng Game tốt nhất.
Nếu muốn xây dựng Game, ta phải tìm hiểu, so sánh các Game Engine để chọn
một Game Engine phù hợp với ứng dụng và túi tiền. Việc tìm hiểu các Game
Engine còn cho phép ta tạo ra một Game Engine cho chính mình để tiện sử dụng
với chi phí đầu tư thấp hơn.
Chương 2. Vertex Shader và Pixel Shader
– 9 –
Chương 2
Vertex Shader và Pixel Shader
Tổng quan
Qui trình xử lý đồ hoạ
Kĩ thuật và lý thuyết về Vertex Shader
Kĩ thuật và lý thuyết về Pixel Shader
Sử dụng Vertex Shader và Pixel Shader
Giới thiệu về HLSL
Tóm tắt
Chương 2. Vertex Shader và Pixel Shader
– 10 –
2.1. Tổng quan
Chưa có khi nào mà phần cứng dành cho đồ họa 3D phát triển như hiện nay.
Phần cứng hiện nay phát triển dựa theo tiêu chí nhanh hơn, mạnh hơn, đẹp hơn.
Dưới sự trợ giúp của các card đồ họa 3D tiên tiến, ranh giới giữa ảo và thực ngày
càng trở nên vô cùng mong manh. Với sự ra đời của công nghệ Vertex Shader và
Pixel Shader trên phần cứng, công nghiệp làm Game đã có bước tiến nhảy vọt chưa
từng có, cho ra đời hàng loạt Game có chất lượng đồ họa y như thật. Vậy đâu là
điều làm nên thế mạnh của công nghệ này, làm cách nào mà ta có thể ứng dụng
được nó, câu hỏi đó sẽ được giải đáp trong chương này. Không đi sâu vào các khía
cạnh khác, nội dung của chương này chủ yếu đề cập tới khía cạnh kỹ thuật và lý
thuyết của công nghệ này.
Vì công nghệ Vertex Shader và Pixel Shader không phải là công nghệ độc lập
với môi trường do có sự phụ thuộc vào 3D API được sử dụng nên trong toàn bộ báo
cáo này mọi vấn đề liên quan đến Shaders đều được đề cập trên môi trường 3D API
Direct3D của Microsoft (phiên bản 9.0c).
2.2. Qui trình xử lý đồ họa (Graphic Pipeline)
Công nghệ Shaders gồm 2 thành phần cơ bản là Vertex Shader (còn được gọi là
Vertex Program) và Pixel Shader (hay Fragment Program) là công nghệ được tích
hợp sẵn trên phần cứng cho phép người lập trình 3D hoàn toàn làm chủ qui trình xử
lý dữ liệu và hình ảnh trên phần cứng (Graphic Pipeline). Trong Direct3D, Vertex
Shader và Pixel Shader được gọi chung là Programmable Pipeline để có thể phân
biệt với Fixed function Pipeline. Cần phải nói thêm Fixed function Pipeline là qui
trình xử lý dữ liệu và hình ảnh 3D được cung cấp sẵn của Direct3D, qui trình này
theo một thuật toán dựng hình cố định đối với mọi loại dữ liệu 3D đầu vào. Hình vẽ
sau đây minh họa cho qui trình xử lý đồ họa (Graphic Pipeline) của Direct3D.
Chương 2. Vertex Shader và Pixel Shader
– 11 –
Hình
2-1 Sơ đồ mô tả qui trình xử lý dữ liệu và hình ảnh 3D trên Direct3D
Sơ đồ trên gói gọn toàn bộ qui trình xử lý 3D trên phần cứng của Direct3D, toàn
bộ qui trình này được chia làm nhiều tầng xử lý hoàn toàn riêng biệt. Như chúng ta
thấy trên sơ đồ toàn bộ qui xử lý 3D bao gồm:
Xử lý dữ liệu đỉnh (Vertex processing). Biến đổi vertex từ không gian vật
thể (model space) sang không gian chiếu (projection space).
Xử lý đối tượng cơ sở (Primitive processing). Chuyển đổi dữ liệu vertex
trong không gian chiếu thành các dữ liệu cơ sở.
Quá trình xử lý điểm ảnh (Pixel processing). Chuyển đổi dữ liệu cơ sở
thành các điểm ảnh trên màn hình (Rendered Pixels).
Trước khi đi xa hơn ta cần nắm bắt 1 số khái niệm hay thuật ngữ chuỵên môn
dùng trong phần này:
Fixed Function Pipeline. Qui trình xử lý đồ họa cố định được đưa ra bởi
Direct3D. Qui trình này sử dụng nhiều thuật toán 3D xử lý cố định trên các dữ liệu
vào (các thuật toán này là không thể thay đổi).
