Peliohjelmointi:

Peliohjelmointirajapinnoista Teppo Soininen & Antti Puhakka

Lähteet: www.opengl.org, OpenGL-spesifikaatio,

Tietokonegrafiikka –luentomoniste, MSDN, Introduction to 3D

Game Programming with DirectX 9.0

2

Open Graphics Library • Open Graphics Library (OpenGL) sai alkunsa 1992 SGI:n

esittelemästä 3D rajapinnasta nimeltä IRIS GL

• OpenGL oli alkuaikoina tähdätty ammattikäyttöön

tehovaatimustensa takia − Windows NT 4.0:ssa oli OpenGL jo mukana (muistanette screensaverit

joissa pyöri esim. kellonaika?)

− Grafiikkaraudan kehittyessä myös halvemmat viihdekäyttöön tarkoitetut

laitteet kykenivät vastaamaan OpenGL:n tehovaatimuksiin

− Nykyään yksi eniten käytetty grafiikka API

3

• OpenGL on alustariippumaton grafiikka API − Sisältää ~150 funktiota

− Ei sisällä mitään toiminnallisuutta ikkunoinin tai syötteidenkäsittelyn

toteuttamiseksi

• OpenGL:ää standardoi OpenGL Architecture Review Board

(ARB) − 3DLabs, Apple, ATI, NVIDIA, IBM, Intel, SGI, Sun Microsystems, HP…

• OpenGL rajapinta löytyy muutamalle eri kielelle (C/C++, ADA,

Fortran ja Java)

• OpenGL on käytännössä iso tilakone − Yli sata globaalia tilamuuttujaa (on/off)

4

OpenGL 1.1:n tilakone

5

• Ohjelmointinäkökulmasta OpenGL on kokoelma funktiota

joiden avulla voi: − Määritellä geometrisia 2D/3D objekteja jotka koostuvat kymmenestä

perusprimitiivistä

GL_POINTS

GL_LINES, GL_LINESTRIP, GL_LINE_LOOP

GL_TRIANGLES, GL_TRIANGLE_STRIP, GL_TRIANGLE_FAN

GL_QUADS, GL_QUAD_STRIP

GL_POLYGON

− Hallita määriteltyjen objektien piirtämistä frame bufferiin

(transforamaatiot, valaistukset jne)

glRotate(), glTranslate(), glScale()...

6

• OpenGL:stä ei löydy funktioita monimutkaisten primitiivien

(pallot, kuutiot jne) piirtämiseen − Monimutkaisempien primitiivien piirtämiseen tehdään usein omat

”Mesh” –luokat

− Jotkut korkeammantason rajapinnat tarjoavat apuja monimutkaisempien

muotojen piirtämiseen (yleensä hyödyttömiä testaamisen ulkopuolella)

7

• OpenGL hoitaa piirtämisen moniosaisella pipelinella − Jokaisessa osassa tehdään yksi primitiivien esittämiseen tarvittava

vaihe

OpenGL Visualization Programming Pipeline

8

• OpenGL v1.5 (29.7.2003) − Yksi merkittävimmistä uudistuksista tässä versiossa olivat BufferObjektit

• OpenGL v2.0 (7.9.2004) − OpenGL Shader Language vakiona (aikaisemmin erillinen)

− Textuureja, joiden koko ei ole 2:n potenssissa, voidaan käyttää

(virheettömästi!)

