para Plataforma Android Francisco Javier Ortiz Quetglas 25 de Junio de 2014 Tutor José María Buades Rubio

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Motor de Videojuegos

para Plataforma Android

Francisco Javier Ortiz Quetglas Tutor

Jos´e Mar´ıa Buades Rubio Escola Polit`ecnica Superior Universitat de les Illes Balears

25 de Junio de 2014

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Contenido

1 Contexto 2 Introducci´on 3 Objetivos 4 Concepto 5 Caracter´ısticas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario 6 Estructura 7 Dedicaci´on 8 Pruebas 9 Conclusiones 2 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Contexto

• Actualmente la media de gasto en desarrollo por

videojuegos se mueve entre 7.4 y 9.7 millones de euros.

• Con la aparici´on de las plataformas Android, iOS y

Windows Phone han aumentado el numero de empresas que se dedican exclusivamente a desarrollar videojuegos para m´ovil.

• En 2010, se tuvieron unas ganancias de 87.000 millones de

d´olares debido solamente a la publicidad incluida en los videojuegos para m´ovil.

• Es un mercado que esta creciendo muy r´apidamente y de

f´acil acceso. Licencias de bajo coste.

• Windows Phone: Cuota anual de 99 d´olares. • iOS: Cuota anual de 99 d´olares.

• Android: Pago ´unico de 25 d´olares.

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

¿Qu´

e es un Motor de Videojuegos?

Definici´on

Un motor de videojuegos es un t´ermino que hace referencia a

una serie de rutinas de programaci´on que permiten el dise˜no, la creaci´on y la representaci´on de un videojuego.

• Arquitectura basada en capas.

• No se necesitan conocimientos de librer´ıas gr´aficas o plataforma.

• Facilidad de creaci´on de videojuegos.

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Objetivos

• Renderizaci´on de objetos 2D y 3D. • Sistema de sonido. • Sistema de part´ıculas. • Sistema de f´ısicas 2D. • Detecci´on de colisiones. • Carga de modelos 3D. • Animaci´on de modelos 3D.

• Uso de shaders personalizados para la renderizaci´on.

• Interfaz de Usuario.

• El programador que use el motor de videojuegos no

necesita tener conocimientos deAndroid o de las librer´ıas

gr´aficas.

• Proporcionar herramientas para debugging y rendimiento.

• Implementar peque˜na demostraci´on del MDV.

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Limites

Limitaciones

Probablemente es imposible hacer un motor para crear

cualquier videojuego de forma ´optima. Los motores de uso

general son menos ´optimos en calidad e im´agenes por segundo.

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Arquitectura(I)

7 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Arquitectura(I)

7 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Arquitectura(II)

8 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Arquitectura(II)

8 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Arquitectura(III)

9 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Arquitectura(III)

9 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Caracter´ısticas

Herramientas utilizadas para el TFG:

• SDK de Android.

• Entorno Eclipse.

• Blender.

• Maquina virtual Android.

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Librer´ıas OpenGL

Se dispone de tres versiones:

• OpenGL ES 1.1(Android 1.0+)

• OpenGL ES 2.0(Android 2.2+)

• OpenGL ES 3.0(Android 4.3+)

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Librer´ıas OpenGL

Se dispone de tres versiones:

• OpenGL ES 1.1(Android 1.0+)

• OpenGL ES 2.0(Android 2.2+)

• OpenGL ES 3.0(Android 4.3+)

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

M´

odulo: Gestor de Recursos

El gestor de recursos se encarga de asegurar que solamente existe una copia en memoria de un determinado recurso. Se

guardan de formaconsistente e integra. Los gestores de

recursos son: • Gestor de C´amaras • Gestor de Materiales • Gestor de Modelos • Gestor de Shader • Gestor de Sonido • Gestor de Texturas 12 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

M´

odulo: Modelos 3D(I)

Hay varios formatos a la hora de cargar modelos 3D:

Formato Animaci´on Calidad

MD2 (Quake II) S´ı Media

MD3 (Quake III) S´ı Alta

Wavefront No Alta

Autodesk 3ds Max No Alta

DirectX No Media

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

M´

odulo: Modelos 3D(I)

Hay varios formatos a la hora de cargar modelos 3D:

Formato Animaci´on Calidad

MD2 (Quake II) S´ı Media

MD3 (Quake III) S´ı Alta

Wavefront No Alta

Autodesk 3ds Max No Alta

DirectX No Media

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

M´

odulo: Modelos 3D(II) Formato Wavefront

El formato WaveFront se compone de los siguientes elementos:

• V´ertices geom´etricos (v)

• V´ertices de textura (vt) • V´ertices de normales (vn) • Cara (f) vx y z vttx ty vn nx ny nz f v/vt/vn v/vt/vn v/vt/vn ... 14 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

M´

odulo: Renderizaci´

on

Se han utilizado una serie deshader para renderizar todos los

posibles casos de renderizaci´on que puede necesitar el motor de

videojuegos. Losshader implementados son:

• Per pixel shading.

• Textura.

• Per pixel shading + Textura.

• Sprite.

• Efectos Post-proceso.

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

M´

odulo: Sonido

Dos posibles librer´ıas:MediaPlayer ySoundPool. Se ha

utilizadoSoundPool porque permite mantener en memoria el

sonido listo para reproducirse y reproducir varios sonidos

simult´aneamente. La operaciones que se pueden efectuar sobre

los sonidos son:

• Pausar todos los sonidos.

• Reanudar todos los sonidos.

• Mirar si un sonido se esta reproduciendo.

• A˜nadir un sonido.

• Eliminar un sonido.

• Reproducir un sonido (una vez o infinitamente).

• Pausar un sonido.

