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Portais Renderizveis em 3D

Omar Mahmoud Abou Ajoue

Orientador:

Marcel Jackowski

1. Introduo

Motivao

Ao longo de nossa graduao, ns compartilhamos um interesse comum pelo

desenvolvimento de jogos. Sempre fomos fs de jogos eletrnicos desde crianas e

sempre tivemos a curiosidade sobre como estes jogos funcionavam. Esta

curiosidade foi um dos motivos que nos fez optar pelo curso de cincias da

computao.

Dentre os jogos que gostamos, um dos quais mais nos fascinou foi um jogo

chamado Portal, criado pela produtora Valve, lanado para PC e Xbox 360 em 2007.

A jogabilidade presente neste ttulo nica, e os desafios a serem superados em

cada fase nos mantinham presos ao jogo por horas. Portal foi aclamado como um

dos jogos mais originais de 2007.

Portal um jogo de puzzle para um nico jogador em primeira pessoa. Isto

significa que o jogador deve resolver quebra cabeas para passar das fases,

enquanto movimenta seu personagem com uma viso em primeira pessoa.

O jogador possui uma arma que pode utilizar para ajud-lo a resolver os quebra

cabeas. A nica funo desta arma a de criar portais nas paredes do mundo 3D,

que so utilizados pelo jogador para acessar diversas localidades, grande parte

delas inacessveis pela movimentao convencional do personagem (como grandes

alturas, por exemplo, ou obstculos).

A criao dos portais dada por comandos do mouse, com cliques dos botes

esquerdo e direito. Cada boto cria um portal, que no jogo original, possuem borda

colorida em azul e laranja para diferenci-los. Ao acionar novamente os botes, o

portal da cor correspondente trocado pela nova localizao. Os portais criados

desta forma criam um sistema de entrada e sada. Ao atravessar um dos portais, o

jogador levado posio do outro portal. Esta transio feita de modo suave, e

o jogador realmente sente como se estivesse atravessando uma janela at o outro

lado. Pode-se inclusive ficar parado no meio, entre os dois portais.

Figura 1: Viso de portais no jogo Portal

Alm do tele transporte, os portais possuem um efeito visual muito interessante. Ao

olhar atravs do portal, o jogador consegue observar com perfeio o mundo do

outro lado, como se estivesse de fato vendo a sada do portal correspondente do

par azul-laranja. Se posicionados corretamente, os portais permitem que o jogador

se veja atravs deles. Outro efeito interessante ocorre quando os dois portais so

colocados um em frente ao outro. O efeito resultante o mesmo que ocorre quando

ficamos entre dois espelhos, quando h impresso de uma profundidade infinita.

Figura 2: Viso atravs do portal azul da Fig. 1

Figura 3: Viso atravs do portal laranja da Fig. 1

Todas estas caractersticas deste jogo despertaram grande curiosidade.

Inicialmente, era desejado entender como seria feita a ligao entre os portais.

Chegamos a imaginar solues completamente impraticveis, como clonar o

ambiente 3D e coloc-lo atrs de cada portal.

Decidimos explorar esta curiosidade e desenvolver a nossa prpria soluo para o

problema. O trabalho de concluso de curso a verso de uma implementao

deste tipo de portais. No do conhecimento dos integrantes se as solues

encontradas so as mesmas dos desenvolvedores do jogo original, mas

acreditamos que conseguimos construir uma ferramenta de criao de portais

satisfatria, que pode ser utilizada pra criar um jogo com cenrios to divertidos

quanto alguns dos cenrios do Portal.

Objetivos

Nosso objetivo implementar um jogo 3D em primeira pessoa, que permita ao

jogador criar portais com propriedades similares s do jogo Portal.

Para a concretizao deste objetivo, h diversas tarefas e empecilhos a cumprir.

Iniciaremos expondo os problemas que encontramos e daremos a seguir as

solues.

Problemas

A criao do nosso jogo envolve vrios problemas, alguns deles no relacionados

diretamente criao dos portais. Estes problemas so:

Criar um mundo 3D a ser explorado pelo jogador;

Criar uma cmera que d ao jogador a iluso de estar dentro de um

personagem 3D, animado e que se movimenta de acordo;

Prover ao jogador meios de controlar esta cmera satisfatoriamente e

atualizar a posio e a rotao do personagem de acordo;

Criar mecanismos de coliso para este personagem com os objetos do

mundo 3D e com os portais;

Criar uma fsica bsica, que aplique gravidade ao personagem;

Permitir ao jogador escolher pontos nas paredes do mundo 3D onde ele

deseja criar os portais;

Criar os portais nos pontos escolhidos pelo jogador, orientados

corretamente, independentemente das paredes escolhidas;

Impedir a criao de portais em paredes onde eles no cabem;

Permitir a visualizao atravs dos portais, incluindo as visualizaes

recursivas (portais dentro de portais) e uma boa noo de perspectiva;

Permitir a travessia dos portais.