9

OpenGL tukikirjastot • SGI pitää kirjaa OpenGL:ään tehdyistä kirjastoista

− ARB:n speksaamia kirjastoja n. 40

− Muita kirjastoja tässä listassa on 300+

• Käyttöjärjestelmien mukanan tulee kirjastoja ikkunoinnin

hoitamiseen OpenGL:n kanssa − GLX (Unix)

− WGL (Windows)

− AGL (Apple)

10

• GL Utility Toolkit (GLUT) − Tarjoaa tominnallisuutta mm. ikkunoinnille, menuille, syöttölaitteille ja

joillekkin perus muodoille (esim. pallo ja kuutio)

− Soveltuu lähinnä pieniin OpenGL sovelluksiin

− Rutiinit cross-platform ominaisuuksiensa takia liian hitaita todelliseen

tehokäytöön (esim. peleihin) -> yleensä käytetetään käyttöjärjestelmän

omia ikkunointi menetelmiä (GLX, WGL)

− GLUT ei ole avointa lähdekoodia (Mark Kilgard omistaa oikeudet

GLUT:iin)

− Uusin versio 2.7

11

Simple Directmedia Layer (SDL) • Alustariippumaton grafiikka- ja multimediarajapinta, toimii

Windowsissa, Linuxissa, Macissa, Solariksessa jne. jne.

• Toiminnallisuutta mm. 2D- ja 3D-grafiikka, audio, syötelaitteet

(hiiri, näppis ja joystick), tapahtumat, timerit, ...

• SDL on ohut wrapperikerros, joka kutsuu esim. OpenGL-

rutiineja

• Kirjoitettu alunperin C:llä

• Bindingeja löytyy ainakin seuraaville kielille: Ada, Eiffel, Java,

Lua, ML, Perl, PHP, Pike, Python, Ruby

12

⇒ Bindingit lisäävät käytännössä kuitenkin yhden kerroksen lisää

raudan ja koodin väliin josta seuraa hidastaa koodia (ei usein

käytetä tehoa vaativissa sovelluksissa, kuten peleissä)

• Käytännössä SDL on (kuuleman mukaan) melko hyvä ja

yksinkertainen

• Suosiota lisännyt SDL:n open source -lisenssi − Uusin versio 1.2

13

Microsoft DirectX • DirectX-rajapinnan kehittäminen aloitettiin Microsoftilla joskus

90-luvun alussa − OpenGL:n tehovaatimuksiin pystyttiin vastaamaan ainoastaan kallilla

ammattilais laitteistoilla

− Ideana kehittää viihdekäyttöön tarkoitettu vatine OpenGL:lle

• Microsoftin aloitti DOS:in hyllyttämisen − Piti saada pelien kehittäjät siirtymään Windows ympäristöön

− Tarvittiin rajapinta jonka avulla pelejä voitiin tehdä

14

• Pelikoodaajat olivat aluksi haluttomia siirtymään Windowsiin − DOS:ssa koodaajat pääsivät käsiksi suoraan "rautaan" ja tämän

ansiosta saatiin aikaan tehokasta koodia

− Windowsissa pääsi "rautaan" käsiksi vain WinAPI:n kautta (ei

tehokasta)

• Microsoft yritti korjata tämän ongelman WinG rajapinnan avulla − Rajapinta oli vaikea käyttää ja melko tehoton

− Civilization ja Civilization 2 tiettävästi kuitenkin käyttivät WinG API:a

• DirectX:n ensimmäisen verion kehittely aloitettiin 1994 ja sitä

tuettiin Windows 95:stä eteenpäin

15

• DirectX:n ensimmäiset versiot olivat erittäin kokeellisia ja

hankalia käyttää − OpenGL:n tehovaatimuksiin pystyttiin nyt vastaamaan kuluttajille

sopivan hintaisilla 3D kalustolla ja tämä aiheutti vastarintaa; "miksi

käyttää DX:ää kun hyvä vaihtoehto on jo olemassa?"

