Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

Programozás, szoftvertervezés, matematika, fizika

A tárgy a játékfejlesztésben használt alapvető grafikai ismereteket, az azokra épülő technikákat mutatja be gyakorlati példákon, DirectX/HLSL implementációkon keresztül. A hallgatók a grafikus kártya programozását, a legelterjedtebb, illetve legfrissebb grafikai algoritmusokat és trükköket ismerhetik meg, ezzel a játékfejlesztés hardver-közeli területén szerezhetnek szakértelmet. A tárgy ismerteti a játékfejlesztés nem szigorúan grafikai elemeit, a fizikai szimulációt és az ütközés-kezelést, valamint az ezeket összekötő programstruktúrát is.

1. Modellezés
1. Modellezési technikák. Paraméteres, szabadformájú és kvadratikus görbék és felületek. Konstruktív tömörtest geometria.
2. A háromszögháló. Csúcspont és index buffer (Vertex és index buffer) reprezentáció.
3. Gyakorlat: A DirectX x fájl formátum. Bevezetés az effect keretrendszer használatába. A mesh, device és effect interfészek. 3D objektum megjelenítése transzformációk és megvilágítás nélkül.
2. Transzformációk
1. Koordináta rendszerek és transzformációik. Projektív geometria, ideális pont, Descartes és homogén koordináták viszonya, beágyazott modell.
2. A transzformációs csővezeték. A modellezési, világ-, kamera- és képernyő-koordináták szerepe, és a közöttük átvivő transzformációk.
3. Gyakorlat: Mátrixok DirectXben. Kamera osztály használata. A csúcspont árnyaló (vertex shader) szerepe. HLSL alapok. Globális paraméterek. Mozgó 3D objektum megjelenítése, a kamera mozgatása.
3. 3D képalkotás
1. A teljes 3D képalkotási csővezeték: fix és programozható szakaszok, vágás, raszterizáció és mélységteszt. A pixel és csúcspont árnyaló (pixel és vertex shader) környezete.
2. Lokális megvilágítás-számítás és absztrakt fényforrás-modellek. A Lambert és Phong felületi fényvisszaverődés modell.
3. Gyakorlat: Kísérletek a mélységteszttel. A csúcspont bufferben (vertex buffer) tárolt árnyalási információk szerepe. Csúcspontonkénti (per vertex lighting) és pixelenkénti (per pixel lighting), Gouraud és Phong árnyalás. Több objektum megjelenítése megvilágítás-számítással, mozgó fényforrásokkal.
4. Textúrák és raszterműveletek
1. A textúrák szerepe. Textúra-koordináták. Textúra formátumok. Szűrés. Mipmapelés. Perspektív-helyes textúrázás. Kockatextúrák (cube textures) és a környezeti leképezés (environment mapping). Az ideális tükör felületi fényvisszaverődési modell.
2. Keverés (blending) és átlátszóság. Hátsólap-eldobás.
3. Anti-aliasing. Előszűrés és utószűrés (FSAA vagyis full-screen anti-aliasing).
4. Gyakorlat: Kísérletek a keverés (alpha blending) és többszörös mintavételezés (multisampling) opciókkal. A textúra interfész a DirectX-ben. Textúrázó egységek (samplers) és textúra olvasás HLSL-ben. Többmenetes (multi-pass) képalkotás. Képernyőt lefedő négyszög (full-screen quad). Textúrázott, illetve a környezet tükröző objektumok, és végtelen távoli környezet-textúra megjelenítése.
5. (5-6. hét) A játék színterének felépítése
1. Világ-objektumok heterogén kollekciója. Hierarchikus színtér-gráfok.
2. Valósidejű animáció. Az élethű mozgás fizikája. Newtoni mozgás. Pozíció, sebesség és gyorsulás az elmozdulás és elfordulás tekintetében. Forgatások leírása kvaterniókkal. Animáció időlépcsőkben. Az animáció beágyazása a színtér-objektumok rendszerbe.
3. Gyakorlat: Színtérgráf megvalósítása. Fizikai animációval mozgatott objektumok megjelenítése, fizikai alapon mozgó kamerából nézve.
6. (7-8. hét) Játéklogika