• Reanudar un sonido.

• Parar un sonido.

• Cambiar propiedades del sonido(velocidad y volumen).

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

M´

odulo: F´ısicas - Herramientas

Se han dado herramientas para modelizar el terreno en 2D. Se

forma un segmento de terreno a partir dedos puntos(P1 y

P2). Estos dos puntos forman una recta:

x−P1.x P2.x−P1.x−

y−P1.y P2.y−P1.y = 0

Se proporcionan herramientas para comparar la posici´on de los

diferentes elementos de la escena respecto a estos segmentos de terreno.

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

M´

odulo: F´ısicas - Simulaci´

on

Se efect´ua la simulaci´on de las f´ısicas de formaiterativa.

Adem´as se limita el ratio de FPS a valores de 60, 45, 30, 29,

28, 27... para ahorrar recursos de CPU y mantener ratios de FPS estables.

La simulaci´on se encarga de gestionar en que instantes de

tiempo se ejecutan las f´ısicas de cada actor/objeto, manteniendo un tiempo estable entre ejecuciones.

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

M´

odulo: Efectos de Post-proceso

Se han implementado los efectos de post-proceso:

• Glow

• Blanco y Negro

• Sepia

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

M´

odulo: Efectos de Post-proceso

Se han implementado los efectos de post-proceso:

• Glow

• Blanco y Negro

• Sepia

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

M´

odulo: Efectos de Post-proceso

Se han implementado los efectos de post-proceso:

• Glow

• Blanco y Negro

• Sepia

La forma en que se aplican estos efectos es:

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

M´

odulo: Sistema de Part´ıculas

El sistema de part´ıculas se compone de tres elementos clave:

• Part´ıculas: Cada part´ıcula tiene un tama˜no, posici´on, tiempo de vida y velocidad.

• Simulaci´on del sistema: Mantiene numero estable de part´ıculas y simula la aparici´on y desaparici´on de estas.

• Renderizaci´on del sistema: Renderiza las part´ıculas del sistema.

En la renderizaci´on se dibujan las part´ıculas como cuadrados que siempre miran hacia la c´amara utilizando la t´ecnica del

Billboarding.

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

M´

odulo: Interfaz de Usuario

Se han definido una serie de elementos para proporcionar al usuario una interfaz con el videojuego. Estos elementos son:

• Botones

• Joystick

• Sprites

• Texto

• Fondo

Estos elementos se encuentran posicionados seg´un los bordes

de la pantalla: izquierda, centro, derecha, arriba y abajo.

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Estructura de Classes

22 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Estructura de Classes

22 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Estructura de Classes

22 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Estructura de Classes

22 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Estructura de Classes

22 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Estructura de Classes

22 / 27

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Dedicaci´

on

• Semana 1-2: Trabajo previo. • Semana 3: Esqueleto de Renderizaci´on. • Semana 4-5: Carga modelo 3D.

• Semana 6-7: Optimizaci´on Carga modelo 3D. • Semana 8: Sprites.

• Semana 9: Interfaz de Usuario. • Semana 10: Documento dise˜no videojuego. • Semana 11: Sistema de Part´ıculas • Semana 12: Texto y Billboarding Part´ıculas. • Semana 13-14: Efectos de Post-proceso • Semana 15: Revisi´on y correcci´on. • Semana 16: Animaci´on de modelos 3D. • Semana 17: Herramientas de terreno. • Semana 18: Simulaci´on.

• Semana 19: Sistema de f´ısicas. • Semana 20-21: Correci´on y optimizaci´on. • Semana 22-23: Videojuego de Ejemplo. • Semana 24: Sistema de Sonido.

• Semana 25-27: Documentaci´on y correcci´on bugs. • Semana 28: Presentaci´on.

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Pruebas

Se ha hecho un videojuego de ejemplo con todas las caracter´ısticas del motor y se ha probado en los siguientes dispositivos satisfactoriamente.

• Xperia S - Android 2.3.7

• Samsung S3 - Android 4.0

• Tablet iJoy X2 - Android 4.1.1

• LG Optimus L5 - Android 4.1.2

• Sony Xperia L - Android 4.2.2

• Nexus 5 - Android 4.4.2

• Moto G - Android 4.4.2

• Nexus 4 - Android 4.4.3

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

Conclusiones

• Renderizaci´on de objetos 2D y 3D. • Sistema de sonido. • Sistema de part´ıculas. • Sistema de f´ısicas 2D. • Detecci´on de colisiones. • Carga de modelos 3D. • Animaci´on de modelos 3D.

• Uso de shaders personalizados para la renderizaci´on.

• Interfaz de Usuario.

• El programador que use el motor de videojuegos no

necesita tener conocimientos deAndroid o de las librer´ıas

gr´aficas.

• Proporcionar herramientas para debugging y rendimiento.

• Implementar peque˜na demostraci´on del MDV.

• Efectos de post-proceso.

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones

L´ıneas futuras

• Editor para el motor.

• A˜nadir tipos de iluminaci´on m´as complejos.

• Sistema de archivosscript.

• Efectos de post-proceso m´as avanzados.

• Sombras.

• M´as tipos de elementos de interfaz.

• M´as formatos para modelos 3D.

• Uso de librer´ıas de sonido m´as complejas.

• Compatibilidad con OpenGL 1.1 y 3.0.

• Multijugador/Networking.

• Etc´etera.

Motor de Videojuegos Contexto Introducci´on Objetivos Concepto Caracter´ısti-cas OpenGL Recursos Modelos 3D Renderizaci´on Sonido F´ısicas Post-Proceso Part´ıculas Interfaz Usuario Estructura Dedicaci´on Pruebas Conclusiones 27 / 27