• DirectX 5 oli ensimmäinen joka saavutti enemmän

hyväksyntää

• Nykyään DirectX:ää käytetään erittäin paljon viihteeseen

suunnattujen sovellusten ohjelmoinnissa − Laitteistovalmistajat tukevat todella hyvin

− XBox käyttää modifioitua DirectX 8 rajapintaa

− Pelejä: FarCry, Doom 3

16

• Viimeisin versio on DirectX 9.0

• DirectX on kokoelma ohjelmointirajapintoja pelien ja

multimedian ohjelmointiin 1) DirectGraphics - 2D/3D piirtämiseen (yhdistetty DirectDraw ja Direct3D)

2) DirectInput - syöttölaitteiden käsittelyyn (tuki mm. force feedbackille)

3) DirectPlay - rajapinta verkkopelaamista varten

o Ei saavuttanut koskaan erityisen suurta suosiota

4) DirectSound - äänenkäsittelyyn (waveform)

5) DirectMusic - pakatun musiikin toistamiseen (MIDI, DMusic Producer)

o Toimii DirectSound:in päällä

6) DirectShow - multimedian toistoon, tallentamiseen ja käsittelyyn (mm.

videostreamit)

17

o Perustuu erilaisten ”filtterien” yhdistelemiseen

7) DirectSetup - DirectX:n asentamisen hoitava API

8) DirectX Media Objects - streamattavat mediaobjektit (enkooderit,

dekooderit ja efektit)

o Yksinkertaisempi käyttää kuin DirectShow

• DirectX:stä käytetään eniten Direct3D:tä

• Useimmat em. rajapinnoista aiotaan korvata Windows Vistan

julkaisemisen jälkeen − XInput, XACT, Media Foundation... − Lisää tukea suojatulle sisällölle jne.

18

Direct3D • Direct3D toiminta perustuu Hardware Abstraction Layeriin

(HAL) − Grafiikkakorttien valmistajat toteuttavat oman HAL:n DirectX:ää varten

Direct3D Hardware Abstraction Layer

19

• Kaikki mitä on nahdollista tehdä, tehdään "raudalla" − Mikäli grafiikkakortti ei tue jotain toiminnallisuutta, sitä voidaan

mahdollisesti simuloida ohjelmistollisesti

− Direct3D:n kautta voidaan kysellä tukea eri toiminnallisuuksille (erityisen

tärkeää silloin jos jotain toiminnallisuutte ei voi simuloida

ohjelmistollisesti)

• Direct3D on toimintaperiaatteeltaan hyvin samantapainen kuin

OpenGL − Piirrellään vertexeistä koottuja perusprimitiivejä ruudulle (TriangleFan,

TriangleStrip, TriangleList, LineStrip, LineList, PointList)

20

Direct3D Fixed Function and Programmable Transformation and Lighting Pipeline

• Direct3D ei ole alustariippumaton joten sen rutiinit on tehty

ainoastaan Winows mielessä − Tästä johtuen Direct3D:ssä on joitain erikoisen tuntuisia piirteitä

21

Windows-ohjelmoinnista • Käytettäessä suoraan Windows API:a grafiikkaohjelmointiin

täytyy huolehtia itse ikkunoiden luomisesta, viestien

käsittelystä jne.

⇒ Jo pelkän ”Hello World”-tyyppisen sovelluksen aikaansaamiseksi tarvitaan paljon koodia

• Perus-Windows-sovellus sisältää WinMain-pääohjelman, joka

on muotoa int APIENTRY WinMain( HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPSTR

lpCmdLine, int nCmdShow )

22

• Pääohjelma tekee yleensä ainakin seuraavat asiat:

1. Rekisteröi ikkunaluokan

2. Luo tähän luokkaan kuuluvan ikkunan

3. Tekee ikkunan näkyväksi ja asettaa sen päivittymään

4. Pyörii silmukassa, joka lukee viestejä sovelluksen

viestijonosta, ja ohjaa viestit eteenpäin ikkunoiden

viestinkäsittelijöille

5. Lopettaa ohjelman saatuaan WM_QUIT-viestin

• Ikkunaluokan ominaisuudet määrätään sijoittamalla arvoja

WNDCLASS- tai WNDCLASSEX-tyyppisen struktin kenttiin

23

⇒ Strukti annetaan parametriksi RegisterClass- tai RegisterClassEx-funktiolle, joka ”rekisteröi” luokan:

