-STŘEDOŠKOLSKÁ ODBORNÁ ČINNOST

Transkript

1 -STŘEDOŠKOLSKÁ ODBORNÁ ČINNOST Obor SOČ: 18. Informatika QEditor 3D editor terénu 3D terrain editor Lukáš Veteška David Podzimek Hradec Králové 2015

2 STŘEDOŠKOLSKÁ ODBORNÁ ČINNOST Obor SOČ: 18. Informatika QEditor 3D editor terénu QEditor 3D terrain editor Autoři: Lukáš Veteška David Podzimek Škola: Střední škola a vyšší odborná škola aplikované kybernetiky s.r.o Hradecká 1151, Hradec Králové Kraj: Královéhradecký kraj Konzultant: Ing. Milan Hloušek Hradec Králové 2015

3 Prohlášení Prohlašujeme, že jsme naši práci SOČ vypracovali samostatně a použili jsme pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) zmíněné v seznamu uvedeném v práci SOČ. Prohlašujeme, že tištěná verze a elektronická verze soutěžní práce SOČ jsou shodné. Nemáme závažný důvod proti zpřístupňování této práce v souladu se zákonem č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon) v platném znění. V Hradci Králové dne podpis:... podpis:

4 Poděkování Děkujeme Ing. Milanu Hlouškovi a Mgr. Richardu Rejtharovi za obětavou pomoc a podnětné připomínky, které nám během práce poskytovali.

5 ANOTACE V odborné práci QEditor představujeme program, podle nehož lze vytvořit grafické prostředí pro simulaci světa či virtuální svět hry. Na bázi tohoto programu je možné vyvíjet nové počítačové hry. Intuitivní ovládání aplikace umožňuje rychlé seznámení s prostředím programu samotného. Naše práce představuje hlavní nástroje programu a jejich pomocné funkce. Konkrétní použití základních nástrojů a jejich demonstrace v praxi je přiblížena v praktické části naší práce. Klíčová slova: editor terénu; 3D svět; výškový editor; software na vytváření krajin; 3D počítačová grafika; grafický software. ANNOTATION In professional work QEditor is introduced program which has purpose to create graphics environment for virtual world or simulation of world. Based on this program can teams develop new computer games. Intuitive application control allows to quick introduction with environment of program. In work are described main tools of program and their auxilliary functions. In practical part are described specific using of basing tools and their demonstration in practice. Key words: terrain editor; 3D world; heightmap editor; landscape software; 3D computer graphics; graphics software.

6 OBSAH 1 Úvod Cíle projektu 3 2 Použité technologie Systémové požadavky Cross-platform Únik paměti (memory leak) D matematika GLSL 10 3 Nástroje, nepostradatelné pro aplikaci Ukazatel Nástroj k upravování terénu Nástroj na kreslení textur Nástroj Vertex shading Nástroj Voda Nástroj 3D modelů Nástroj Kamera Skybox Ostatní Plánované funkce 22 4 Realizace aplikace Implementace ukazatele Implementace upravování terénu, kreslení textur a Vertex shadingu 27

7 4.4 Implementace 3D modelů 31 5 Mobilní platformy Windows Phone 33 6 Závěr 34 PŘÍLOHA A: Seznam použité literatury a pramenů 35 PŘÍLOHA B: Seznam obrázků a tabulek 37 PŘÍLOHA C: License 38 2

8 1 Úvod QEditor je aplikace s rozsáhlou škálou nástrojů, jejichž společným cílem je pomoc při vytvoření virtuálního světa nebo modelování simulace světa. V současné době existuje bohatá nabídka řešení pro vytvoření virtuálního světa, potažmo počítačové hry. U hlavních nástrojů jsou ale nutná mnohá další nastavení, aby je bylo možno použít. Domníváme se, že současná řešení obsahují i funkce, které považujeme za zbytečné přežité. 1.1 Cíle projektu Výše uvedené důvody nás motivovaly k pokusu, navrhnout a posléze i realizovat vlastní projekt, který by vytvořil aplikaci, umožňující uživatelům obejít se bez těchto podle nás přebytečných bezvýznamných funkcí. Program se nachází v tzv. Alfa verzi, kdy není zcela hotový. Přesto se domníváme, že počítačovou hru či simulaci světa lze s verzí programu tak, jak se nachází v momentální fázi, postavit. K vytvoření jedné části mapy potřebujeme časový prostor v řádu několika hodin. Finální aplikace by neměla vyžadovat více času než jednu hodinu. 3

9 2 Použité technologie Vzhledem k nevyrovnaným ekonomickým možnostem byly pro testování aplikace použity i starší verze z předchozích let. Pro vývoj celé aplikace byly použity nejmodernější softwarové i hardwarové technologie dnešní doby. Přesné informace o určitých technologiích a platformách níže. 2.1 Systémové požadavky Každá aplikace vyžaduje pro svůj provoz technickou infrastrukturu (klientské počítače, síťové prvky, atd) s parametry odpovídajícími zejména zatížení aplikace v plném provozu. Na celkový datový výkon aplikace má rozhodující vliv optimální dimenzování všech prvků infrastruktury a jejich vyvážené sestavení. Níže jsou minimální a doporučené systémové požadavky specifikované pro QEditor pro Windows, Mac a Linuxů. Kvůli možným změnám v programu se mohou minimální systémové požadavky pro QEditor změnit časem. Tabulka č. 1. Systémové požadavky Operační systém Procesor Grafická karta Minimální požadavky Windows XP (poslední service pack) / Mac OS X / Linux Debian 6 s OpenGL 4.2 Intel Core i3-4000m Processor (3M Cache, 2.40 GHz) nebo AMD Athlon II GeForce GTX 460 nebo AMD Radeon HD 6450 Doporučené požadavky Windows 7 (poslední service pack) / Mac OS X 10.8 / Linux Debian 7 Intel Core i5-4310u Processor (3M Cache, up to 3.00 GHz) nebo AMD FX GeForce GTX 650 nebo AMD Radeon HD 7730 Operační paměť 2 GB RAM 4 GB RAM Uložiště 1 GB Internet Bez připojení 0.5 Mbps Rozlišení obrazovky 1024x x1080 4

