Xây dựng game engine đa nền tảng quản lý khung cảnh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trương Đức Phương
XÂY DỰNG GAME ENGINE ĐA NỀN TẢNG
QUẢN LÝ KHUNG CẢNH
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin
HÀ NỘI - 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trương Đức Phương
XÂY DỰNG GAME ENGINE ĐA NỀN TẢNG
QUẢN LÝ KHUNG CẢNH
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin
Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Việt Hà
Cán bộ đồng hướng dẫn : ThS. Vũ Quang Dũng
HÀ NỘI - 2009
Lời cảm ơn
Tôi xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Việt Hà, Thạc sĩ Vũ Quang Dũng là
người trực tiếp, nhiệt tình hướng dẫn tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn phòng thí nghiệm Toshiba-Coltech đã tạo môi trường làm
việc để nhóm chúng tôi tập trung cùng nhau nghiên cứu.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các thầy giáo, cô giáo tại Trường Đại học Công
Nghệ - Đai học Quốc gia Hà Nội những người đã hết lòng dạy cho tôi những kiến thức
hết sức bổ ích trong 4 năm học qua.
Xin cảm ơn gia đình và những người bạn đã dành cho tôi tình thương yêu và sự hỗ
trợ tốt nhất.
Hà nội, ngày 22 tháng 05 năm 2009

Sinh viên
Trương Đức Phương
Tóm tắt nội dung
Khái niệm Game Engine xuất hiện ở giữa thập kỉ 90 và ngày này đã trở thành một
thành phần quan trọng trong quy trình phát triển trò chơi điện tử. Sự ra đời và phát triển
của Game Engine đã mang đến cho các game hiện đại những bước tiến nhảy vọt về mọi
mặt : đồ họa, khả năng tương tác, độ chân thực…
Khóa luận này đề cập đến phương pháp triển khai module “Quản lý khung cảnh”
trong dự án “Xây dựng Game Engine đa nền tảng” của chúng tôi. Cụ thể, chương 1 và
chương 2 mang đến cho người đọc một các nhìn tổng thể về kiến trúc của cả hệ thống
Game Engine. Sau đó, chương 3 trình bày chi tiết về module “Quản lý khung cảnh”, đi
sâu vào cách tổ chức khung cảnh và các giai đoạn trong quá trình render khung cảnh.
Cuối cùng là thông tin kiểm thử thực nghiệm về hiệu năng của các kỹ thuật được triển
khai và hướng phát triển trong tương lai.
Mục lục
Trương Đức Phương ....................................................................................................... 1
Trương Đức Phương ....................................................................................................... 2
Tóm tắt nội dung ............................................................................................................ 4
Bảng các thuật ngữ ......................................................................................................... 6
Danh mục hình vẽ ........................................................................................................... 6
Chương 1. Đặt vấn đề ..................................................................................................... 8
1.1. Bối cảnh nghiên cứu ............................................................................................ 8
1.2. Mục tiêu ............................................................................................................... 8
1.3. Giới thiệu chung ................................................................................................... 9
Chương 2. Kiến trúc tổng thể ........................................................................................ 11
2.1. Thành phần Các kiểu dữ liệu cơ bản ................................................................... 12
2.2. Thành phần Giao tiếp với hệ điều hành ............................................................... 14
2.3. Thành phần Render Engine ................................................................................. 15
2.4. Các thành phần còn lại. ....................................................................................... 17
Chương 3. Quản lý khung cảnh .................................................................................... 18

