Несколько лет назад, поиграв в Wolfenstein-3D, я удивился почему можно поворачиваться только по одной оси. Так же этот вопрос не покидал меня, когда я играл в Doom, Blood, Duke Nukem 3D и подобные игры. Тогда я не знал что движки этих игр основаны на технологии, именуемой RayCasting. Когда я узнал о том, что же это за технология, все встало на свои места.
Суть данной технологии в том, что для каждого пиксела изображения выпускается луч, который проверяется на пересечение с различными объектами сцены. Эта технология нераспространенна по причине своей ресурсоемкости. Современные компьютеры не способны справиться с такими просчетами в реальном времени. Но почему тогда вышеперечисленные игры так быстро работают? Неужели это чудо? На самом деле все значительно проще. Секрет такой скорости как раз в том, что игры эти скорее двухмерные чем трехмерные. Все просчеты происходят в двухмерном пространстве, а затем на основе полученных данных строится трехмерная картинка.
Как уже было сказано выше, из глаз наблюдателя выпускается определенное количество лучей. В Wolfenstein-3D лучи выпускались только в одной плоскости, а трехмерное изображение строилось с использованием расстояния от точки наблюдателя, до ближайшей точки пересечения с обьектом. В моем прилагающейся программе, демонстрирующей элементарный RayCasting в деле, этих лучей 320. Разберем данный рисунок:
Отрезок LM это гипотенуза равнобедренного треугольника видимости. Отрезок a это половина гипотенузы. Тоесть половина видимости, до вектора направления взгляда и высоты треугольника b. Соответственно c это положение наблюдателя.
Лучи, выпускаемые из глаз наблюдателя, можно представить как массив векторов единичной длины. Функция, которая создает эти вектора в прилагающемся примере называется rcInitDir. Ей не передаются какие-либо параметры.
int x;
...
//Данный цикл имеет количество итераций, равное количеству векторов направления
for( x = 0; x < rlist.iSSizeX; x ++ )
{
//Лучи по X-оси равномерно распределяются. Менять не нужно. На рисунке LM
dirData[ x ].v[ 0 ] = x - rlist.iSSizeXDiv2;
//А это как раз высота треугольника видимости b. Ось Y
dirData[ x ].v[ 1 ] = 250; // Меняя это значение можно задать необходимый угол обзора
// Приведение вектора к единичной длине
rcVecNormalize( dirData[ x ] );
}
|
Ширина экрана в пикселях хранится в переменной rlist.iSSizeX, а в rlist.iSSizeXDiv2 половина ширины. В качестве вектора направления луча выступает dirData, в который входит массив из двух элементов, отвечающих за X и Y координаты.
Безусловно, это не единственный способ вычисления направлений векторов. С помощью этого способа можно задать максимум 180-градусный угол обзора. Так же можно эти вектора создать с помощью поворота единичного вектора на определенный угол, который зависит от угла обзора и количества векторов. Но в любом случае длина вектора направления должна быть равна единице.
Теперь остается добавить различные объекты в сцену и проверить каждый луч на пересечение с ними. В прилагающемся примере есть два типа объектов:
- отрезок;
- окружность.
Сначала нужно выделить память для массива, где хранятся информация о каждом объекте. Для этого была написана функция rcSetCount, которая принимает один параметр типа int.
void clRayCast::rcSetCount( RCINT iCountShapes )
{
// Выделяет память под количество объектов, равное iCountShapes
shpData = new strcRCShape[ iCountShapes ];
// В класс записывается пороговое количество объектов
this->iCountShapes = iCountShapes;
}
|
Теперь можно создавать сами элементы сцены. В примере это можно сделать вызывая функции rcLine( для отрезка ) и rcCircle( для окружности ).
Цвет для этих объектов можно задать, предварительно вызвав функцию crColor4b.
Функция rcTrace является главной. В ней осуществляются проверки на пересечения лучей с объектами сцены, и построение трехмерного изображения.
В каждой итерации цикла( в примере итераций 320 ) проверяется пересечения луча dirData[ номер_луча ] со всеми активными объектами сцены. Если пересечение произошло, то вычисляется расстояние от наблюдателя до точки пересечения. Так же существует некая переменная, в которой хранится глубина пиксела, в примере она fSaveDepth. В начале каждой итерации ее значение становится равным пределу видимости. Так вот, получившиеся расстояние до точки пересечения сравнивается со значением в переменной fSaveDepth, если оно меньше, то в fSaveDepth записывается текущее расстояние. Так же в этом случае значение переменной iIntersect, становится равным номеру объекта, с которым произошло пересечение.
Таким образом находится номер объекта и расстояние до точки пересечения для каждого луча.
Зная расстояние и номер объекта, можно вычислить высоту вертикальной линии, которая будет выведена на экран. Это наипростейший случай, не предусматривающий даже затекстуривания. В примере высота линии вычисляется по формуле высота_экрана / расстояние_до_точки.
Вот, в принципе, и весь минимум, который нужно знать о технологии RayCasting. Ниже я приведу краткий обзор функций класса clRayCast.
rcInit( HDC hDc, RCINT iSizeX, RCINT iSizeY );
hDc - контекст окна, в которое будет выводится изображение.
iSizeX, iSizeY - размеры изображения.
Вызывается один раз.
rcInitDir( void );
Вычисляются вектора направления лучей. Вызывается один раз.
rcClear( RCINT rtiMode );
rtiMode - режим очистки. В примере есть лишь RC_COLOR_BUFFER_BIT.
Очистка буфера, в котором хранится изображение.
rcClearColor4b( RCUCHAR r, RCUCHAR g, RCUCHAR b, RCUCHAR a );
r, g, b, a - компоненты цвета. Значения от 0 до 255.
Задает цвет, которым заполняется буфер изображения, при вызове rcClear.
rcColor4b( RCUCHAR r, RCUCHAR g, RCUCHAR b, RCUCHAR a );
r, g, b, a - компоненты цвета. Значения от 0 до 255.
Задает цвет, который является текущим, для объектов сцены, вызванных после него.
rcSetCount( RCINT iCountShapes );
iCountShapes - максимальное количество объектов на сцену.
Выделяет память под указанное количество объектов. Вызывается один раз.
rcLine( RCFLOAT x0, RCFLOAT y0, RCFLOAT x1, RCFLOAT y1 );
x0, y0 - начало отрезка..
x1, y1 - конец отрезка.
Добавляет линию к сцене.
rcCircle( RCFLOAT x, RCFLOAT y, RCFLOAT r );
x, y - центр окружности.
r - радиус окружности.
Добавляет окружность к сцене.
rcTrace( void );
Главная функция класса. В ней реализован RayCasting.
rcSwapBuffers( void );
Вывод буфера изображения на окно.
rcCamRot( RCFLOAT ang );
ang - угол поворота.
Поворачивает все лучи на заданый угол.
Многие считают RayCasting и RayTracing одной и той же технологией, но на самом деле RayCasting это технология с обратным ходом луча, а RayTracing с прямым. RayTracing позволяет добиться очень реалистичных эффектов, но он намного более требователен к железу, и поэтому создать движок, который бы быстро работал на RayTracing сейчас не представляется возможным.
А теперь простенькая программа, с исходниками, демонстрирующая простейший RayCasting ( exe + src )