10 2.2 Cross-platform Cross-platform česky Multiplatformní software je termín, který je nejčastěji užíván ve spojení s aplikací, jež může běžet na více počítačových platformách. V našem případě to znamená, že QEditor je napsaný, aby běžel pod Microsoft Windows na architektuře x86, tak například pod zmiňovaným Mac OS X na architektuře PowerPC či Linux. Že aplikace může být spustitelná na platformě více než jednou, je dalším významem pojmu multiplatformní. Aplikace QEditor je navržena tak, aby bylo možné ji spustit i na ostatních platformách. QEditor je naprogramován v programovacím jazyku C++ (viz následující kapitola). Kromě toho, že C++ je cross-platform, využíváme zde ještě open source [1] framework [2] nazývaný Qt. Qt je cross-platform UI [3] framework pro vyvíjení v C++. Je taktéž open source, proto je to vhodná volba pro náš projekt. Mimo jiné má Qt využití i komerční, ale náš projekt se po uvolnění chystá být open source, nebude nás tedy finančně zatěžovat. Momentálně je Qt ve verzi a projekt na ní funguje. Pro zajímavost uvádíme příklad: aplikace Skype je cross-platform a naprogramována v Qt frameworku. V současné době bylo staženo více jak kopií Qt s aktuální verzí. [1] open source v češtině otevřený software, software či framework s otevřeným zdrojovým kódem [2] framework soubor knihoven pro programování v daném jazyce [3] UI User Interface, v češtině uživatelské rozhraní 5

11 Tabulka č. 2. Jazyk Charakteristika jazyka Především dnešní využítí v mikročipech Jeden z nejvíce rozšířených a používaných programovacích jazyků C Výhoda --- Nevýhoda Neobsahuje objekty, které usnadňují práci v programování - jedna z nejvíce zásadních úloh C++ Charakteristika jazyka Vychází z C Jinak postavené používaní paměti než C#/Java. Proto je lepší tento jazyk použít, je více stavěný na ovládání paměti přímo, což vylepšuje výkon Cross-platform STL Standartní templatová knihovna (algoritmy, základní funkce apod) Globální proměnné a globální funkce Výhoda Lepší ovládání OpenGL [2] Podporuje i DirectX [3] Nevýhoda Únik paměti (viz Kapitola č ) C# Charakteritika jazyka Výhoda DirectX Vychází z C++ a Javy Gargbage kolektor uvolňuje paměť, průběhu času se již nepoužívá.net-framework Knihovny pro vývoj především na platformě Windows Nevýhoda Pro velké hry Java Charakteristika jazyka Výhoda --- Cross-plaftorm Obsahuje konstantní parametry Pro malé a střední hry velice vhodný Nevýhoda Velké nároky na paměti Neobsahuje dynamické proměnné jako C# [1] API Application Programming Interface, v češtině označuje rozhraní pro programování aplikací. Jde o sbírku procedur, funkcí, tříd či protokolů nějaké knihovny [2] OpenGL Open Graphics Library, v češtině označuje otevřená grafická knihovna, která je cross-platform API pro vykreslování 2D a 3D vektorové grafiky. API komunikuje s grafickou kartou (GPU) [3] DirectX Kolekce API pro řízení multimedia úloh především v herním programování nebo videa na Microsoftí platformě 6

12 2.3 Únik paměti (memory leak) V pravém názvu Memory leak označuje situaci, kdy program, ať již úmyslně nebo neúmyslně, alokuje [1] opěrační paměť a není ji schopen uvolnit poté, co ji nadále ani nepotřebuje, ani nevyužívá. Především se s tímto problémem setkáme v jazyce C a C++, v předchozí kapitole jsme uváděli informace o jazyce, nyní zde rozebereme výhodu a nevýhodu ovládání paměti. Při restartování počítače se na malou chvíli paměť RAM ocitne bez el. proudu, na kterém je energeticky závislá. V C++ může mnoho zapomenutých objektů snížit výkon. Pokud ale zkušený programátor nezapomene na jediný objekt ke smazání, tak bude C++ prosperovat v rychlosti více než C# či Java. Obava, že programy, které se programují v jazyce C/C++, mohou být nebezpečné nebo neefektivní z důvodu úniku paměti, není opodstatněná. Vzniklo mnoho ladících nástrojů (anglicky Debugger) např. oblíbený Valgrind. Avšak dnešní počítačové systémy jsou tak inteligentní, že uvolní veškerou paměť, kterou aplikace alokovala. To, že k tomu je třeba ještě krátkého časového prostoru po ukončení programu, můžeme považovat za nedostatek. Kdyby proto došlo k malým únikům paměti v řádech kb tak nemusí být ani odhaleny, neboť dnešní počítače jsou vybavené pamětí RAM o velikosti 4GB a výše. Pokud se jedná již o desítky MB, jsou lehce odhalitelné a převážně jednoduché k nalezení a opravení. Příklad laického vysvětlení úniku paměti: Bylo stisknuto tlačítko: Vezmi část paměti, která bude použita na zapamatování čísla patra Dej číslo patra do paměti Jsi již v cílovém patře? Pokud ano, není co dělat: hotovo Jinak: Počkej, dokud nebude výtah v klidu Jeď do požadovaného patra Uvolni paměť používanou k zapamatování čísla patra [1] alokace proměna objektu se uloží do paměti RAM s patřičnou adresou [2] objekty jednotlivé prvky, pamatují si stav a navenek poskytují operace 7