3.1. Khái niệm khung cảnh và cách tổ chức khung cảnh ............................................ 18
3.3. Thiết kế chức năng ............................................................................................. 28
Chương 4. Tổng kết ...................................................................................................... 41
4.1. Kết quả .............................................................................................................. 41
4.2. Hướng phát triển ................................................................................................ 43
Bảng các thuật ngữ
Thuật ngữ Ý nghĩa
Axis aligned bounding box Là một loại bounding volume có dạng
hình hộp, các cạnh dọc theo 3 trục xyz.
Bounding Sphere Là một loại bounding volume có dạng hình
cầu.
Bounding Volume Là danh từ chung chỉ các loại hình học đơn
giản được sử dụng để mô tả một không
gian bao bọc hoàn toàn một vật thể nào đó.
Event Đơn vị truyền thông liên tiến trình được
gửi đến bởi Hệ điều hành.
Game Engine Middleware cung cấp một giao diện đơn
giản hơn để phát triển game .
Mesh Là một mạng lưới các đa giác dùng để mô
tả hình dạng của vật thể trong không gian 3
chiều.
OpenGL Một chuẩn 3d graphic API .
Render Là việc từ các dữ liệu về khung cảnh, đối
tượng 3D, ta thực hiện các phép biến đổi,
các tính toán để đưa ra hình ảnh 2D thu
được tại vị trí nhìn ( giống nhau quá trình
mắt người hay các camera thu hình ảnh 2D
từ môi trường ).
Texture Là một hoặc một loạt các bức ảnh dùng để
tăng độ chi tiết cho các đối tượng.

View Frustum Hình chóp cụt xác định khung nhìn của
camera.
Danh mục hình vẽ
Hình 1: Kiến trúc phân tầng của GEM............................................................................9
Hình 2: Kiến trúc tổng thể............................................................................................11
Hình 3: Biểu đồ lớp của thành phần Các kiểu dữ liệu cơ bản........................................12
Hình 4: Quá trình điều phối event.................................................................................14
Hình 5: Kiến trúc phân tầng của Render Engine...........................................................15
Hình 6: Biểu đồ gói của Render Engine........................................................................16
Hình 7: Axis Aligned Bounding Box và Bounding Sphere trong GEM.........................19
Hình 8: Ví dụ cây khung cảnh và BHVs tương ứng......................................................19
Hình 9: Biều đồ lớp của module Quản lý khung cảnh. .................................................20
Hình 10: Lớp SceneNode..............................................................................................21
Hình 11: Lớp SolidMeshSceneNode.............................................................................23
Hình 12: Hình ảnh Bàn cờ và các quân cờ dùng SolidMeshNode.................................24
Hình 13: Lớp CameraSceneNode..................................................................................25
Hình 14: Lớp SkyboxSceneNode..................................................................................26
Hình 15: Skybox...........................................................................................................27
Hình 16: Lớp SceneGraphManager...............................................................................27
Hình 17: Lớp RenderList và RenderContext.................................................................28
Hình 18: Biều đồ hoạt động của giai đoạn prepare-render.............................................30
Hình 19: Biều đồ hoạt động của giai đoạn Tính lại BVHs............................................32
Hình 20: Ví dụ minh họa khung hình............................................................................34
Hình 21: Biều đồ hoạt động giai đoạn view frustum culling.........................................35
Hình 22: Ví dụ một Bounding Sphere có d > R.............................................................37
Hình 23: Biều đồ hoạt động của giai đoạn render từng render-list.................................39
Hình 24: Ví dụ minh họa một vật thể bị chắn hoàn toàn................................................40
Hình 25: Khung cảnh trong nhà được render bởi GEM.................................................43
Chương 1. Đặt vấn đề
1.1. Bối cảnh nghiên cứu