Alm disso, nos propomos a criar pelo menos um quebra cabea a ser resolvido

pelo jogador, utilizando os portais.

2. Conceitos e tecnologias estudadas

A biblioteca Irrlicht

A primeira tarefa necessria para a realizao deste trabalho era o entendimento

do funcionamento de uma mquina grfica 3D, ou seja, conceitos de computao

grfica precisavam ser entendidos.

Juntamente necessidade de entendimento na rea de computao grfica,

imediatamente surgiu tambm a necessidade de relembrar todos os conceitos

estudados em lgebra linear, j que esto totalmente relacionados.

Utilizamos, como ferramentas, uma engine grfica chamada Irrlicht, que realizava

toda a interface com OpenGL e automatizava o processo para renderizao para

ns, permitindo assim que nos focssemos na soluo dos problemas relacionados

a portais e facilitando a parte grfica.

Dos problemas que citamos acima, a engine sozinha no era capaz de solucionar

nenhum, porm, era capaz de prover um arcabouo de ferramentas para esta

realizao. Assim, vamos explicar o que era exigido de ns e a soluo que

utilizamos para resolver cada problema.

A engine era capaz de prover:

Facilidade na manipulao da cmera, alm de um grande arcabouo

vetorial, extenso e muito bem documentado

Criao de uma cmera em primeira pessoa sem a existncia de um

personagem atrelado a ela

Facilidade na realizao de renderizaes a texturas, uma tcnica que ser

explicada adiante e indispensvel realizao do trabalho

Possibilidade de carregamento de masmorras pr-montadas em programas

especficos, alm de modelos 3D, como o personagem e o labirinto em que

o jogador ser colocado

Resposta a eventos de mouse e teclado

Coliso bsica com objetos identificados como "paredes", junto de uma

gravidade superficial

Fcil acesso posio e rotao dos objetos, por intermdio de mtodos em

classes bem estruturadas, programadas em C++

lgebra Linear

Para a soluo dos problemas, ser necessrio ter boa noo acerca dos produtos

vetoriais e produtos escalares entre vetores, e sua respectiva idia de resultado.

Vamos relembrar sucintamente o que cada um destes produtos indica.

O produto vetorial uma operao binria entre dois vetores que tem como

resultado um outro vetor, perpendicular ao plano formado pelos dois primeiros

vetores e com direo dada pela regra da mo direita.

J o produto escalar a operao binria entre dois vetores cujo resultado um

escalar que indica, de certa forma, a relao angular entre os vetores.

Apresentado o arcabouo que temos e o que nos falta fazer, vamos s atividades

realizadas, com as respectivas tcnicas envolvidas.

Atividades realizadas

Criao de um mundo bsico

O primeiro passo foi conseguir ter um modelo bsico de um mundo explorvel

utilizando a biblioteca da engine Irrlicht. A documentao relacionada a esta

biblioteca bastante extensa e muito bem detalhada, o que facilitou bastante a

criao de um incio: um mundo 3D j consagrado no ttulo da srie Quake estava

pronto nossa disposio, necessitando apenas poucas linhas de comando para ter

um simples labirinto e as funcionalidades bsicas de movimentao.

A movimentao dos personagens

A movimentao toda controlada pela biblioteca, pois esta nos fornece uma

interface de manipulao de eventos, mas daremos uma breve idia de como

dada a movimentao da cmera pelo cenrio.

A entrada dada pela "interface wasd", j conhecida nos jogos em primeira pessoa,

em que o W move para frente, A para esquerda, S para trs e D para a direita.

O acionamento dos botes W ou S incrementa ou decrementa, respectivamente, a

posio atual por um fator do vetor target da cmera, que indica para onde a

cmera est olhando.

J os botes A e D realizam um deslizamento lateral, obtido por uma multiplicao

entre o vetor resultante do produto vetorial entre o vetor target e o vetor up da

cmera, sendo que este ltimo indica o que o lado de cima no mundo para a

cmera.

Desta forma, conseguimos realizar a movimentao via teclado. A rotao dada

pelo movimento do mouse, em que os movimentos horizontais realizam rotaes

no eixo X e os movimentos verticais realizam rotaes no eixo Y. Para calcular a

rotao da cmera pelo mouse, obtemos a posio do cursor na tela no frame atual

e a comparamos com a posio do cursor no frame anterior, obtendo o ngulo de

rotao que deve