13 2.4 3D matematika U počítačové grafiky nám ulehčí práci Qt framework a základní znalost 3D matematiky. Bezpodmínečná je znalost matematiky, zejména lineární algebry, matice, vektorů, kvatertion a goniometrie. Matice pro aplikaci: Prohlížející směr, kterým se kamera dívá (tzv. pohledová transformace) Modelovací skrze ni vkládáme objekty do scény Projekční tvar záběru (měníme ohnisko, vzdálenost, atd.) Zobrazovací zvětšení/zmenšení a na mapování výsledné scény Nejčastější matice v 3D matematice jsou o velikosti 3x3 nebo 4x4. Používají se k transformaci kamery, přes kterou koukáme skrze okno aplikace do prostoru. Vektory pro aplikaci od 1D až po 4D (x, y, z, w): 2D vektor - pro kurzor na obrazovce v operačním systému 3D vektor - pozice kamery, prohlížející vektor kamery, data mapy Kvatertion: rotace kamery objektů animace kostí u objektů * * na animacích momentálně pracujeme 8

14 Příklad z praxe na získání 3D pozice v prostoru z 2D pozice kurzoru operačního systému QVector3D MapView::getWorldCoordinates(float mousex, float mousey) // funkce getworldcoordinates s návratovým typem QVector3D (x, y, z) { QMatrix4x4 viewmatrix = camera->viewmatrix(); // získáme pohledovou matici QMatrix4x4 modelviewmatrix = viewmatrix * modelmatrix; // vytvoříme modelview matici z pohledové matice * model matice QMatrix4x4 modelviewproject = camera->projectionmatrix() * modelviewmatrix; // vytvoříme modelviewproject matici z projekční matice * modelviewmatrix (pohledová * model matice) QMatrix4x4 inverted = viewportmatrix * modelviewproject; // vytvoříme proměnou QMatrix4x4 inverted a zkombinujeme do ní matici scény s předešlou maticí modelviewproject inverted = inverted.inverted(); // invertujeme QMatrix4x4 inverted float posz; // založíme proměnou posz float posy = viewportsize.y() - mousey - 1.0f; // založíme proměnou posy a vložíme do ní hodnotu world->getglfunctions()->glreadpixels(mathhelper::toint(mousex), MathHelper::toInt(posY), 1, 1, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, &posz); // přečteme pomocí OpenGL knihovny hloubku na pozici mousex a posy, zapíšeme hloubku do posz QVector4D clickedpointonscreen(mousex, posy, 2.0f * posz - 1.0f, 1.0f); // vytvoříme si QVector4D, vložíme do ní, kde se nachází kurzor již s hloubkou QVector4D clickedpointin3dorgn = inverted * clickedpointonscreen; // vynásobíme invertující matici s pozicí, kde se nachází kurzor clickedpointin3dorgn /= clickedpointin3dorgn.w(); // vydělíme (x, y, z, w) hodnotou w return clickedpointin3dorgn.tovector3daffine(); // vrátíme z 4D vektoru jen 3D vektor (x, y, z) } 9

15 2.5 GLSL OpenGL Shading Language je programovací jazyk pro psaní shaderů, který vychází ze syntaxe [1] jazyka C. Shadery jsou programy určené k řízení jednotlivých fází programovatelného grafického řetězce grafické karty neboli GPU [2]. Původní GLSL verze přišla s verzí OpenGL 1.4. Oficiálně bylo GLSL představeno až ve verzi OpenGL 2.0 (rok 2004). Nejnovější GLSL verze je 4.40 a běží s OpenGL 4.4 zhruba od poloviny roku Flexibilitu ve vykreslování zvyšují nové funkce, jimiž jsou dnešní grafické karty obohaceny. Výhoda GLSL: Cross-platform kompatibilita (Windows, Linux, Mac OS X) Každý hardwarový [3] výrobce přikládá GLSL kompilátor [4] ve svých ovladačích, toto přináší výrobcům možnost optimalizovat kód pro svou architekturu grafické karty Schopnost psát shadery, které můžou být použity na kterékoliv grafické kartě, podporující GLSL [1] syntax zápis programovacího jazyka [2] GPU Graphics processing unit, česky grafický procesor [3] hardware fyzické technické vybavení počítače [4] kompilátor překladač programovaího jazyka 10

16 GLSL architektura: Aplikace Vertex Shader Provede na každém vrcholu vstupní geometrie operace, nejčastěji transformace vrcholu. Můžeme zde udělat např. simulaci pohybu vodní hladiny. Vertex Shader Tessellation Control Shader Tessellator Shadery pro teselaci Dva z těchto tří stupňů jsou programovatelné. Umožňují měnit geometrii objektů. Díky teselaci zakotvené přímo v GPU je možné do scény přidat velké množství detailů (např. podle kamery, kde jsou potřeba). Tessellation Evaluation Shader Geometry Shader Fragment Shader Geometry Shader Na rozdíl od vertex shaderu umožňuje přidávat nebo odebírat vrcholy a tím ovlivňovat výslednou geometrii. Fragment Shader Je prováděn na každém pixelu scény - pracuje tedy s 2D obrazem. Můžeme např. aplikovat texturu či modifikovat barvu pixelu. 11