Ngành công nghiệp phát triển game trên thế giới đang phát triển như vũ bão. Cách
đây 20 năm, game rất đơn giản và chỉ cần một người hoặc một nhóm nhỏ người phát
triển nhưng ngày nay, các game hiện đại với đồ họa và khả năng tương tác ấn tượng
thường được phát triển bởi một đội ngũ đông đảo người thiết kế game, lập trình viên,
nghệ sĩ… trong thời gian ròng rã từ một đến ba năm. Chính việc game ngày càng trở
nên phức tạp như vậy nên hiện nay, các game thương mại không còn phát triển từ
nguyên thủy nữa mà được phát triển lên từ game engine. Game engine hỗ trợ việc xây
dựng game một cách nhanh chóng, đơn giản hơn đồng thời cung cấp khả năng tái sử
dụng code cao do có thể phát triển nhiều game từ một game engine.
Ở Việt Nam, Game online mới chỉ thực sự thâm nhập vào thị trường cách đây 6
năm nhưng chỉ trong khoảng thời gian ít ỏi đó, chúng ta đã có một số lượng nhà phát
hành game lên tới con số hàng chục, số game được phát hành cũng tương ứng với số
lượng đó. Nhưng theo như chúng tôi được biết, gần như tất cả các game online đang
được phát hành ở Việt Nam là được nhập khẩu từ nước ngoài, chủ yếu là Trung Quốc
và Hàn Quốc ( trừ một số game nhỏ chơi trên web như đánh bài, đánh cờ ..) Một câu hỏi
mà có lẽ tất cả những người chơi game đều trăn trở là “bao giờ mới được chơi game
Việt Nam?”.
Chúng tôi chọn đề tài này làm khóa luận tốt nghiệp không phải với một tham vọng
quá lớn, chỉ là muốn đi những bước chân chập chững đầu tiên vào thế giới phát triển
game rộng lớn, để thu lượm kiến thức về lĩnh vực khó khăn nhưng đầy thú vị này và hi
vọng ở một tương lai không xa, chúng tôi có thể góp một phần sức lực giái đáp trăn trở
của cộng đồng người chơi game Việt Nam.
1.2. Mục tiêu
Xây dựng một Game Engine đa nền có thể chạy trên nhiều hệ điều hành khác
nhau, hướng đến phân khúc phát triên game nhập vai trực tuyến (MMORPG). Game
Engine này được đặt tên là GEM. Đây là mục tiêu dài hạn, còn hiện tại, do thời gian
làm luận văn chỉ khoảng 5 tháng nên nhóm chúng tôi chỉ tập trung hoàn thiện thành
phần Render Engine trong Game Engine ( Xem chi tiết ở chương 2).
1.3. Giới thiệu chung
Như đã giới thiệu ở trên, Game Engine là một lớp trung gian giữa game và nền

tảng bên dưới, các thư viện lập trình cấp thấp. GEM là một game engine nên dĩ nhiên nó
cũng tuân thủ theo nguyên tắc này
Hình 1: Kiến trúc phân tầng của GEM.
Đặt điểm đầu tiên của GEM là khả năng chạy đa nền.Để đặt được điều đó, GEM
sử dụng các bản build trên các nền tảng khác nhau ( chứ không phải sử dụng thông
dịch ). Các đoạn code phụ thuộc nền tảng sẽ được phân chia bằng việc sử dụng các cờ
tiền biên dịch, hạn chế tối đa việc sử dụng các lớp abstract – vì việc này sẽ làm giảm
hiệu suất chương trình đáng kể [1]. Cũng vì lí đo chạy đa nền nên chúng tôi lựa chọn
openGL làm giao diện lập trình đồ họa 3D cấp thấp cho GEM, do chuẩn openGL là
chuẩn mở và không bị phụ thuộc vào hệ điều hành.
GEM được thiết kế hướng đối tượng và yêu cầu về hiệu năng chạy cao nên chúng
tôi sử dụng ngôn ngữ C++ - ngôn ngữ đáp ứng hoàn hảo các điều kiện trên. Đa số các
Game Engine trên thế giới hiện nay đều được phát triển bằng ngôn ngữ C++.
Chúng tôi thiết kế GEM nhắm đến phân khúc phát triển game nhập vai trực tuyến,
nên khả năng tương thích với một phạm vi rộng cấu hình phần cứng là một điều kiện
quan trọng, dự kiến sẽ support các card đồ họa hỗ trợ openGL 1.4 và shader 1.0 trở lên.
Bảng cấu hình tối thiểu dự kiến :
Hãng sãn xuất Dòng card hỗ trợ
nVidia Từ GeForce4 Ti trở lên
ATI Từ Radeon 9500 trở lên
Intel ( card tích hợp ) Từ Intel® GMA 3100 ( chipset G31,Q33) trở lên
Chương 2. Kiến trúc tổng thể
GEM là được chia thành nhiều thành phần để tiện cho việc phát triển và bảo trì.
Cụ thể GEM gồm các thành phần như sau :
Hình 2: Kiến trúc tổng thể.
Ghi chú : Do thời gian làm luận văn có hạn, chúng tôi mới chỉ hoàn thành những
thành phần sau : Giao tiếp với hệ điều hành, Các kiểu dữ liệu cơ bản, Render Engine.
Những thành phần này đủ để hỗ trợ người sử dụng tạo ra các khung cảnh 3D và tương
tác với chúng.
2.1. Thành phần Các kiểu dữ liệu cơ bản

