PDF de programación - Desarrollo de Videojuegos: Programación Gráfica

Carlos González MorcilloJavier A. Albusac JiménezCésar Mora CastroSergio Fernández Durán2 Creative Commons License: Usted es libre de copiar, distribuir y comunicar públicamente la obra, bajo las condiciones siguientes: 1. Reconocimiento. Debe reconocer los créditos de la obra de la manera especificada por el autor o el licenciador. 2. No comercial. No puede utilizar esta obra para fines comerciales. 3. Sin obras derivadas. No se puede alterar, transformar o generar una obra derivada a partir de esta obra. Más información en: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/Título: Desarrollo de Videojuegos: Programación GráficaAutores: Carlos González Morcillo, Javier A. Albusac Jiménez, César Mora Castro, Sergio Fernández DuránISBN: 978-84-686-4026-6 (de la Edición Física, a la venta en www.bubok.es)Publica: Bubok (Edición Física) LibroVirtual.org (Edición electrónica)Edita: David Vallejo Fernández y Carlos González MorcilloDiseño: Carlos González MorcilloEste libro fue compuesto con LaTeX a partir de una plantilla de Carlos González Morcillo, Sergio García Mondaray y David Villa Alises. La portada y las entradillas fueron diseñadas con GIMP, Blender, InkScape y OpenOffice. Carlos González (2007, Doctor Europeo en Informática, Universidad de Castilla-La Mancha) es Profesor Titular de Universidad e imparte docencia en la Escuela de Informática de Ciudad Real (UCLM) en asignaturas relacionadas con Informática Gráfica, Síntesis de Imagen Realista y Sistemas Operativos desde 2002. Actualmente, su actividad investigadora gira en torno a los Sistemas Multi-Agente, el Rendering Distribuido y la Realidad Aumentada.Javier Albusac (2009, Doctor Europeo en Informática, Universidad de Castilla-La Mancha) es Profesor Ayudante Doctor e imparte docencia en la Escuela de Ingeniería Minera e Industrial de Almadén (EIMIA) en las asignaturas de Informática, Ofimática Aplicada a la Ingeniería y Sistemas de Comunicación en Edificios desde 2007. Actualmente, su actividad investigadora gira en torno a la Vigilancia Inteligente, Robótica Móvil y Aprendizaje Automático.César Mora (2013, Master en Computer Science por la Universidad de Minnesota, 2011 Ingeniero en Informática, Universidad de Casilla-La Mancha). Sus temas de interés están relacionados con la Informática Gráfica, la Visión Artificial y la Realidad Aumentada. Sergio Fernández (Finalizando estudios de Grado en Ingeniería Informática, Universidad de Castilla-La Mancha). Participó en la primera edición del Curso de Experto en Desarrollo de Videojuegos (UCLM). Actualmente trabaja como desarrollador iOS y Rails en Ático Estudio. Desarrollador de aplicaciones para iOS de forma independiente en vsoftworks. Prefacio

Con más de 40.000 descargas y 4TB servidos desde Junio de 2012,
el material docente y el código fuente de los ejemplos del Curso de Ex-
perto en Desarrollo de Videojuegos, impartido en la Escuela Superior
de Informática de Ciudad Real de la Universidad de Castilla-La Man-
cha, se ha convertido en un referente internacional en la formación de
desarrolladores de videojuegos.

Puedes obtener más información sobre el curso, así como los resul-
tados de los trabajos creados por los alumnos de la 1a y la 2a edición,
en la web del mismo: http://www.cedv.es. La versión electrónica de
este libro (y del resto de libros de la colección) puede descargarse des-
de la web anterior. El libro «físico» puede adquirirse desde la página
web de la editorial online Bubok en http://www.bubok.es.

Sobre este libro...

Este libro forma parte de una colección de 4 volúmenes, con un
perfil principalmente técnico, dedicados al Desarrollo de Videojuegos :

1. Arquitectura del Motor. En este primer libro se estudian los
aspectos esenciales del diseño de un motor de videojuegos, así
como las técnicas básicas de programación y patrones de diseño.

2. Programación Gráfica. El segundo libro de la colección se centra
en algoritmos y técnicas de representación gráfica, así como en
optimizaciones y simulación física.

3. Técnicas Avanzadas. En este tercer volumen se recogen ciertos
aspectos avanzados, como estructuras de datos específicas, téc-
nicas de validación y pruebas.

4. Desarrollo de Componentes. El último libro está dedicado a
ciertos componentes específicos del motor, como la Inteligencia
Artificial, Networking, Sonido y Multimedia o técnicas avanzadas
de Interacción.

