Обучающая однопользовательская игра "Danger Space"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины

ОБУЧАЮЩАЯ ОДНОПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКАЯ ИГРА DANGER SPACE

Д.С. Гурский, Н.Б. Осипенко

Введение

Один из важнейших способов развить у детей интерес к школьным предметам - предоставить им компьютерную среду, в которой они могли бы почувствовать себя участниками реального процесса заданной тематики, наделенными возможностью совершать некие действия и оценивать соответствующие результаты. Большое количество и разнообразие таких программ поможет развить у детей любопытство к природным и социальным явлениям и, в свою очередь, отвлечь от пустых и небезвредных игр типа стрелялок.

Настоящая работа посвящена описанию созданного игрового приложения Danger Space (Опасный Космос) на языке C++ с использованием спецификации OpenGL [1, 2]. Целью обучающей игры является управление космическим кораблем. На каждом из трех уровней игры необходимо осваивать новые компетенции и выполнять поэтапно новые задачи: 1) научиться управлять космическим кораблем, избегая столкновения с астероидами; 2) контролировать движение по орбите над планетой; 3) исследовать планеты.

Освоив игру, пользователь получит новую для себя компетенцию маневрирования кораблем в космосе. Кроме этого для школьников эта игра даст возможность прочувствовать влияние на корабль сил гравитации со стороны окружающих космических объектов, что в свою очередь поспособствует более глубокому освоению законов механики.

Проанализировав рынок программных средств, связанных с темой передвижения объектов в космосе. Большинство игр содержат объекты, движение которых задано изначально и не меняется в ходе игрового процесса. Так, например, в программе Universe Sandbox есть возможность моделировать системы в 3d, однако отсутствует возможность управлять космическим кораблем.

В предлагаемом в настоящей работе игровом приложении Danger Space задается лишь начальное состояние объектов, а дальнейшее их движение зависит от других объектов, населяющих игровое пространство, и определяется на основе упрощенной модели поведения объектов в космосе. Это позволяет так же, как и в Universe Sandbox, создать модель системы, только уже на плоскости, а затем, выполняя поставленную задачу, маневрировать космическим аппаратом в этой системе.

1. Обоснование выбора инструментов разработки

Разработка игры является сложным процессом. Однако любая игра содержит в себе объекты с наборами свойств, которые не видны пользователю и определяют поведение объектов, работу процессора и проекцию объекта в виде графических примитивов, составляющих изображение. Не каждый объект отображен в результирующем кадре, однако для ведения диалога с пользователем и пониманием им происходящего соответствующие возможности просмотра состояния объектов предоставляются программой. В итоге объекты со свойствами и их проекциями «перемещаются» или же изменяют свои свойства во времени за счет повторения игрового цикла. Изменение свойств объектов может приводить к новым ситуациям при наличии ветвления, что порождает разнообразие. Это всё делает возможным реализацию общих решений для создания новых игр, без программирования игрового «движка» с чистого листа.

Одним из известных решений по разработке игр является приложение Unity. Unity поддерживает разработку для более чем двадцати различных операционных систем, включающих персональные компьютеры, игровые консоли, мобильные устройства, интернет приложения. Unity предоставляет удобную визуальную среду для разработки. Так же есть доступ к исходному коду, что позволяет переопределить механизм или написать собственный для конкретного случая. За отображение проекций объектов отвечает механизм Unity, который так же может быть переопределён. Игровой «движок» Big World не так распространен, как Unity, однако на нем создавался один из известных на сегодняшний день проектов World of Tanks. На игровом движке Source 2 поддерживается обновление таких игр, как Dota2, CS:GO.

Однако использование готовых решений накладывает ряд ограничений на программиста: частичная или полностью платная подписка; закрытый доступ к исходному коду; использование конкретного языка программирования.

Даже предоставление доступа к исходному коду требует знание и понимание алгоритмов, а также языка, на котором они написаны.

Готовые решения содержат полиморфные системы и классы, что обеспечивает гибкость при создании игровых объектов, но приводит к ухудшению производительности итогового приложения.

Написание собственного «движка» позволяет полностью определить механизмы взаимодействия объектов игрового пространства и внутренние механизмы.

Достоинства использования собственных алгоритмов: полный контроль над алгоритмами; использование только требуемого функционала (не платишь за то, что не используешь).

Недостатки: увеличение времени разработки; уменьшение полезного времени разработки; отладка приложения занимает около 50% итогового времени.

В связи с вышесказанным, была поставлена задача разработки однопользовательской игры жанра космический симулятор без использования готовых решений.

2. Постановка задачи

Для нормального функционирования игры необходимы: интерфейс в виде совокупности визуальных и невизуальных элементов, обеспечивающих взаимодействие программы с пользователем-человеком; алгоритмы, обеспечивающие корректное отображение, как визуальных элементов интерфейса, так и проекций игровых объектов; алгоритмы механики, обеспечивающие «перемещение» (изменение свойств) объектов внутри игрового пространства.

