Многие программисты так или иначе имеют тягу и интерес к разработке игр. Немалое количество спецов было замечено за написанием маленьких и миленьких игрушек, которые были разработаны за короткое время «just for fun». Большинству разработчиков за счастье взять готовый игровой движок по типу Unity/UE и попытаться создать что-то своё с их помощью, особенно упорные изучают и пытаются что-то сделать в экзотических движках типа Godot/Urho, а совсем прожжённые ребята любят писать игрушки… с нуля. Таковым любителем писать все сам оказался и я. И в один день мне просто захотелось написать что-нибудь прикольное, мобильное и обязательно — двадэшное! В этой статье вы узнаете про: написание производительного 2D-рендерера с нуля на базе OpenGL ES, обработку «сырого» ввода в мобильных играх, организацию архитектуры и игровой логики и адаптация игры под любые устройства. Интересно? Тогда жду вас в статье!
❯ Как это работает?
Конечно же разработка собственных игр с нуля — это довольно веселое и увлекательное занятие само по себе. Ведь удовольствие получает не только пользователь, который играет в уже готовую игру, но и её разработчик в процессе реализации своего проекта. В геймдеве есть множество различных и интересных задач, в том числе — и для программиста.
Один из прошлых проектов — 3D шутэмап под… коммуникаторы с Windows Mobile без видеоускорителей! Игра отлично работала и на HTC Gene, и на QTek S110!
В больших студиях принято всю нагрузку распределять на целые команды разработчиков. Артовики занимаются графикой, звуковики — музыкой и звуковыми эффектами, геймдизайнеры — продумывают мир и геймплей будущей игры, а программисты — воплощают всё это в жизнь. Однако, за последние 20 лет появилось довольно большое количествобесплатныхинструментов, благодаря которым маленькие команды или даже разработчики-одиночки могут разрабатывать собственные игры сами!
Подобные инструменты включают в себя как довольно функциональныеконструкторы игр, которые обычно не требуют серьёзных навыков программирования и позволяют собирать игру из логических блоков, так и полноценных игровых движков на манер Unity или Unreal Engine, которые позволяют разработчикам писать игры и продумывать их архитектуру самим. Можно сказать что именно «благодаря» доступности подобных инструментов мы можем видеть текущую ситуацию на рынке мобильных игр, где балом правят очень простые и маленькие донатные игрушки, называемыегиперкежуалом.
Но у подобных инструментов есть несколько минусов, которые банально не позволяют их использовать в реализации некоторых проектов:
Большой вес приложения: При сборке, Unity и UE создают достаточно объёмные пакеты из-за большого количества зависимостей. Таким образом, даже пустой проект может спокойно весить 50-100 мегабайт.
Неоптимальная производительность: И у Unity, и у UE очень комплексные и сложные рендереры «под капотом». Если сейчас купить дешевый смартфон за 3-4 тысячи рублей и попытаться на него накатить какой-нибудь 3 в ряд, то нас ждут либо вылеты, либо дикие тормоза.
Лично я для себя приметил ещё один минус — невозможность деплоить игры на устройства с старыми версиями Android, но это, опять же, моя личная хотелка.
Поэтому когда мне в голову пришла мысль сделать игрушку, я решил написать её с нуля — не используя никаких готовых движков, а реализовав всё сам — и игровую логику, и сам «движок» (правильнее сказать фреймворк). Не сказать, что в этом есть что-то очень сложное — в геймдеве есть отдельная каста «отшельников», которые называют себя «движкописателями» и пишут либо движки, либо игры — правда, не всегда хотя-бы одна игра доходит до релиза.
❯ Определяемся с задачами
Перед тем, как садится и пилить игрушку, нужно сразу же определится с целями и поставить перед собой задачи — какой стек технологий мы будет использовать, как будем организовать игровую логику, на каких устройствах игра должна работать и.т.п. Я прикинул и решил реализовать что-то совсем несложное, но при этом достаточно динамичное и забавное… 2D-шутер с видом сверху!
