Creación automática de contenido gráfico

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA Trabajo Final de Máster Creación automática de contenido gráfico MUIARFID Presentado por: Héctor Mayor Giménez Dirigido por: Roberto Agustín Vivó Hernando Valencia, 2015 Resumen Éste proyecto describe un Generador Automático de Terreno (GAT), una aplicación que genera de forma automática y aleatoria mapas de terreno. Se ha predefinido una serie de tipos de mapas para diferentes entornos, por ejemplo, se ha definido el tipo isla que como el nombre indica genera un isla rodeado de agua. Los mapas de terreno cuentan con vegetación añadida para darle mayor realismo, así como agua para los entornos en los que se precisa. Todos los entornos tienen infinitas composiciones de terreno, ya que se generan automáticamente y aleatoriamente, por lo tanto es casi imposible encontrarse dos mapas generados iguales, lo mismo ocurre con la vegetación. En éste documento se describen todas las características usadas en la aplicación, así como los métodos empleados, como se generan los terrenos y sus diferentes tipos implementados. III IV RESUMEN Abstract This project describes an automatic generator of land (GAT), an application that automatically generates terrain maps. There are a number of predefined map types for different environments, for example, it has defined the island type, as the name suggests, generates an island surrounded by water. The terrain maps feature vegetation, which is added to give more realism as well as water for the environments in which it is necessary. All environments have infinite compositions of lands, since they are automatically and randomly generated, so it is almost impossible to find two identical generated maps, the vegetation is also generated automatically and randomly. This document describes all the features used in the application as well as the methods used, how the land are generated and how the different types are implemented. V VI ABSTRACK Índice Resumen III Abstract V 1. Introducción, motivación y objetivos ......................................................................................... 1 1.1 Introducción .................................................................................................................................. 1 1.2 Motivación .................................................................................................................................... 2 1.3 Objetivos ....................................................................................................................................... 2 2. Estado del arte ......................................................................................................................... 3 3. Software utilizado .................................................................................................................... 4 3.1 Introducción .................................................................................................................................. 4 3.2 OpenScenegrahp ........................................................................................................................... 4 3.3 Introducción .................................................................................................................................. 4 4. Diseño ...................................................................................................................................... 7 4.1 Introducción .................................................................................................................................. 7 4.2 Simplex Noise ................................................................................................................................ 7 4.3 Terreno .......................................................................................................................................... 8 4.3.1 Introducción ........................................................................................................................... 8 4.3.2 Tipos de terreno ..................................................................................................................... 9 4.3.2.1 Isla.................................................................................................................................... 9 4.3.2.2 Río .................................................................................................................................. 10 4.3.2.3 Desierto ......................................................................................................................... 11 4.3.2.4 Archipiélago ................................................................................................................... 12 4.3.2.5 Cordillera ....................................................................................................................... 13 4.4 Vegetación ................................................................................................................................... 14 4.4.1 Introducción ......................................................................................................................... 14 4.4.2 Método aplicado .................................................................................................................. 14 4.5 Iluminación .................................................................................................................................. 15 4.5.1 Introducción ......................................................................................................................... 15 4.5.2 Algoritmo de phong .............................................................................................................. 15 4.6 Agua ............................................................................................................................................. 16 4.6.1 Introducción ......................................................................................................................... 16 4.6.2 Método aplicado .................................................................................................................. 