17 3 Nástroje nepostradatelné pro aplikaci Ukazatel Nástroj k upravování terénu Nástroj na kreslení textur Nástroj Vertex shading Nástroj voda Nástroj 3D modelů Pro efektivní práci v programu má využití a nastavení každého nástroje své opodstatnění a význam. Jednotlivé nástroje vám nyní představíme. 3.1 Ukazatel Obrázek 1: Ukazatel Ukazatel je výchozím nástrojem v případě, že chcete krajinu pouze prohlížet a v žádném případě ji nechcete upravit. Dojde-li ke stisknutí klávesové zkratky u ostatních nástrojů, může být tímto proveden pokyn, který nebude moci být zvrácen. Tento nástroj umožňuje vybrat tzv. chunky na mapě (viz kapitola č. 3.2). Po vybrání chunku je možné zjistit, které textury obsahuje ve widgetu [1] Výběr textur. V tomto widgetu můžete mazat textury nebo vyměňovat pozice textur na chunku. Přklad: na pozici textury 1 je tráva, na pozici textury 2 je hlína, pro záměnu stačí jedno tlačítko, tím dosáhneme, že hlavní vrstva, tedy textura 1, bude hlína. [1] widget ovládácí prvek 12

18 3.2 Nástroj k upravování terénu Obrázek 2: Upravování terénu Tento nástroj slouží k upravování terénu. Zmíníme metodiky pro tvoření terénu samotného: Metodika č. 1 - Moderní algoritmy pro visualizaci terénu: ROAM 2.0 Real-time Optimally-Adapting Meshes (Optimálně adaptované síťování v reálném čase) Geometrické mip-mapování Geometrické klip mapování BDAM Batched Dynamic Adaptive Meshes (Dynamicky adaptivně dávkovaná síť) Chunkovaná úroveň detailů Metodika č. 2 - Vykreslování terénu: glbegin / glend Stará technika, od verze OpenGL 3.0 nepodporovaná. Z důvodu velkého počtu příkazů na procesoru pomalá. VBO Vertex Buffer Object Objekt, který je používán jako zdroj pro pole vertex dat (pozice, barvy, atd.). Je umístěn ve vysokorychlostní paměti grafické karty. Oficiálně přidáno ve verzi 2.1, lze najít již ve verzi 1.5. Tuto techniku používáme, pokud nepotřebujeme u každého snímku přenášet informace z procesoru do grafické karty, tedy jako statické vykreslování (neočekává se tedy, že se terén nebo geometrie bude měnit). Proto je uložena v grafické kartě. VBO je jedinou cestou jak uložit geometrická data v OpenGL ES 2 a WebGL (používají se v mobilních zařízení a webových rozhraních). 13

19 VAO Vertex Array Objects Objekt, který obsahuje jeden nebo vícero VBO, je navržen pro ukládání informací pro kompletní vykreslení objektu. Je umístěn v paměti RAM. Oficiálně přidáno ve verzi 3.0. Tato technika je přímým opakem VBO, každý snímek se přenáší z paměti RAM do grafické karty. Z popisu naší aplikace je patrno, že v ní používáme algoritmus Chunkovaná úroveň detailů s vykreslovací metodou VAO. Volbu této metody vysvětlíme takto: Chunkovaná úroveň detailů je algoritmus, přímo ušitý na míru pro program, kterým je náš QEditor. Neznáme požadavek uživatele na velikost mapy, neznáme poměr šířky a výšky. Heightmapa neboli výšková mapa je ve většině případů rastrový obrázek, který obsahuje výšku v daném bodě, zapsanou v barvě. Nejčastější formát je grayscale [1] 8-bit. My ovšem nezapisujeme heightmapu do obrázku ani nepoužíváme grayscale. Vytvořili jsme si vlastní formát.qem, který ukládá mapu o velikosti 1024x1024 do jednoho určeného souboru. Celý tento soubor budeme dále nazývat dlaždice. V projektu je počet dlaždic omezen na 64x64. Každá dlaždice má v sobě 16 chunků, každý chunk je tedy 256x256 velký. Obrázek 3: Heightmapa (výšková mapa) 14

20 [1] grayscale stupně šedé, 8-bit barev šedé, 16-bit barev šedé, 24-bit milionů barev šedé, 32-bit miliard barev šedé Co v sobě obsahuje jediný chunk: Index 0-15 Heightmapu 32-bit floating-point [2] 4 stringy [3] pro cesty k texturám 4 alphamapy [4] Vertex Shading data (viz kapitola č. 3.4) Vodu (viz kapitola č. 3.5) Heightmapa bývá v poměru 1:1, u nás je tomu již zmíněná velikost 1024x1024, kde je pak v aplikaci zmenšená na floating-point velikost z důvodu větší hladkosti při změně terénu. [2] floating-point reprezentace realných čísel v počítači [3] string znakový řetězec v počítačovém programování [4] alphamapa mapa pixelů, většinou 8-bitová (0-255), která udává většinou textuře jak moc je průhledná, pomocí rozsahu 0-255, kde 0 znamená, že není vidět, 255 znamená, že je vidět 15