Các kiểu dữ liệu cơ bản là thành phần bao gồm các cấu trúc dữ liệu cơ bản như
mảng động, vector, ma trận…, các phép toán trên các kiểu dữ liệu đó cung cấp cho
thành phần khác sử dụng
Hình 3: Biểu đồ lớp của thành phần Các kiểu dữ liệu cơ bản.
Các kiểu dữ liệu này có thể chia thành 2 nhóm chính :
- Các yếu tố trong không gian 3D :
+ Vector2, Vector, Vector4 : các loại vector biểu diễn tọa độ 2
chiều, 3 chiều và tọa độ đồng nhất
+ Aabb ( Axis aligned bounding box ) : hình hộp chữ nhật có các
cạnh dọc theo 3 trục xyz, được mô tả bằng 2 điểm (x
min,
y
min,
z
min
), (
x
max,
y
max,
z
max
)
+ Sphere : hình cầu, được mô tả bởi tọa độ tầm và bán kính.
+ LineSequent, Line, Ray : đoạn thẳng, đường thẳng, tia.
+ Matrix : ma trận sử dụng để biểu diễn các phép biến đổi : dịch,
xoay, co giãn trong không gian 3 chiều.
+ Plane : mặt phẳng được mô tả bằng các hệ số của phương trình :
ax + by + cz + d = 0.
+ Frustum : là hình chóp cụt biểu diễn khung nhìn của camera,

được mô tả bằng 6 mặt phẳng tạo nên nó.
- Các kiểu đối tượng lưu trữ :
+ String.
+ Array : mảng động với hệ số mở rộng có thể tùy biến.
+ GemAllocator : sử dụng bởi các lớp khác để thực thi việc cấp
phát và giải phóng bộ nhớ.
+ List : linked list 2 chiều.
+ Stack.
2.2. Thành phần Giao tiếp với hệ điều hành
Giao tiếp với hệ điều hành là thành phần thực thi các công việc cần giao tiếp với
hệ điều hành như điều phối event, đọc ghi file, lấy thời gian hệ thống… Trong đó quan
trọng nhất là quá trình điều phối event :
Hình 4: Quá trình điều phối event.
GEM lấy event từ Message System của hệ điều hành, từ đó lấy các thông tin cần
thiết tạo ra GemEvent - lý do cần tạo ra GemEvent là để tránh bị phụ thuộc vào hệ điều
hành. Sau đó, GemEvent sẽ được gửi lần lượt đến các thành phần có khả năng nhận và
xử lý event.
2.3. Thành phần Render Engine
2.3.1. Khái quát về Render Engine
Render Engine là thành phần cốt lõi của một Game Engine. Nó hỗ trợ người dùng
các công việc thiết yếu để tạo ra một khung cảnh 3D. Người dùng sẽ không cần biết
nhiều đến những công việc tầng thấp như quá trình đọc file tài nguyên, sử dụng 3D
Graphic API, quá trình tạo các effect… mà chỉ cần dùng giao diện do Render Engine
cung cấp.
Render Engine là thành phần duy nhất trong Game Engine giao tiếp với các thư
viện đồ họa cấp thấp ( cụ thể ở đây là openGL và Cg )
Hình 5: Kiến trúc phân tầng của Render Engine.
2.3.2. Kiến trúc của Render Engine
Render engine được chia thành các module sau :
Hình 6: Biểu đồ gói của Render Engine.