16 5. Conclusiones .......................................................................................................................... 18 5.1 Introducción ................................................................................................................................ 18 5.2 Trabajo futuro y mejoras ............................................................................................................. 18 6. Bibliografía ............................................................................................................................. 19 1 Capítulo 1 1. Introducción, motivación y objetivos 1.1 Introducción La industria de videojuegos ha experimentado en los últimos años altas tasas de crecimiento, debido al desarrollo de la computación, capacidad de procesamiento, imágenes más reales y la estrecha relación entre películas de cine y los videojuegos, con lo cual los consumidores reconocen los títulos cada vez más pronto. En la década de 2000, los videojuegos han pasado a generar más dinero que la del cine (solo entradas vendidas) y la música juntas, como en el caso de España. La industria de los videojuegos está aumentando considerablemente últimamente y cada vez es mayor el número de personas que juega habitualmente a videojuegos, y se espera que en los próximos años se incremente aún más. La figura 1.0 muestra cómo ha ido aumentando el beneficio obtenido a través de videojuegos y las previsiones para los próximos años. Figura 1: Ventas videojuegos a lo largo de los años 2 1.2 Motivación Dada la gran cantidad de videojuegos que se crean anualmente y la necesidad de éstos por crear terrenos en los que se desarrolla la actividad, cuyo coste de tiempo es muy elevado dado que la generación del mismo no es nada trivial y se necesita mucha dedicación para desarrollarlo, ha motivado a la creación de ésta aplicación para generar el terreno de forma automática, con el consiguiente ahorro de tiempo que se podrá dedicar a otras tareas. Mediante el uso del proyecto desarrollado se podría eliminar el tiempo empleado a la generación de terrenos y dedicarlo a otros menesteres. 1.3 Objetivos El objetivo de éste proyecto es la creación de un programa que genere un terreno de forma automática, esquematizada y aleatoria, que satisfaga las necesidades de los proyectos que necesitan éste tipo de mapas de entorno. Se han planteado una serie de objetivos para éste proyecto, así como posibles ampliaciones que pudieran mejorar lo desarrollado en éste proyecto. A continuación se exponen los objetivos que se pretenden cumplir con este proyecto:  Generar un mapa de alturas aleatorio que represente el terreno de forma automática.  Aplicar diferentes texturas al terreno dependiendo del tipo que se trate.  Incluir vegetación en el mapa generado de forma aleatoria y automática  Añadir agua para aquellas regiones que se encuentren por debajo del nivel del mar.  Añadir iluminación para dar forma a la escena. Todos éstos objetivos se han realizado y se van a explicar detalladamente en otras secciones del documento. 9 4.3.2 Tipos de terreno 4.3.2.1 Isla Se trata de un tipo de terreno que consta de una isla en el centro que está rodeada de agua. Para generar éste tipo de terreno se ha utilizado sólo el algoritmo base, se han establecido los límites del algoritmo de forma que la parte central de la isla quedara por encima del nivel del mar y los extremos quedaran sumergidos en el agua. Aparte se ha añadido la vegetación de forma aleatoria y se han aplicado las texturas correspondientes a éste tipo de mapa, así como los colores, dependiendo de la altura a la que se encuentren cada punto dentro del mapa de entorno. Figura 3: Isla Figura 4: Isla con vista horizontal 10 4.3.2.2 Río Para generar éste tipo de terreno se ha utilizado sólo el algoritmo base, se han establecido los límites del algoritmo de forma que la parte central del mapa está sumergida simulando un río. Se ha reforzado el algoritmo en los extremos del mapa, puesto que al generarse aleatoriamente las elevaciones, en los extremos se produce el efecto de que tiende a estar a una altitud menor, puesto que en las zonas fuera del mapa no se aplica el algoritmo. En las siguientes figuras podemos observar cómo queda éste tipo de terreno. Figura 5: Rio desde arriba Figura 6: Rio con vista horizontal 11 4.3.2.3 Desierto Éste tipo de terreno simula un posible desierto, en el que se incluye una vegetación distinta, los cactus, que se generan automáticamente de la misma forma que se generan los árboles. Para generar éste tipo de terreno se ha utilizado sólo el algoritmo base, no se han puesto límites puesto que este tipo de terreno es todo tierra y no contiene agua. Las texturas utilizadas también son diferentes para que dé efecto de arena, y no se diferencia el color en base a la altura del terreno. Figura 7: Desierto desde arriba Figura 8: Desierto con vista horizontal 12 4.3.2.4 Archipiélago Éste tipo de mapa ha sido creado para mostrar los reflejos que se producen en el agua. Para éste tipo no se ha utilizado el terreno base, puesto que la sensación que queremos transmitir es la de un archipiélago con distintas montañas rodeadas de agua. Para ello se ha utilizado el método para crear montañas y se ha aplicado una textura acorde para ello. Éste mapa es el mejor ejemplo para observar cómo se producen los reflejos en el agua tal y como se puede ver en las figuras. Figura 9: Archipiélago Figura 10: Archipiélago con reflejos 13 4.3.2.5 Cordillera Éste tipo de terreno también utiliza el algoritmo principal para generar la base. Aparte se utiliza el método para generar las montañas de forma similar al del archipiélago pero con una altura un poco menor. Como en los demás mapas se añade la vegetación y se le aplica la textura más adecuada. Figura 11: Cordillera desde arriba Figura 12: Cordillera con vista horizontal 14 4.4 Vegetación 4.4.1 Introducción Los modelos de vegetación utilizados para éste proyecto han sido recopilados de internet y tienen licencia gratuita. Openscenegraph es capaz de leer modelos en 3D en diferentes formatos, pero para un uso óptimo de la herramienta se recomienda pasarlos a un formato propio .osg. Para ello openscenegraph nos ofrece una herramienta para convertir otros tipos de modelos 3D en su formato. La herramienta de conversión no es perfecta y tiene dificultades y errores en pasar algunos modelos, pero funciona medianamente bien para la mayoría de los modelos. La herramienta llamada osgconv es un ejecutable fácil de usar que basta con pasarle el modelo a convertir, por su parte tiene más opciones para modificar la posición, rotación, escalado etc… 4.4.2 Método aplicado La vegetación predeterminada ha sido de un árbol sencillo y de pocos polígonos, ya que se ha probado con modelos más complejos pero bajaba mucho el rendimiento y se ha decidido trabajar con modelos con un número bajo de polígonos. Para introducir la vegetación en el mapa se define el número de árboles que se van a generar y se ejecuta un algoritmo con las siguientes características:  Se van colocando uno a uno los arboles hasta que estén todos localizados.  