// Create a WNDCLASSEX struct and fill its memory area with zeros WNDCLASSEX wc; ZeroMemory( &wc, sizeof( WNDCLASSEX ) ); // Fill in the needed members of the struct created above wc.cbSize = sizeof( WNDCLASSEX ); // size of the window struct in bytes wc.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW | CS_OWNDC; // window styles to use wc.lpfnWndProc = MsgProc; // function name of event handler wc.hInstance = hInstance; // handle to this apps instance wc.hbrBackground = ( HBRUSH )GetStockObject( GRAY_BRUSH ); // background colour of window wc.hIcon = LoadIcon( NULL, IDI_APPLICATION ); // icon for the app window wc.hIconSm = LoadIcon( NULL, IDI_APPLICATION ); // icon when minimized to taskbar wc.hCursor = LoadCursor( NULL, NULL ); wc.lpszClassName = strAppname; // name for this class // Register the window class

RegisterClassEx( &wc );

• Itse ikkuna luodaan CreateWindow tai CreateWindowEx-

funktiolla, jolle annetaan ikkunaluokan nimi g_hWnd = CreateWindow( strAppname, strAppname, WS_OVERLAPPEDWINDOW, 10, 10, g_D3DSettings.m_nDeviceWidth, g_D3DSettings.m_nDeviceHeight, NULL, NULL, wc.hInstance, NULL ); ShowWindow( g_hWnd, nCmdShow ); UpdateWindow( g_hWnd );

24

• Funktio palauttaa HWND-tyyppisen ”kahvan” luotuun ikkunaan

o Samasta luokasta voi halutessaan luoda useamman ikkunan

• Pääsilmukka lukee viestejä PeekMessage-funktiolla

o Vastaava GetMessage-funktio jää odottamaan että viestejä on jonossa

// Create a MSG struct for the widows messages MSG msg; ZeroMemory( &msg, sizeof( msg ) ); // The windows message loop while ( msg.message != WM_QUIT ) { // If messages need to be processed do it, otherwise enter game loop if ( PeekMessage( &msg, NULL, 0U, 0U, PM_REMOVE ) ) { TranslateMessage( &msg ); DispatchMessage( &msg ); } else { GameLoop(); } }

25

• DispatchMessage-funktio välittää viestit asianmukaisille

ikkunoille

o TranslateMessage muuttaa mm. ASCII-merkkeihin liittyviä näppäintapahtumaviestejä WM_CHAR-viesteiksi

• Jokaiselle ikkunaluokalle määritellään oma

viestinkäsittelyfunktio, joka käsittelee ko. luokan ikkunoita

koskevat viestit: LRESULT WINAPI MsgProc( HWND hWnd, UINT msg, WPARAM wParam, LPARAM lParam )

• Viesti voi olla esimerkiksi näppäimistöviesti tai WM_PAINT, joka

tarkoittaa että ikkuna kaipaa päivittämistä

26

• Käytettäessä perinteistä Windows GDI:tä (Graphics Device

Interface) piirto ikkunaan tapahtuu siihen liittyvän Device

Context:in (DC) kautta

• Device context sisältää tiedon kyseiseen ikkunaan tai

laitteeseen liittyvistä parametreistä:

o käytettävissä olevat grafiikkaobjektit, kuten kynät, bittikartat, fontit, värit

o tausta, skaalaaminen, koordinaatistomuunnokset, leikkausalue (clipping region) jne.

• Kutsumalla BeginPaint-funktiota ikkunafunktio saa ikkunaan

liittyvän device context:in sekä PAINTSTRUCT-tyyppisen struktin

27

⇒ tämän yksi kenttä on RECT-tyyppinen strukti, joka sisältää päivitettävän alueen vasemman yläkulman ja oikean alakulman koordinaatit

hDC = BeginPaint( hWnd, &PaintStruct );

...