21 3.3 Nástroj na kreslení textur Obrázek 4: Kreslení textur Tento nástroj je určen k potexturování terénu. Při využití tohoto nástroje mají význam: Velikosti štětce [1] Rychlost štětce Maximální průhlednost [2] Obrázek 5: Kreslení textur - přechod mezi vnitřním a vnějším štetcem [1] - vnitřní štětec zajišťuje minimální texturu, kde se textura 100% nakreslí na terén a vnější štětec pak slouží k jemnému přechodu (viz obrázek č. 5). 16

22 [2] - Maximální průhlednost může být 0 až 1 Obrázek 6: Kreslení textur - žádný přechod mezi vnitřním a vnějším štetcem V případě, že poloměr vnitřního a vnějšího štětce je stejný, nakreslí se na terén textura bez přechodu (viz obrázek č.6). 3.4 Nástroj Vertex shading Obrázek 7: Vertex Shading Nenechte se odradit neobvyklým názvem. Pro naši aplikaci jeho význam spočívá v použití barvy na texturu. Tímto nástrojem lze přispět k ještě větší kreativitě krajiny, kterou vytváříte, neboť samotné světlo takový obraz nevytvoří. Tento nástroj se od stejných skupinových nástrojů na kreslení textur liší jen tím, že jako zdroj používá barvu. Obrázky č. 8 a 9 str

23 Obrázek 8: Příklad bez Vertex Shading nástroje Obrázek 9: Příklad s Vertex Shading nástrojem I při snížené kvalitě obrázků lze v tištěné verzi tohoto dokumentu zaznamenat rozdíly mezi obrázkem č. 8 a obrázkem č

24 3.5 Nástroj Voda Obrázek 10: Voda Tento nástroj je určen k přidání či odebrání Vody na vybraném chunku. Má stejné ovládání pro vybrání chunku jako Ukazatel. Při volbě nástroje Voda se ihned zapne widget, kde je možno po vybrání chunku nastavit její zapnutí či vypnutí. K dispozici je hladina Vody, která je navržena tak, aby mohl sousední chunk navazovat tam, kde Voda v aktuálním chunku končí. K dispozici jsou tedy nastavitelné strany: vrchní a spodní strana, levá a pravá. Obrázek 11: Příklad Vody na dvou chunkách 19

25 3.6 Nástroj 3D modelů Obrázek 12: Nástroj 3D modelů Tento nástroj je určen k přidání či odebrání objektů na mapě. Protože chceme, aby aplikace podporovala co nejvíce formátů a umožnila uživatelům pracovat v jejich oblíbených programech, existuje zde knihovna Assimp. Je určená pro načítání modelů, ať již bez animace nebo s animací. Důležité podporované formáty: 3ds Max Blender 3D LightWave Wavefront Object 3D GameStudio Nástroj má vlastní widget stejně jako Nástroj kreslení textur. Každý projekt má modely samostatně oddělené. 3.7 Nástroj Kamera Obrázek 13: Kamera Tento nástroj je určen k nastavení několika bodů na mapě, kde se posléze vytvoří beziérova křivka. Uživatel může křivku upravovat, smazat různé body, poté co spustí přehrání, kamera pojede po beziérové křivce. Nástroj byl vytvořen za účelem prohlížení krajiny či natáčení videa. 20

26 3.8 Skybox Obrázek 14: Skybox Tento nástroj je momentálně nepřístupný k úpravě. Jde o základní verzi vykreslení oblohy za pomocí CubeMap [1]. Máme v plánu přidat několik možností skyboxů jako např. vygenerování či z obrázků. [1] CubeMap kostka pokrytá texturou 3.9 Ostatní Je zde i mnoho dalších nástrojů, které jsou tak malé, že je zbytečné se o nich rozepisovat ve velkém, proto jen stručně. Vertex Lightning: Nástroj, který funguje na stejném principu jako Vertex Shading, liší se pouze v algoritmu vykreslení, tedy v tomto případě jako by šlo o světlo. STL: O co jde zde? STL je formát pro tisk na 3D tiskárně či pro 3D systémy CAD. Naším cílem bylo vytvořit 3D model, který by šel posléze i vytisknout z našeho editoru. Na závěr jen dodáme, že tisk byl úspěšný. Map generátor: Nástroj s několika nastaveními, který vygeneruje mapu, je zde možnost vrátit zpět či měnit za běhu. Detail doodads: Nástroj, který po zvolené textuře vygeneruje modely podle uživatelského rozhraní. Funkce zpět/dopředu: Nástroj, který známe např. z Office, velký problém je implementovat ho do aplikací, kde pracujeme s grafickou kartou. Podpora Wacom tabletů: Dalším úspěchem je implementace podpory tabletů, kdy pomocí přítlaku zajišťujeme úplně jiné možnosti než při práci s myší. 21