Игровое приложение должно обеспечить: отображение элементов управления; навигацию при помощи игрового меню; сохранение выбранных настроек в файл; механику взаимодействия объектов игрового пространства; отображение объектов игрового пространства; возможность проходить уровни.

3. Упрощенная модель поведения объектов в космосе

Для расчета массы объекта предположим, что это тело однородно, а в качестве его условного объёма используем его площадь на плоскости: , где S - площадь тела на плоскости, p - плотность вещества, из которого состоит тело.

Расчет массы через объём является более корректным. Расчет приближенного объёма для звёзд или планет довольно точен, однако астероид может принимать совсем разные формы и тогда расчет массы для него будет неверным. Движение объекта происходит вследствие гравитационного взаимодействия.

Вектор скорости переопределяется в каждой итерации с интервалом времени . Для упрощения расчетов примем . Так как величина - дискретная, то получим формулу изменения скорости тела:

Так как тело игрового пространства взаимодействует на итерации со всеми остальными телами, то его новая скорость вычисляется по формуле:

где - число объектов игрового пространства, - начальный вектор скорости объекта в текущей итерации игрового цикла.

Известно, что тело большей массы имеет большую инерцию, и приложенная сила к такому телу даст ему меньшее ускорение по сравнению с телом меньшей массы. Это несложно заметить из второго закона Ньютона:

где сила гравитационного взаимодействия двух тел рассчитывается по формуле: , где - гравитационная постоянная, и - массы взаимодействующих тел, а - расстояние между объектами.

Подставим в формулу (3.2) силу гравитационного взаимодействия, считая, что рассчитываем ускорение тела 1, получаем ускорение тела 1 при воздействии на него силы гравитационного взаимодействия с телом 2 по формуле: .

Так как в игре нас интересуют только относительные величины параметров движения объектов, а - константа, то в целях повышения производительности работы программы её можно опустить:

Заменив в (3.1) формулой (3.3), получим

.

где - число объектов игрового пространства, - расстояние между объектами взаимодействия, - масса i-го объекта, - начальный вектор скорости объекта в текущей итерации игрового цикла.

После расчета итогового вектора скорости для каждого объекта выполняется перемещение объекта из точки в точку:

.

На третьем уровне игры при исследовании планет понадобится модель теплообмена в объекте. Перемещение тепла и теплообмен происходит по упрощенному принципу: тела считаются однородными. Удельная теплоёмкость тела зависит от вещества, из которого состоит тело, и массы тела: , где - удельная теплоёмкость материала, - масса тела.

Тело имеет собственное излучение, которое рассчитывается по формуле: , где - температура тела, - константа, равная . Настоящая формула имеет температуру в четвёртой степени, на данный момент она не используется в связи со сложностью расчетов при интеграции в игровую среду.

На каждой итерации тело получает энергию от излучения других объектов:

,

где - расстояние между объектами.

Так же тело обменивается энергией при контакте с другими телами:

,

где - температура текущего тела, - температура контактирующего тела.

На каждой итерации вычисляется новая температура объекта:

, 

где - начальная температура, - суммарное собственное излучение всех тел, - сумма теплопередачи при контакте, - удельная теплоёмкость всего тела.

4. Объекты игрового пространства

Объекты могут находиться в четырех состояниях: 1) новый - объект был создан на текущей итерации и не может взаимодействовать с остальными; 2) существует - объект может взаимодействовать со всеми объектами, состояние которых не равно «новый»; 3) удален/уничтожен - объект прекратил существование по какой-либо причине; 4) удален/распался - объект распался из-за столкновения на совокупность более мелких объектов.

Предположим, что объект может участвовать только в гравитационном взаимодействии. Это объясняется тем, что доступ к объектам осуществляется путем последовательного перебора, а при нахождении объекта в разных местах списка получаются разные выходные данные. Объект в состоянии «удален» после обновления списков в следующей итерации участвовать не будет.

Все объекты игрового пространства являются наследниками класса Object, который содержит общие для всех объектов поля и методы: декартовы координаты на плоскости (x, y), вектор скорости (разложен на 2 значения скоростей по осям X и Y), вектор приращения скорости по итогам текущей итерации, размер, плотность, масса, угол поворота (по умолчанию равен 0), скорость вращения (по умолчанию равна 0), температура, состояние объекта.

В приложении реализован механизм генерации объектов четырех типов: звезда; планета; астероид; космический корабль.