Игра будет написана полностью на Java — родном языке для Android-приложений. Пустые пакеты без зависимостей весят всего около 20 килобайт — что только нам на руку! Ни AppCompat, ни какие либо ещё библиотеки мы использовать не будем — нам нужен минимальный размер из возможных!
Итак, что должно быть в нашей игре:
Основная суть: Вид сверху, человечком по центру экрана можно управлять и стрелять во вражин. Цель заключается в том, чтобы набрать как можно больше очков перед тем, как игрока загрызут. За каждого поверженного врага начисляются баксы, за которые можно купить новые пушки!
Оружие: Несколько видов вооружения, в том числе пистолеты, дробовики, автоматы и даже пулеметы! Всё оружие можно купить в внутриигровом магазине за валюту, которую игрок заработал во время игры
Враги: Два типа врагов — обычный зомби и «шустрик». Враги спавнятся в заранее предусмотренных точках и начинают идти (или бежать) в сторону игрока с целью побить его.
Уровни: Можно сказать, простые декорации — на момент написания статьи без какого либо интерактива.
Поскольку игра пишется с нуля, необходимо сразу продумать необходимые для реализации модули:
Графика: Аппаратно-ускоренный рендерер полупрозрачных 2D-спрайтов с возможность аффинных трансформаций (поворот/масштаб/искривление и.т.п). На мобильных устройствах нужно поддерживать число DIP'ов (вызовов отрисовки) как можно ниже — для этого используется техника батчинга. Сам рендерер работает на базе OpenGLES 1.1 — т.е чистый FFP.
Ввод: Обработка тачскрина и геймпадов. Оба способа ввода очень легко реализовать на Android — для тачскрина нам достаточно повесить onTouchListener на окно нашей игры, а для обработки кнопок — ловить события onKeyListener и сопоставлять коды кнопок с кнопками нашего виртуального геймпада.
Звук: Воспроизведение как «маленьких» звуков, которые можно загрузить целиком в память (выстрелы, звуки шагов и… т.п), так и музыки/эмбиента, которые нужно стримить из физического носителя. Тут практически всю работу делает за нас сам Android, для звуков есть класс — SoundPool (который, тем не менее, не умеет сообщать о статусе проигрывания звука), для музыки — MediaPlayer. Есть возможность проигрывать PCM-сэмплы напрямую, чем я и воспользовался изначально, но с ним есть проблемы.
«Физика»: Я не зря взял этот пункт в кавычки :) По сути, вся физика у нас — это один метод для определения AABB (пересечения прямоугольник с прямоугольником). Всё, ни о какой настоящей физике и речи не идет :)
Поэтому, с учетом требований описанных выше, наша игра будет работать практически на любых смартфонах/планшетах/тв-приставках кроме китайских смартфонов на базе чипсета MT6516 без GPU из 2010-2011 годов. На всех остальных устройствах, включая самый первый Android-смартфон, игра должна работать без проблем. А вот и парк устройств, на которых мы будем тестировать нашу игру:
С целями определились, самое время переходить к практической реализации игры! По сути, её разработка заняла у меня около дву-трех дней — это с учетом написания фреймворка. Но и сама игра совсем несложная :)
❯ Рендерер
Начинаем, мы конечно же, с инициализации контекста GLES и продумывания архитектуры нашего будущего фреймворка. Я всегда ставил рендерер на первое место, поскольку реализация остальных модулей не особо сложная и их можно дописать прямо в процессе разработки игры.
По сути, в современном мире, 2D — это частный случай 3D, когда рисуются всё те же примитивы в виде треугольников, но вместо перспективной матрицы, используется ортографическая матрица определенных размеров. Во времена актуальности DirectDraw (середина-конец 90х) и Java-телефонов, графику обычно не делали адаптивной, из-за чего при смене разрешения, игровое поле могло растягиваться на всю площадь дисплея. Сейчас же, когда разброс разрешений стал колоссальным, чаще всего можно встретить два подхода к организацию проекции:
Установка ортографической матрицы в фиксированные размеры: Если координатная система уже была завязана на пиксели, или по какой-то причине хочется использовать именно её, то можно просто завязать игру на определенном разрешении (например, 480x320, или 480x800). Растеризатор формально не оперирует с пикселями — у него есть нормализованные координаты -1..1 (где -1 — начало экрана, 0 — середина, 1 — конец, это называется clip-space), а матрица проекции как раз и переводит координаты геометрии в camera-space координатах в clip-space — т.е в нашем случае, автоматически подгоняет размеры спрайтов из желаемого нами размера в физический. Обратите внимание, физические движки обычно рассчитаны на работу в метрических координатных системах. Попытки задавать ускорения в пикселях вызывают рывки и баги.