27 3.10 Plánované funkce Představili jsme vám funkce nezbytné pro začátek aplikace. Jimi začíná vzhledem k tomu, že se jedná o počítačovou grafiku vysoké kvalitativní úrovně obtížná cesta našeho projektu QEditor. Návrh funkcí plánovaných do budoucna: Nástroj: Vybrání plochy Slouží a) k posunutí terénu b) k zneviditelnění terénu (v případě, když se přidá objekt typu dům a má sklep, aby se nezobrazoval terén v této části) c) zkopírování a vložení pro rychlejší tvorbu mapy Vybírání plochy by mělo být podobné, jak tomu je například v operačním systému Windows, když je třeba označit vícero souborů. V budoucnu by měl mít tento nástroj možnost rozšíření. Nástroj: Voda verze 2.0 Voda je jedním z nejtěžších nástrojů, který existuje v počítačové grafice. V našem projektu QEditor nejsme spokojeni s výsledkem, v jaké fázi se Voda nachází. K aktuální verzi v naší aplikaci jsme se uchýlili z důvodu časové tísně, ale dále ji hodláme zdokonalovat. K tomu použijeme tento postup, o kterém se domníváme, že je správný: 1. Vykreslení terénu do bufferu [1] 2. Poslání bufferu do grafické karty, tedy shader programu, který vykresluje vodu 3. Vypočítání v shader programu refrakce (terén pod vodou) a reflekce (odrážení nebe atd.) 4. Vykreslení terénu 5. Vykreslení vody [1] buffer dočastné uchovávání dat před jejich přesunem 22

28 Postup dosud použitý: 1. Vykreslení terénu 2. Zapnutí staré metody na průhlednost 3. Vykreslení vody s konstantní barvou 4. Vypnutí staré metody na průhlednost Nástroj: API Application Programming Interface (rozhraní pro programování aplikací) Knihovna by měla obsahovat tyto základní věci: a) Načtení mapy b) Vykreslení terénu c) Vykreslení vody d) Ostatní vykreslení e) Získání 3D pozice podle 2D kurzoru (viz ukázka v kapitole č ) V budoucnu si představujeme knihovnu s vyšší efektivitou. Nástroj: Pohled hráče Tento nástroj by měl usnadnit vývoj z hlediska koncového uživatele. K dispozici budou dvě varianty: a) Pohled z první pozice b) 3D pohled V naší aplikaci QEditor počítáme ještě s mnoha dalšími funkcemi. 23

29 4 Realizace aplikace Návrh architektury jak bude aplikace fungovat. Legenda diagramu: Ukončení třídy Ukončení třídy, komunikace za běhu aplikace Komunikace za běhu aplikace Třída vytvářející podtřídu Třída je konstrukčním prvkem - objektem v programování. Dá se instancovat. Třída definuje tzv. metody - rozuměj vlastnosti a funkce. Vysvětlení tříd: GLEdit Tato třída je inicializovaná při spuštění aplikace ve vstupní funkci main(). GLEdit třída zajišťuje veškeré nastavení aplikace a zároveň incializuje MainWindow třídu. 24

30 MainWindow Tato třída je hlavní okno celé aplikace. Uvnitř této třídy se nachází QDockWidget, což je okno starající se o přichycení ostatních oken ke stranám. V prostřední části tohoto widgetu se nachází MapView. Ostatní rohy jsou k dispozici pro widgety nastrojů a ostatních oken. World Tato třída kontroluje vše ve světě od mapy, vody, objektů, atd. MapView Účelem třídy MapView je, aby neohrožovala prvky v třídě World. Navrhujeme aplikaci tak, aby bylo co nejrychleji možné vytvořit aplikaci bez problému a odstranění MapView nástrojů. MapTile MapTile se stará o soubor MapChunků, dovoluje číst ostatním jen nejdůležitější věci, aby se struktura nenarušila. Vykresluje objekty do prostoru. MapChunk Vykresluje a stará se o terén. WaterTile Zastává stejnou funkci jako MapTile s tím, že se nejedná o terén, ale o vodu. Bez vykreslování objektů. WaterChunk Zastává stejnou funkci jako MapChunk, ale zde se jedná o vodu. UI Tools Nemusí se nutně jednat o nástroje, a když, tedy jde o nástroj pro modifikaci terénu atd. 25

31 4.1 Implementace ukazatele Ukazatele je vhodné implementovat na vícero částí v různých třídách. Legenda diagramu: Finální předání dat do určeného místa (např. widget Výběr textur, kde je možné vidět chunk index) Zavolání funkce s návratovými daty Zavolání funkce - Třídy spolu komunikují - Třída volá svoji metodu - Metoda přes třídu vrací data a přeposílá je Diagram popisuje, jak se přes okno, v němž se celá scéna odehrává(mapview), dostává pomocí funkce update() do třídy World funkce highlightchunkat() a getmapchunkat(), kam posílá data a ve funkci getmapchunkat() vrací příslušný chunk. Ten se dostává zpět do funkce update(), která přeposílá chunk přes MainWindow do příslušného nástroje. 26

32 4.2 Implementace upravování terénu, kreslení textur a Vertex shadingu V této ukázce implementace vám přímo ukážeme zdrojový kód, jak se tato implementace provádí, aniž bychom vám vysvětlovali diagram. V následujícím zdrojovém kódu představujeme implementaci upravování terénu, jádro je všude stejné, mění se pouze ve vzorcích a jiné proměnné, do které se ukládají. bool MapChunk::changeTerrain(float x, float z, float change) { bool changed = false; const Brush* brush = world->getbrush(); // Odkaz na třídu Brush z třídy World float xdiff = basex - x + CHUNKSIZE / 2; float ydiff = basey - z + CHUNKSIZE / 2; float dist = sqrt(pow(xdiff, 2) + pow(ydiff, 2)); if(dist > (brush->outerradius() + CHUNK_DIAMETER)) // Kontrola jestli se jedná o správný chunk return changed; QList<QPair<float, QVector2D>> changing; int minx = horiztohmapsize(x - brush->outerradius()); // Převedeme na 1024, cykly se dají provádět jen za inkrementace celočíselného typu int maxx = horiztohmapsize(x + brush->outerradius()); int miny = horiztohmapsize(z - brush->outerradius()); int maxy = horiztohmapsize(z + brush->outerradius()); for(int _x = minx; _x < maxx; ++_x) // cyklus pro osu X { for(int _y = miny; _y < maxy; ++_y) // cyklus pro osu Y { xdiff = HMapSizeToHoriz(_x) - x; // Převod 1024 na ydiff = HMapSizeToHoriz(_y) - z; dist = sqrt(pow(xdiff, 2) + pow(ydiff, 2)); štětce if(dist < brush->outerradius()) // Kontrola jestli je uvnitř { 27