Звезда - самый большой объект, имеющий высокую температуру и три своих стадии развития: рождение (увеличивается размер звезды и, соответственно, её масса); нормальное состояние (никаких изменений не происходит); сверхновая (звезда увеличивается в размерах без изменения массы, что влияет на такой показатель, как плотность, после окончания этой стадии на этом же месте остается звезда: белый карлик). Угол и скорость вращения для звёзд не учитываются и равны нулю.

Планета - второй по размерам тип объекта, который имеет более высокую плотность (без учета газовых гигантов). Для планет учитывается угол и скорость их вращения.

Астероид - объект, который может иметь различные размеры в определённых рамках и отличается высокой плотностью. Крупные и быстрые астероиды представляют опасность для корабля.

Космический корабль - объект, находящийся под контролем пользователя (игрока). Пользователь имеет возможность путем включения или отключения двигателей давать ускорение (используя буквы клавиатуры W и S) и вращать его (используя буквы клавиатуры A и D). Так как скорость вращения зависит напрямую от того, как долго включен двигатель, то остановка вращения является довольно сложной задачей, поэтому есть специальная кнопка (Space), которая позволяет остановить вращение полностью также при помощи двигателей. Топливо космического аппарата не является бесконечным и при его окончании придавать ускорение и вращать космический аппарат за счет реактивной тяги будет невозможно. Корабль имеет ограниченный запас прочности двигателей и общих систем. При перегреве ресурс систем снижается и при падении ниже нуля запуск системы становится невозможен. Также есть возможность получения информации об окружающих объектах в условных (игровых) единицах: масса тела; температура, для этого необходимо просто навести указатель на объект. игровой приложение маневрирование информационный

5. Алгоритмы интерфейса

Для обеспечения простого взаимодействия было принято решение использовать устройство ввода «мышь», а в качестве отображаемых элементов: кнопка, выполняющая указанное действие при клике; выключатель (checkbox), включающий или отключающий определённый функционал; опции, обеспечивающие выбор из множества.

Главное меню состоит из трёх основных пунктов: Старт; Настройки; Выход; Новости (ссылка на web-страницу). Также меню имеет отсылку по теме игры - упрощенную модель спиральной галактики в 3D. Для перемещения камеры в пространстве модели галактики используются клавиши W, A, S, D, а вращение камеры обеспечивается перемещением указателя мыши, зажав при этом левую кнопку мыши.

6. Схемы программной реализации

Визуальные модели широко используются в существующих технологиях управления проектированием программных систем. Для описания функционального назначения системы (что система должна делать в процессе своего функционирования) используется диаграмма вариантов использования. Диаграмма вариантов использования разработанного приложения приведена на рисунке 6.1. Разработанное приложение предоставляет возможность изменения настроек, выхода и выбора уровня игры. Пункт «Настройки» предоставляет возможность перехода от оконного режима к полноэкранному, смену языка (английский или русский), отключение анимации галактики. Также пользователю предоставляется возможность перемещаться по модели галактики для её обозрения с разных мест.

Рисунок 6.1 - Диаграмма вариантов использования

Жизненный цикл объекта игрового пространства начинается от состояния «Новый», когда объект был создан и не принимал участия в игровых взаимодействиях. После входа в игровое взаимодействие объект принимает состояние «Существует» и на каждой итерации проверяется, существует ли ещё объект. Если объект прекратил существование по каким-либо причинам, то проверяется, как именно следует завершить существование объекта: объект просто исчез, или распался на новые объекты. Диаграмма жизненного цикла объекта приведена на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2 - Жизненный цикл объекта

Диаграмма классов, приведенная на рисунке 6.3, служит для представления статической структуры модели программной системы в терминологии классов объектно-ориентированного программирования. Объекты игрового пространства являются наследниками базового класса «Объект», они наследуют все его поля и методы. Метод обновления является виртуальным и имеет собственную реализацию для каждого наследника, при этом общие операции включает метод базового класса, который вызывается в каждом из наследников. Коллекция является контейнером для любых объектов.

Рисунок 6.3 - Диаграмма классов

7. Библиотеки ds_menu и phys_object

Библиотека ds_menu.dll разработана для отделения элементов управления меню от главного приложения и возможности их динамического обновления без компиляции исходного файла приложения. Данная библиотека предоставляет методы для работы с меню и настройками, а также экспортирует общие классы, которые используются не только методами библиотеки. Список экспортируемых функций и их краткое описание приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Экспортируемые функции библиотеки ds_menu

Библиотека phys_object.dll разработана для обеспечения классов, являющихся абстракциями объектов реального мира и механизмов их взаимодействия. Выделение алгоритмов физики в данную библиотеку позволяет, не затрагивая уже реализованного приложения, вносить правки в физику взаимодействия. Список экспортируемых функций и их краткое описание приведены в таблице 7.2.