1. Folytonos és diszkrét ütközésvizsgálat. Térfelosztás és befoglaló alakzatok. Ütközés-válasz stratégiák. Az ütköző merev testek fizikája. Az ütközés-kezelés beágyazása a színtér-objektumok rendszerbe.
2. Játék-intelligencia. Egyszerű célokon alapuló vezérlés. A felhasználói és mesterséges intelligencia alapú vezérélés beágyazása a színtér-objektumok rendszerbe.
3. Gyakorlat: Statikus földfelszín objektum. A talajjal ütközés detektálása és az ütközés-válasz megvalósítása. A mozgó játékobjektumok közötti ütközés-detektálás és válasz megvalósítása, befoglaló gömbök segítségével. Egyszerű mesterséges intelligencia megvalósítása. Az eredmény egy komplett kis játék, több mozgó, ütköző objektummal, melyek egyikét a játékos irányítja.
7. (9. hét) Karakter-animáció
1. Karakter modellek. Csontváz animáció. Merev bőrözés. Transzformációs láncok.
2. Sima bőrözés. Transzformációk keverése a csúcspont árnyalóban.
3. Az inverz kinematika célja.
4. Gyakorlat: Animált karakter megjelenítése a csúcspont árnyalóban magvalósított sima bőrözéssel.
8. (10. hét) Plakátok (billboards) és részecske-rendszerek
1. Sprite. Plakátok.
2. Plakátfelhők. Részecske-rendszerek.
3. Geometriapéldány-gyártás (geometry instancing).
4. Gyakorlat: Részecske-rendszer megvalósítása. Csúcspont és index bufferek összeállítása hardveres példány-gyártáshoz. Plakát beforgatása a csúcspont árnyalóban. Alpha blending és átlátszósági rendezés. Animált füst megjelenítése.
9. (11. hét) Textúrába rajzolás (Render-to-texture)
1. A lokalitás problémája. A rajzolási célpont (render target) fogalma. MRT (multiple render target, több párhuzamos rajzolási célpont). Portálok. Imposztorok.
2. Késleltetett árnyalás (deferred shading). Gömbplakátok (spherical billboards).
3. Gyakorlat: A DirectX surface interfész. Egy render-to-texture pass megvalósítása, egy fa rajzolásával. Az eredményül kapott textúra megjelenítése plakátokon, így erdőt rajzolva. Gömbplakátok megvalósítása, vágási hibák nélküli füst megjelenítése.
10. (12. hét) Stencil trükkök
1. Stencil buffer és stencil teszt. Stencil tükrök. Árnyéktestek. Stencil árnyékok.
2. Gyakorlat: DirectX mélység-stencil felületek. Síktükör megvalósítása a stencil buffer használatával. Egy árnyéktest implementáció tanulmányozása.
11. (13. hét) Árnyékok
1. Síkra vetített árnyék. Mélység-térképek létrehozása és használata. Takarás-szűrés (percentage closer filtering). Lágy árnyék (soft shadow) eljárások.
2. Gyakorlat: Több DirectX mélység-stencil felület használata. Hardver mélység-térképek. Mélység-térkép alapú árnyékok megvalósítása pontszerű fényforrásra.
12. (14. hét) Sugárkövetés és fraktálok
1. Sugármetszéspont-számítás. Rekurzív sugárkövetés. Sugárkövetés a grafikus kártyán és helyettesítő megoldások.
2. Gyakorlati bevezető a fraktálok grafikai alkalmazásáról. Julia és Mandelbrot halmazok. Iterált függvény-rendszerek (IFS). Káoszjáték.
3. Gyakorlat: Mandelbrot és Julia halmazok megjelenítése a pixel árnyaló használatával. IFS megjelenítése káoszjátékkal.

Heti 2 óra előadás, ahol elhangzanak az elméleti alapok, és a gyakorlati feladat megoldásához szükséges ismeretek is, valamint 2 óra számítógép melletti gyakorlat, ahol egy konkrét grafikai algoritmust kell implementálni DirectX környezetben.

a. A szorgalmi időszakban:  Házi feladat.

b. A vizsgaidőszakban: Gyakorlati vizsga.

c. Elővizsga: van

A házi feladatot a szorgalmi időszak végéig le kell adni. A vizsgaidőszakban a félévközi követelmények részleges pótlására gyakorlati vizsga tehető.

Dr. Szirmay-Kalos László, Antal György, Csonka Ferenc:

Háromdimenziós grafika, animáció és játékfejlesztés

ISBN: 963 618 303 1