33 int X = _x % MAP_WIDTH; int Y = _y % MAP_HEIGHT; X -= chunkx * (MAP_WIDTH / CHUNKS); Y -= chunky * (MAP_HEIGHT / CHUNKS); int index = (Y * (MAP_WIDTH / CHUNKS)) + X; // Výpočet indexu, pro uložení dat do pole při ukládání a načítání float changeformula = 0.0f; switch(brush->brushtypes().shaping) // Jednotlivé vzorce pro zvedání terénu { case Brush::ShapingType::Linear: default: changeformula = change * (1.0f - dist / brush- >OuterRadius() * brush->falloff()); break; case Brush::ShapingType::Flat: changeformula = change; break; case Brush::ShapingType::Smooth: changeformula = change / (1.0f + dist / brush- >OuterRadius() * brush->falloff()); break; case Brush::ShapingType::Polynomial: changeformula = change * (pow(dist / brush- >OuterRadius() * brush->falloff(), 2) + dist / brush->outerradius() + 1.0f); break; case Brush::ShapingType::Trigonometric: changeformula = change * cos(dist / brush- >OuterRadius() * brush->falloff()); break; } mapdata[index] += changeformula; // Přidání výšky changing.append(qmakepair<float, QVector2D>(mapData[index], QVector2D(X, Y))); } } } changed = true; // Na konci funkce se provede nastavení if(changed) // Pokuď jsme něco změnili { for(int i = 0; i < changing.count(); ++i) terraindata->setheight(changing.value(i).first, changing.value(i).second); // Nastavení výšky } } return changed; // Vrací true(pravda) nebo false(lež) podle stavu změny 28

34 4.3 Implementace Vody V této implementaci si ukážeme převážně část, která se zavolá na začátku aplikace a vytvoří Vertex Array Buffers. Ke konci si ukážeme i ukázku GLSL kódu, co je vlastně na povrchu vody. 29

35 void WaterChunk::initialize() { /// Vytváření Vertex Bufferů const int maxtessellationlevel = 64; // max. úroveň tesselace const int trianglesperheightsample = 10; // počet trojúhleníku na výšku const int xdivisions = trianglesperheightsample * MAP_WIDTH / CHUNKS / maxtessellationlevel; // 10 * 1024 / 4 / 64 = 40 const int zdivisions = trianglesperheightsample * MAP_HEIGHT / CHUNKS / maxtessellationlevel; // Výpočet vertex bufferů pro do dálky int patchcount = xdivisions * zdivisions; // Šířka * dálka bufferů QVector<float> positiondata(2 * patchcount); // 2 pozice pro vertex const float dx = 1.0f / MathHelper::toFloat(xDivisions); = 0,025 const float dz = 1.0f / MathHelper::toFloat(zDivisions); 0-1 rozsah for(int j = 0; j < 2 * zdivisions; j += 2) // cyklus, přičítáme +2 { float z = MathHelper::toFloat(j) * dz * 0.5; // výpočet Z pozice for(int i = 0; i < 2 * xdivisions; i += 2) { float x = MathHelper::toFloat(i) * dx * 0.5; // X poz. const int index = xdivisions * j + i; // Výpočet indexu } } positiondata[index] = x; // Vložení X na index positiondata[index + 1] = z; // Vložení Z na index + 1 Mesh.createVertexArrayObject(); // inicializace Vertex Array Objects Mesh.createBuffer(IMesh::Vertices, positiondata.data(), positiondata.size() * sizeof(float)); // Vytvoření několika bufferů Mesh.setNumFaces(patchCount); // Nastavení několika tváří } void WaterChunk::draw(QOpenGLShaderProgram* shader) // funkce na vykreslení { chunkmaterial->bind(shader); // Označíme momentální WaterChunk // Vykreslení jako část { Mesh.bind(); // Označíme mesh Mesh.createAttributeArray(IMesh::Vertices, shader, "vertexposition", GL_FLOAT, 0, 2); // Vytvoříme attribut shader->setpatchvertexcount(1); // Nastavíme počet vertex patchů world->getglfunctions()->gldrawarrays(gl_patches, 0, Mesh.getNumFaces()); // Vykreslíme pole vertexů } } Na zdrojovém kódu jste mohli vidět, jak se vytváří Vertex Array Buffers a poté jeho následné vykreslení, které se volá ve třídě WaterTile. 30