Перевод координатной системы с пиксельной на метрическую/абстрактную:
Сейчас этот способ используется чаще всего, поскольку именно его используют самые популярные движки и фреймворки. Если говорить совсем просто — то мы задаем координаты объектов и их размеры не относительно пикселей, а относительно размеров этих объектов в метрах, или ещё какой-либо абстрактной системы координат. Этот подход близок к обычной 3D-графике и имеет свои плюшки: например, можно выпустить HD-пак для вашей игры и заменить все спрайты на варианты с более высоким разрешением, не переделывая половину игры.
Для совсем простых игр я выбираю обычно первый подход. Самое время реализовать главный метод всего рендерера — рисование спрайтов. В моём случае, спрайты не были упакованы в атласы (одна текстура, содержащая в себе целую анимацию или ещё что-то в этом духе), поэтому и возможность выборки тайла из текстуры я реализовывать не стал. В остальном, всё стандартно:
Всё более чем понятно — преобразуем координаты спрайта из world-space в camera-space, отсекаем спрайт, если он находится за пределами экрана, задаем стейты для GAPI (на данный момент, их всего два), заполняем вершинный буфер геометрией и рисуем на экран. Никакого смысла использовать VBO здесь нет, а на nio-буфферы можно получить прямой указатель без лишних копирований, так что никаких проблем с производительностью не будет. Обратите внимание — вершинный буфер выделяется заранее — аллокации каждый дравколл нам не нужны и вредны.
Обратите внимание на вызовы ByteBuffer.order — это важно, по умолчанию, Java создаёт все буферы в BIG_ENDIAN, в то время как большинство Android-устройств — LITTLE_ENDIAN, из-за этого можно запросто накосячить и долго думать «а почему у меня буферы заполнены правильно, но геометрии на экране нет!?».
В процессе разработки игры, при отрисовке относительно небольшой карты с большим количеством тайлов, количество вызовов отрисовки возросло аж до 600, из-за чего FPS в игре очень сильно просел. Связано это с тем, что на старых мобильных GPU каждый вызов отрисовки означал пересылку состояния сцены видеочипу, из-за чего мы получали лаги. Фиксится это довольно просто: реализацией батчинга — специальной техники, которая «сшивает» большое количество спрайтов с одной текстурой в один и позволяет отрисовать хоть 1000, хоть 100000 спрайтов в один проход! Есть два вида батчинга, статический — когда объекты «сшиваются» при загрузке карты/в процессе компиляции игры (привет Unity) и динамический — когда объекты сшиваются прямо на лету (тоже привет Unity). На более современных мобильных GPU с поддержкой GLES 3.0 есть также инстансинг — схожая технология, но реализуемая прямо на GPU. Суть её в том, что мы передаём в шейдер параметры объектов, которые мы хотим отрисовать (матрицу, настройки материала и.т.п) и просим видеочип отрисовать одну и ту же геометрию, допустим, 15 раз. Каждая итерация отрисовки геометрии будет увеличивать счетчик gl_InstanceID на один, благодаря чему мы сможем расставить все модельки на свои места! Но тут уж справедливости ради стоит сказать, что в D3D10+ можно вообще стейты передавать на видеокарту «пачками», что здорово снижает оверхед одного вызова отрисовки.
Для загрузки спрайтов используется встроенный в Android декодер изображений. Он умеет работать в нескольких режимах (ARGB/RGB565 и.т.п), декодировать кучу форматов — в том числе и jpeg, что положительно скажется на финальном размере игры.
На этом реализация рендерера закончена. Да, все вот так просто :)
Переходим к двум остальным модулям — звук и ввод.