Таблица 7.2 - Экспортируемые функции библиотеки phys_object

8. Реализация алгоритмов, обеспечивающих графику

Для обеспечения обработки данных на графическом процессоре было создано 8 шейдерных программ, каждая из которых включает в себя шейдер вершин и фрагментный шейдер. Список шейдерных программ и их краткое описание приведены в таблице 8.1.

Таблица 8.1 - Шейдерные программы

Для того чтобы передать данные на обработку графическому процессору реализованы алгоритмы заполнения атрибутов и глобальных параметров.

9. Уровни

Сейчас в игре реализовано три уровня. При выборе одиночной игры будет отображено меню выбора уровня (рисунок 9.1).

Рисунок 9.1 - Выбор уровня

После выбора уровня будет отображен экран с информацией об уровне, ожидающий действия пользователя для начала самого уровня.

Если космический корабль столкнется с достаточно крупными астероидами, то может повредиться или полностью сломаться, тогда пользователю будет предложено переиграть уровень или же нажать кнопку назад и вернуться к выбору уровней (рисунок 9.2).

Рисунок 9.2 - Окончание уровня в результате поломки космического корабля

Задача первого уровня: покинуть скопление астероидов, пролетев указанное расстояние от начальной точки (рисунок 9.3).

Рисунок 9.3 - Космический корабль в скоплении астероидов

Задача второго уровня состоит в том, чтобы продержаться на орбите планеты тридцать секунд. Допустимая высота над поверхностью не указывается, но может быть приблизительно вычислена посредством представляемой информации. Таймер сбрасывается каждый раз, когда корабль находится ближе или дальше допустимого (рисунок 9.4). При этом необходимо контролировать высоту орбиты над крупным объектом, а для второго уровня - над планетой. Пользователю необходимо продержаться на орбите в течение тридцати секунд. Определить примерные рамки высоты орбиты можно при помощи анализа ситуации (таймер сбрасывается всякий раз, когда космический корабль выходит из заданных рамок). Так же усложняют выполнение задачи случайно сгенерированные астероиды, с которыми возможно столкновение.

Рисунок 9.4 - Космический корабль около планеты

Задача третьего уровня: исследовать планеты звёздной системы. На рисунке 9.5 черным кругом обведён космический корабль, а в нижней части экрана приведена информация о звезде, изображенной большим белым кругом. Планета считается исследованной, если указатель находится над планетой (на экране отображается информация о планете), а расстояние до планеты не превышает заданного и через три секунды. Сейчас третий уровень заключительный и самый сложный. Для исследования планеты необходимо навести указатель мыши на объект исследования и находиться при этом на расстоянии не более чем 1200. Ограниченный запас топлива и высокая температура усложняют прохождение уровня. При переходе температуры, которая указана в верхней части экрана, выше 2500 (критическая температура), системы корабля начнут повреждаться и чем больше разница между текущим уровнем и критическим, тем быстрее системы выйдут из строя, а тогда даже при наличии топлива запуск двигателей будет невозможен.

Рисунок 9.5 - Звёздная система

Заключение

Освоив игру, пользователь получит новую для себя компетенцию маневрирования кораблем в космосе. Кроме этого для школьников эта игра даст возможность прочувствовать влияние на корабль сил гравитации со стороны окружающих космических объектов, что в свою очередь поспособствует более глубокому освоению законов механики.

Бета-тестирование компьютерной игры Danger Space показало её хорошие функциональные качества и вызвало удовлетворенность тестировщиков, знакомых с играми подобного типа.

Перспективами развития игры являются: добавление режима «Создатель», когда пользователь сам моделирует систему и предлагает опробовать её другому; улучшение и оптимизация алгоритмов, что позволит увеличить количество объектов игрового пространства; доработка игры до многопользовательской, позволяющей пользователям выполнять более сложные задания.

Литература

1 Библиотека GLFW

2 Библиотека FREETYPE

Аннотация

Обсуждаются вопросы разработки, инструментального наполнения и организации информационных потоков в обучающем игровом приложении Danger Space. Освоив игру, пользователь получит компетенцию маневрирования космическим кораблем, а также сможет прочувствовать влияние на него сил гравитации со стороны окружающих космических объектов, что в свою очередь поспособствует более глубокому освоению законов механики.

Ключевые слова: обучающее игровое приложение Danger Space, спецификация OpenGL, управление космическим кораблем, космические объекты, влияние сил гравитации.

Discusses issues of development, instrumental content and organization of information flows in the training game application Danger Space. Having mastered the game, the user will receive the competence of maneuvering a spacecraft, and will also be able to feel the influence of gravitational forces on him from surrounding space objects, which in turn will contribute to a deeper development of the laws of mechanics.

Key words: educational game application Danger Space, specification OpenGL, spacecraft control, space objects, the influence of gravitational forces.

Размещено на Allbest.ru