36 vec4 shadewater() { vec4 diffusecolor = texture(basetexture, texcoords + deltatime * 0.01); // Vezmeme texturu pro vodu v pozici texcoords + deltatime * 0.01, deltatime slouží k posunu vody // Výpočet světla, zachováváme komponenty odděleně vec3 ambientanddiff, spec; phongmodel(ambientanddiff, spec); vec4 color = vec4(ambientanddiff, 1.0) * diffusecolor + vec4(spec, 1.0); // Výsledná barva color.a = 0.5; // Nakonec průhlednost } return color; // Funkce vrací barvu v datovém typu vec4 void main() { // Výpočet finální barvy vec4 outcolor = shadewater(); // Základní barva vody float dist = abs(position.z); // Výpočet vzdálenosti float fogfactor = clamp((fog.maxdistance - dist) / (fog.maxdistance - fog.mindistance), 0.0, 1.0); // Výpočet faktoru pro mlhu fragcolor = mix(fog.color, outcolor, fogfactor); // Kombinace mlhy a vody } Výše jste viděli názornou ukázku GLSL. Nejdřívě získáme texturu vody, poté ji zkombinujeme se světlem. V hlavní funkci nakonec provedeme výpočet maximální vzdálenosti od pozice kamery a zkombinujeme vodu s mlhou. 4.4 Implementace 3D modelů Třída MapTile, dále mapa má mnoho objektů IModel, které pracují s třídou ImodelInterface a ta spravuje další třídy, se kterými knihovna Assimp pracuje a vrací jim data ze vstupních dat modelu. Funkce jednotlivých tříd: a) IMesh informace o polygonech b) IBone kostra modelu, slouží pro animaci c) IModelInterface rozdělí data do IMesh, IBone, IAnimation z Assimpu 31

37 V diagramu vidíme, jak probíhá komunikace aplikace s knihovnou Assimp přes jednotlivé třídy. V této ukázce implementace je zobrazení zdrojového kódu nepříliš šťastný nápad. Legenda diagramu: Ukončení třídy Ukončení třídy, komunikace za běhu aplikace Komunikace za běhu aplikace Třída vytvářející podtřídu 32

38 5 Mobilní platformy Prezentační aplikaci QEditor na platformě Windows Phone 8 jsme vytvořili proto, že předpokládáme, že chytrá zařízení (mobilní telefon, tablet) má uživatel dnes téměř vždy při ruce, tudíž nemusí dlouze vyhledávat, jak aplikace funguje. Jde o aplikaci v níž se dozvíte základní informace a seznámíte se zde s funkcemi programu pomocí výukových videí. Najdete zde také příspěvky ze sociální sítě Twitter, které se stále aktualizují. 5.1 Windows Phone Aplikaci vyvíjíme na nové moderní platformě, která je primárně určená spíše pro zákaznický trh. Jelikož je tato platforma nová a momentálně ne moc podporovaná, bylo obtížné naprogramovat novinky ze sociální sítě Twitter. 33

39 6 Závěr Po několikaměsíčním úsilí můžeme konstatovat, že jsme vytvořili spolehlivou aplikaci, která je použitelná k simulaci světa či k vytvoření virtuálního světa. Cílem této práce bylo navrhnout a implementovat terén, vytvořit základní funkce jako uložit, načíst a podobné, implementovat základní nástroje pro upravování virtuálního světa. Zároveň po dobu celé práce byla aplikace koncipována tak, aby výsledný terén mohl být použit i v jiném programu. 34

40 PŘÍLOHA A: Seznam použité literatury a pramenů [1] Qt Cross-platform application and UI Framework 2015 [cit ]. Dostupné z: [2] OpenGL The Industry Standard for High Performance Graphics 2015 [cit ]. Dostupné z: [3] OpenGL Shading Language 2015 [cit ]. [4] Debian Linux The Universal Operating System 2015 [cit ]. Dostupné z: [5] Metodika vývoje software 2015 [cit ]. Dostupné z: [6] Memory leak 2015 [cit ]. Dostupné z: [7] Memory leak 2015 [cit ]. Dostupné z: [8] Assimp Open Asset Import Library 2015 [cit ]. Dostupné z: [9] GitHub 2015 [cit ]. Dostupné z: 35

41 [10] GNU General Public License v [cit ]. Dostupné z: [11] GNU Lesser General Public License v [cit ]. Dostupné z: [12] The New BSD License 2015 [cit ]. Dostupné z: [13] Modern Algorithms for Real-Time Terrain Visualization 2015 [cit ]. Dostupné z: Time_Terrain_Visualization_on_Commodity_Hardware 36

42 PŘÍLOHA B: Seznam obrázků Obrázek 1: Ukazatel Obrázek 2: Upravování terénu Obrázek 3: Heightmapa (výšková mapa) Obrázek 4: Kreslení textur Obrázek 5: Kreslení textur - přechod mezi vnitřním a vnějším štetcem Obrázek 6: Kreslení textur - žádný přechod mezi vnitřním a vnějším štetcem.. 17 Obrázek 7: Vertex Shading Obrázek 8: Příklad bez Vertex Shading nástroje Obrázek 9: Příklad s Vertex Shading nástrojem Obrázek 10: Voda Obrázek 11: Příklad Vody na dvou chunkách Obrázek 12: Nástroj 3D modelů Obrázek 13: Nástroj kamera Obrázek 14: Skybox Seznam tabulek Tabulka č. 1: Systémové požadavky... 4 Tabulka č. 2: Jazyk

43 PŘÍLOHA C: Licence QEditor je dostupný pod licencí GNU GPLv3, licence použitých programů a knihoven jsou následující: Qt Framework je distribuován pod licencí GNU LGPLv2.1 OpenGL je distribuován bez licence Assimp je distribuován pod licencí The New BSD License Všechny tyto licence umožňují svobodné používání a šíření kódu. 38