❯ Звук и ввод
Как я уже говорил, звук я решитл реализовать на базе уже существующей звуковой подсистемы Android. Ничего сложного в её реализацир нет, можно сказать, нам остаётся лишь написать обёртку, необходимую для работы. Изначально я написал собственный загрузчик wav-файлов и хотел использовать AudioTrack — класс для воспрозизведения PCM-звука напрямую, но мне не понравилось, что в нём нет разделения на источники звука и буферы, из-за чего каждый источник вынужден заниматься копированием PCM-потока в новый и новый буфер…
Полная реализация звукового потока выглядит так. И да, с SoundPool нет возможности получить позицию проигрывания звука или узнать, когда проигрывание закончилось. Увы.
Да будет звук! Ну и про ввод не забываем (листинг получился слишком длинный, а на Пикабу нет тега для кода - так что как-то так):
Сама реализация джойстика крайне простая — запоминаем координаты, куда пользователь поставил палец и затем считаем дистанцию положения пальца относительно центральной точки, параллельно нормализововая их относительно максимальной дистанции:
Кроме того, я добавил вспомогательный метод для вызова диалога ввода текста — это для таблицы рекордов и прочих фишек, которые требуют ввода текста пользователем. Ну не будем же мы сами клавиатуру костылить!
Основа для игры есть, теперь переходим к её реализации!
❯ Пишем игру
Писать игру я начал с создания первого уровня и реализации загрузчика уровней. В качестве редактора, я выбрал популярный и широко-известный TileEd — удобный редактор с возможностью экспорта карт в несколько разных форматов. Я лично выбрал Json, поскольку в Android уже есть удобный пакет для работы с этим форматом данных.
Карта делится на 3 базовые понятия: тайлы — фон, с изображением травы/асфальта/земли и.т.п, пропы — статичные объекты по типу деревьев и кустов и сущности — объекты, участвующие в игровом процессе, т.е игрок, зомби и летящие пули. Система сущностей реализована в виде абстрактного базового класса, который реализовывает логику апдейтов, просчитывает Forward-вектор и выполняет другие необходимые задачи:
После этого, я приступил к реализации игрока, оружия и механики стрельбы. В целом, практически всю логику игрока можно описать в виде одного метода update: обрабатываем ввод и ходьбу с джойстика, поворачиваем игрока в сторону пальца на экране и пока зажата какая-либо область на экране мы ходим и стреляем:
Ну и не забываем про реализацию зомби. Она тоже очень простая: есть базовый класс Zombie, от которого наследуются все монстры и который реализует несколько необходимых методов — повернуться в сторону игрока, идти вперед и конечно же атака!
❯ Что у нас есть на данный момент?
Честно сказать, статья итак уже получилась слишком длинной. Я очень хотел написать игру, о разработке которой можно было бы рассказать в рамках одной не особо большой статьи, но с моим стилем написания текстов так сделать не выйдет. Придется разбивать на части!
Однако, некоторый прогресс уже есть и мы можем даже поиграть в игру на текущем ее этапе!
Как мы видим, игра (а пока что — proof of concept) работает довольно неплохо на всех устройствах, которые были выбраны для тестирования. Однако это ещё не всё — предстоит добавить конечную цель игры (набор очков), магазин стволов и разные типы мобов. Благо, это всё реализовать уже совсем несложно :)
❯ Заключение
Написать небольшую игрушку с нуля в одиночку вполне реально. Разработка достаточно больших проектов конечно же требует довольно больших человекочасов, однако реализовать что-то своё, маленькое может и самому!
Пишите своё мнение в комментариях. Если вам вдруг интересна тематика самопальной разработки игр, то постараюсь выпускать подобные статьи почаще!
Статья подготовлена при поддержке компании TimeWeb Cloud. Подписывайтесь на меня и @Timeweb.Cloud, чтобы не пропускать новые статьи каждую неделю!
Но тут я даже чутка навру - на этой неделе вас ждёт сразу две статьи :) Следующая - в четверг, прошлую неделю я отдыхал и работал.
