Thạc Sĩ Nghiên cứu và xây dựng thử nghiệm 3d engine

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:
ã Chương 1 Tổng quan: Tìm hiểu về Game Engine và 3D Engine.
ã 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.
ã Chương 3 Nwfc Engine: Chi tiết về 3D Engine được xây dựng.
ã 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.
ã 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.
ã Chương 6 Hệ thống vật lý (Physics System): Tìm hiểu và ứng dụng hệ thống
vật lý NovodeX vào Game.
ã 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.
ã Chương 8 Hệ thống hạt (Particle System) và AI: Xây dựng hệ thống hạt và
AI cho Game demo Dead Rising.
ã 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.
ã 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