Los arboles siempre tienen que estar sobre el nivel del mar.  Cada tipo de terreno además impone sus propias reglas, como por ejemplo el de la cordillera que no se colocan en cierta altitud.  El tipo desierto tiene un tipo de vegetación especial, se han cambiado los arboles por cactus. 15 4.5 Iluminación 4.5.1 Introducción Se ha creado un sistema de iluminación basándose en el algoritmo de phong, para ello se ha creado una fuente de luz puntual que se mueve de manera circular por el terreno y que es posible detenerla para poder observar con mayor detalle la escena. 4.5.2 Algoritmo de phong Phong shading se refiere a una técnica de interpolación para superficies en gráficos por ordenador en 3D. También se le llama interpolación Phong. En concreto, se interpola normales a la superficie a través de polígonos rasterizados y calcula colores de los píxeles en base a las normales interpoladas y un modelo reflexión. Phong es un modelo empírico de la iluminación local. Se describe la forma en que una superficie refleja la luz como una combinación de la reflexión difusa de las superficies ásperas con la reflexión especular de superficies brillantes. El modelo también incluye un término ambiente para dar cuenta de la pequeña cantidad de luz que se dispersa sobre toda la escena. El algoritmo de phong se puede implementar tanto en el shader de vértices como en el de fragmentos, para ésta práctica se ha optado por implementarlo en el shader de fragmentos ya que genera una iluminación de mayor calidad al aplicarse el algoritmo a cada pixel de la pantalla, en lugar de a cada vértice de los polígonos. 16 4.6 Agua 4.6.1 Introducción Para la generación de terreno es necesario la simulación de agua, ya que aporta realismo al terreno y es necesaria para generar algunos tipos de terreno que se han implementado. Para la simulación del agua se han utilizado varias técnicas que se detallan a continuación. 4.6.2 Método aplicado Para definir el agua se ha creado una malla que simula el oleaje, para ello se utiliza una imagen en escala de grises que representa la altura de cada uno de los puntos de dicha malla. Para realizar el movimiento de las olas con respecto al tiempo, lo que se hace es “mover” la imagen conforme va pasando el tiempo para definir las nuevas alturas a los puntos de la malla, de tal forma que se crea una especie de oleaje. Ilustración 1: Imagen que representa el oleaje 17 Para texturizar el agua se utiliza una imagen semitransparente para que realce más el efecto del agua. Por otra parte se ha simulado el reflejo del terreno en la malla del agua, para ello se ha utilizado la siguiente técnica:  Se define un esténcil sobre la malla del agua, para que el terreno que se pintará más adelante solo se vea a través de la malla del agua.  Se configura el buffer de profundidad para que sea la mayor posible. Esto se hace para que cuando se valla a dibujar el terreno en la siguiente fase no interfiera con el resto de la escena.  Se dibuja el terreno volteado sobre el esténcil.  Se dibuja la malla que representa al agua. Por otra parte en el shader que se trata y se modifica la posición de la imagen respecto al tiempo, se crea una modificación del terreno invertido para que concuerde con el movimiento de las olas, para ello se modifica la posición z de los vértices del terreno invertido variándolo en proporción con la altura de la ola. También se crea un ruido sobre el terreno invertido, para ello se utiliza una imagen para definir la cantidad de dicho ruido en cada punto del terreno, éste ruido se aplica a la componente x e y de los puntos del terreno. Todo ésto, resulta en un reflejo sobre el agua que se asemeja bastante a cómo sería en la realidad. Figura 13: Reflejos 18 Capítulo 5 5. Conclusiones 5.1 Introducción En éste proyecto se ha conseguido crear una base para un generador de terreno automático que podría dar paso a una herramienta que fuese utilizada por las empresas de videojuegos que necesiten crear entornos aleatorios dentro de unos patrones para permitir la rejugabilidad de sus juegos. Esto sería un gran avance, ya que permitiría a muchas empresas no tener que preocuparse más de lo que deberían en crear los diferentes mapas del juego para que sean diferentes, ya que bastaría con crear el tipo en cuestión, y a partir de ahí se irían creando automáticamente los diferentes subtipos. Éste proyecto me ha hecho ver que es posible la creación automática de terreno, y que en un futuro no muy lejano, cuando se estudie más acerca del tema y las desarrolladoras se metan de lleno en ello , todas las compañías utilizarán éste tipo de software, ya que les facilitaría mucho el trabajo y ahorrarían mucho tiempo y dinero. 5.2 Trabajo futuro y mejoras Generador Automático de Terreno (GAT) es una aplicación en proceso de desarrollo sobre la que se va a seguir trabajando y añadiendo las siguientes mejoras:  Extender la vegetación para añadir nuevos tipos de árboles para crear otros posibles entornos.  Añadir vegetación a ras del suelo, es decir, hierba y otros tipos de vegetación similares.  Añadir vegetación acuática dentro del agua o sobre ella.  Añadir sombras al entorno, para realzar más el terreno y darle mayor realismo.  Crear un editor de tipos de terreno, no de terreno, sino un creador de tipos de terreno, es decir, que el usuario sea capaz de definir un tipo de terreno igual que los que se han implementado en éste proyecto, pero mediante una herramienta con interfaz gráfica.  Añadir fauna que no interfieran sobre el mapa, como por ejemplo pájaros, peces, etc...