EndPaint( hWnd, &PaintStruct );

⇒ DC:n koko ikkunaan saa myös GetDC-kutsulla, ja piirtoalueen GetClientRect-kutsulla

• OpenGL-ohjelmoinnissa tarvitaan lisäksi DC:hen läheisesti

liittyvä Rendering Context, johon piirtäminen tapahtuu

o Tämän saa wglCreateContext(hDC) -kutsulla, ja se aktivoidaan wglMakeCurrent(hDC,hRC) -kutsulla

• DirectX toimii kuitenkin hieman eri tavalla, koska se perustuu

Microsoftin COM-komponenttimalliin

28

DirectX ja COM • DirectX perustuu Microsoftin Component Object Model:iin

(COM)

• COM komponenteissa kantava idea on luoda komponentteja

(olioita) jolta komponenttien käyttäjä pyytää jotain tiettyä

interfacea käyttöönsä − Yksi komponentti sisältää usein monta erillistä interfacea

− Komponenttien erilliset interfacet eivät pääse toistensa sisältämään

tietoon tai toiminnallisuuteen käsiksi (muuten kuin normaaleja reittejä)

− Interfacet eivät muutu niiden julkaisun jälkeen

29

• Kaikki COM komponenttien interfacet periytetään IUnknown

interfacesta jolla on ainoastaan metodit: AddRef(),

QueryInterface() ja Release()

• ”Object” ja ”Interface” käsitteet sekavia MS:n omassa jopa

dokumentaatiossa − In casual usage, an object may sometimes be referred to by the name

of its principle interface. However, strictly speaking, the two terms are

not interchangeable

COM Object

IUnknown

Interface1

Interface2

30

Toimintaperiaate:

1) Käyttäjä pyytää interfacen joltain COM komponentilta

2) Komponentti antaa pyydetyn interfacen käyttäjälle ja lisää omaa reference

counttia AddRef() -metodilla jotta tietää montako interfacea siitä on tehty

3) Käyttäjä tekee saamallaan interfacella mitä haluaa

4) Käyttäjä ei tarvitse interfacea ja tuhoaa sen kaikille COM interfaceille

yhteisellä metodilla Release()

5) Release() -metodin seurauksenä COM komponentti (jolta interface oli

pyydetty) vähentää reference counttiaan, mikäli interface oli viimeinen

käytössä oleva interface tästä komponentista, komponentti tuhotaan.

Muuten siltä voi edelleen käyttää olemassaolevien osoittimien kautta.

31

• Release() ja AddRef() metodien taustalla on muistinkulutuksen

tehostaminen ja hallittavuuden parantaminen − Tavallisimpia ongelmia peleissä on muistin vuotamisesta aiheutuva

pelin kaatuminen (peleissä toistetaan usein samoja rutiineja erittäin

usein)

• COM interfacen metodien paluuarvot ovat usein HREF

tyyppisiä − Kertovat boolean tyyppisesti (tosin moniarvoisesti) tuloksen laadusta

− Tyypillisiä arvoja ovat: S_OK, E_FAIL (S -> Success, E -> Error)

• DirectX:n funktiot ottavat tyypillisesti parametrikseen jonkin

DX:n määrittelemän struktin, jonka jäseniä täytetään tarpeen

mukaan

32

Esimerkki: luodaan IDirect3D9 interface ja pyydetään siltä IDirect3DDevice9 g_pD3D = Direct3DCreate9( D3D_SDK_VERSION );

...

result = g_pD3D->CreateDevice( D3DADAPTER_DEFAULT,

D3DDEVTYPE_HAL,

hWndTarget,

D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING,

&d3dpp,

g_pDevice );

LPDIRECT3D9 g_pD3DCopy = g_pD3D;

g_pD3DCopy->AddRef();

...

g_pDevice->Release();

g_pD3DCopy->Release();

...

g_pD3D->Release();