- Graphic Driver là module duy nhất trực tiếp sử dụng 3D Graphic API (openGL),
cung cấp cho các module khác một giao diện đơn giản hơn để tương tác với card đồ
họa.
- Quản lý tài nguyên là module quản lý các tài nguyên cần thiết để xây dựng một
khung cảnh 3D như mesh, animated mesh, texture 2D, cubemap…Module này được bạn
Hoàng Tuấn Hưng trình bày trong khóa luận “Xây dựng Game Engine đa nền tảng –
Quản lý tài nguyền và chuyển động đối tượng ”.
- Quản lý khung cảnh là module thực hiện việc tổ chức và kiểm soát các đối
tượng tồn tại trong một khung cảnh 3D, từ đó thực hiện quá trình render toàn bộ khung
cảnh đó tạo nên hình ảnh 2D tại vị trí nhìn. Module này được trình bày chi tiết trong các
chương sau của tài liệu này.
-Hiệu ứng ánh sáng và vật liệu là module mở rộng các thành phần của Quản lý
khung cảnh để tạo các hiệu ứng về ánh sáng, vật liệu, và đổ bóng. Module này được
bạn Bùi Hoàng Khánh trình bày trong khóa luận “Xây dựng Game Engine đa nền tảng –
Hiệu ứng ánh sáng và vật liệu”.
-Mô phỏng tự nhiên là module mở rộng các thành phần của Quản lý khung cảnh
để mô phỏng các yếu tố tự nhiên cần có trong game như nước, địa hình, lửa, khói…
Module này được bạn Trần Thái Dương trình bày trong khóa luận “Xây dựng Game
Engine đa nền tảng –Mô phỏng tự nhiên”.
- Chuyển động của đối tượng là module mở rộng các thành phần của Quản lý
hung cảnh, thực hiện quá trình nội suy trong các mô hình chuyển động ( thường là các
nhân vật trong game ) thông qua hai kĩ thuật thông dụng là keyframe và skinning.
Module này được bạn Hoàng Tuấn Hưng trình bày trong khóa luận “Xây dựng Game
Engine đa nền tảng – Quản lý tài nguyền và chuyển động đối tượng”.
2.4. Các thành phần còn lại.
Các thành phần Mạng, Trí tuệ nhân tạo, Tính toán vật lí, Âm thanh chưa được
triển khai nên chúng tôi không đề cập đến trong tài liệu này.
Chương 3. Quản lý khung cảnh
3.1. Khái niệm khung cảnh và cách tổ chức khung cảnh
Khung cảnh có thể hiểu giống như một trường quay phim. Nó bao gồm tất cả các

đối tượng tham gia vào quá trình tạo nên hình ảnh, ví dụ như các camera, các nhân vật,
các vật thể, các nguồn chiếu sáng… Dĩ nhiên trong một chương trình máy tính, khung
cảnh được dữ liệu hóa và chúng tôi định nghĩa nó là tổng hợp tất cả dữ liệu mô tả các
đối tượng trong một không gian 3D.
Khung cảnh là rất nhiều dữ liệu, vì vậy một yêu cầu bắt buộc phải tổ chức nó một
cách hợp lý để tiện sử dụng trong quá trình render. Ở đây, chúng tôi tổ chức nó thành
một cây quan hệ về không gian và đồng thời là Bounding Volume Hierachies (BVHs).
3.1.1. Cây quan hệ về không gian
Cây quan hệ về không gian là một cây mà trong đó, node con nằm trong không
gian của node cha. Nghĩa là khi không gian của node cha thay đổi sẽ làm node con thay
đổi theo. Việc tổ chức khung cảnh thành cây quan hệ về không gian sẽ giúp mô tả mối
quan hệ giữa các đối tượng một cách dễ dàng. Ví dụ như trong khung cảnh có một chiếc
ôtô và 2 nhân vật ngồi trong đó, khi đó 2 nhân vật sẽ là 2 node con của node cha ôtô, khi
ôtô di chuyển, do bị ràng buộc về không gian nên 2 nhân vật cũng sẽ di chuyển theo.
3.1.2. Bounding Volume Hierachies.
a. Khái niệm Bounding Volume:
Để đơn giản hóa một số giai đoạn tính toán trong quá trình render
SceneGraph, chúng ta sử dụng một số hình đơn giản hơn bao bọc quanh các đối
tượng.Các hình đó được gọi là bounding volume.
Ở đây chúng tôi sử dụng 2 loại bounding volume là :
+ Axis Aligned Bounding Box.
+ Bounding Sphere.