Requisitos previos

Este libro tiene un público objetivo con un perfil principalmente
técnico. Al igual que el curso, está orientado a la capacitación de pro-
fesionales de la programación de videojuegos. De esta forma, este libro
no está orientado para un público de perfil artístico (modeladores, ani-
madores, músicos, etc.) en el ámbito de los videojuegos.

Se asume que el lector es capaz de desarrollar programas de nivel
medio en C y C++. Aunque se describen algunos aspectos clave de C++
a modo de resumen, es recomendable refrescar los conceptos básicos
con alguno de los libros recogidos en la bibliografía del curso. De igual
modo, se asume que el lector tiene conocimientos de estructuras de
datos y algoritmia. El libro está orientado principalmente para titula-
dos o estudiantes de últimos cursos de Ingeniería en Informática.

Programas y código fuente

El código de los ejemplos puede descargarse en la siguiente página
web: http://www.cedv.es. Salvo que se especifique explícitamente otra
licencia, todos los ejemplos del libro se distribuyen bajo GPLv3.

Agradecimientos

Los autores del libro quieren agradecer en primer lugar a los alum-
nos de la 1a y 2a edición del Curso de Experto en Desarrollo de Vi-
deojuegos por su participación en el mismo y el excelente ambiente
en las clases, las cuestiones planteadas y la pasión demostrada en el
desarrollo de todos los trabajos.

Los autores también agradecen el soporte del personal de adminis-
tración y servicios de la Escuela Superior de Informática de Ciudad
Real, a la propia Escuela y el Departamento de Tecnologías y Sistema
de Información de la Universidad de Castilla-La Mancha.

De igual modo, se quiere reflejar especialmente el agradecimiento
a las 8 empresas que ofertarán prácticas en la 3a edición del cur-
so: Devilish Games (Alicante), Dolores Entertainment (Barcelona), from
the bench (Alicante), Iberlynx Mobile Solutions (Ciudad Real), Kitma-
ker (Palma), playspace (Palma), totemcat - Materia Works (Madrid) y
Zuinqstudio (Sevilla). Este agradecimiento se extiende a los portales
y blogs del mundo de los videojuegos que han facilitado la difusión
de este material, destacando a Meristation, Eurogamer, Genbeta Dev,
Vidaextra y HardGame2.

Finalmente, los autores desean agradecer su participación a los
colaboradores del curso: Indra Software Labs, DocPath, la asociación
de desarrolladores de videojuegos Stratos y Libro Virtual.

Resumen

El objetivo de este módulo titulado “Programación Gráfica” del Cur-
so de Experto en Desarrollo de Videojuegos es cubrir los aspectos esen-
ciales relativos al desarrollo de un motor gráfico interactivo.

En este contexto, el presente módulo cubre aspectos esenciales y
básicos relativos a los fundamentos del desarrollo de la parte gráfica,
como por ejemplo el pipeline gráfico, como elemento fundamental de la
arquitectura de un motor de juegos, las bases matemáticas, las APIs de
programación gráfica, el uso de materiales y texturas, la iluminación
o los sistemas de partículas.

Así mismo, el presente módulo también discute aspectos relativos
a la exportación e importación de datos, haciendo especial hincapié en
los formatos existentes para tratar con información multimedia.

Finalmente, se pone de manifiesto la importancia del uso de ele-
mentos directamente conectados con el motor gráfico, como la simu-
lación física, con el objetivo de dotar de más realismo en el comporta-
miento de los objetos y actores que intervienen en el juego.

I

Índice general

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1. Fundamentos de Gráficos Tridimensionales .

1.1.

1.2.

Introducción .

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El Pipeline Gráfico .

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1.2.1. Etapa de Aplicación .

1.2.2. Etapa de Geometría .

1.2.3. Etapa Rasterización .

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1.2.4. Proyección en Perspectiva .

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1.3.

Implementación del Pipeline en GPU .

1.3.1. Vertex Shader .

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1.3.2. Geometry Shader .

1.3.3. Pixel Shader .

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Arquitectura del motor gráfico .

1.4.

1.5.

1.6.

Casos de Estudio .

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Introducción a OGRE .

1.6.1. Arquitectura General

1.6.2. Instalación .

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1.7.

Hola Mundo en OGRE .

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2. Matemáticas para Videojuegos .

2.1.

Puntos, Vectores y Coordenadas .

2.1.1. Puntos .

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2.1.2. Vectores .

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2.2.

Transformaciones Geométricas

2.2.1. Representación Matricial .

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III

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2.2.2. Transformaciones Inversas .

2.2.3. Composición.

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Perspectiva: Representación Matricial .

Cuaternios .

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2.4.1. Suma y Multiplicación.

2.4.2. Inversa .

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2.4.3. Rotación empleando Cuaternios .

Interpolación Lineal y Esférica .