Programmable Pipeline. Qui trình xử lý đồ họa có sử dụng Vertex Shader
hay Pixel Shader.
Graphic Pipeline. Qui trình xử lý đồ họa 3D nói chung (bao gồm luôn cả
Fixed Function Pipeline và Programmable Pipeline).
Vertex. Dữ liệu đỉnh 3D. Dữ liệu trong 1 đỉnh gồm nhiều thành phần như tọa
độ vị trí (position), pháp tuyến (normal), tọa độ texture (texture coordinate), màu
diffuse (diffuse color), màu phản chiếu (specular color)…
Chương 2. Vertex Shader và Pixel Shader
– 12 –
Pixel. Điểm ảnh trên màn hình
Primitive. Đối tượng đồ họa cơ sở như tam giác, đường thẳng, hình tròn,
hình vuông…
HLSL – High Level Shader Language. Ngôn ngữ Shaders cấp cao do
Microsoft phát triển tích hợp trong phiên bản Direct3D 9.0.
2.3. Vertex Shader
Vertex Shader là chương trình có vai trò xử lý dữ liệu vertex khi được thi hành.
Vertex Shader trên Direct3D chủ yếu viết bằng hợp ngữ và HLSL (được phát triển
kể từ phiên bản Direct3D 9.0). Vertex Shader là công nghệ phát triển theo các thế
hệ phần cứng do đó nó có rất nhiều phiên bản khác nhau, các phiên bản cao hơn
không thể chạy trên các thế hệ phần cứng cũ nhưng ngược lại thì được. Các phiên
bản Vertex Shader hiện này gồm có vs_1_1, vs_2_0, vs_2_x và vs_3_0.
Vertex Shader và Fixed Function sẽ loại trừ lẫn nhau trong khi thi hành, do đó ta
phải nắm được qui trình xử lý vertex của Fixed Function trước thi có thể tự viết cho
mình 1 Vertex Shader như ý muốn.
2.3.1. Xử lý vertex bằng Fixed Function Pipeline
Trước khi tìm hiểu về Vertex Shader, ta hãy xem qua qui trình xử lý vertex mà
Direct3D cung cấp sẵn thông qua Fixed Function Pipeline.
Hình
2-2 Xử lý vertex bằng Fixed Function Pipeline
Chương 2. Vertex Shader và Pixel Shader
– 13 –
Dữ liệu đầu vào của qui trình là dữ liệu đỉnh 3D (vertex) trong không gian vật
thể (model space), trong không gian này mọi vertex đều có tọa độ tính từ gốc tọa độ
của vật thể.
Biến đổi thế giới (World transform). Biến đổi vertex từ không gian vật thể
(model space) sang không gian thế giới (world space), các vertex sẽ có tọa độ tương
đối với nhau trong không gian thế giới
Vertex blending. Biến đổi tọa độ của 1 vertex trên nhiều ma trận biến đổi
thế giới khác nhau. Mức độ tham gia của mỗi ma trận được xác định thông qua giá
trị trọng lượng (weight) ứng với mỗi ma trận.
Biến đổi quan sát (View transform). Biến đổi vertex từ không gian thế giới
vào không gian quan sát. Vị trí của camera nằm ở gốc tọa độ của không gian quan
sát, sau biến đổi này vertex sẽ có tọa độ là tọa độ tương đối đối với camera.
Tính giá trị sương mù trên từng vertex (Vertex fog). Tính toán giá trị màu
sắc của vertex khi áp dụng hiệu ứng sương mù.
Chiếu sáng (Lighting and material). Tính toán ánh sáng trên từng vertex
dựa trên mức độ phản xạ ánh sáng của vertex.
Biến đổi chiếu (Projection transform). Biến đổi vertex từ không gian quan
sát sang không gian chiếu. Đây là công đoạn cuối cùng của qui trình biến đổi.
Dữ liệu đầu ra của qui trình này sẽ là đầu vào qui trình xử lý đối tượng cơ sở
(Primitive processing).
Toàn bộ qui trình xử lý vertex trên của Fixed Function có thể được thay thế bằng
chương trình Vertex Shader, khi đó Direct3D hoàn toàn chuyển giao quyền xử lý
vertex cho Vertex Shader, Vertex Shader sau khi kết thúc sẽ trả quyền điều khiển
cùng với dữ liệu xử lý được lại cho Fixed Function Pipeline để xử lý tiếp.
2.3.2. Máy ảo Vertex Shader
Để biết được cách thiết kế 1 Vertex Shader trước tiên ta cần phải nắm được mô
hình máy ảo Vertex Shader (Vertex Shader Virtual Machine). Máy ảo Vertex
