Raycaster-pelimoottori 1: Alkuvalmistelut ja pelitila

Joillekin ei riitä kaksi ulottuvuutta. Tai akselia. Tai suuntaa. Miten vain. Mutta ei minullekaan, eli uteliaisuus vei voiton ja pakotti selvittämään, taipuuko Allegro-kirjasto "kolmiulotteisen", ns. raycaster-pelimoottorin sujuvaan pyörittämiseen. Taipuihan se, tosin Lode Vandevennen raycaster-tutoriaalin ja ChatGPT:n isolla avustuksella. Koodataanpa siis raycaster-pelimoottori!

Raycaster on simppelein mahdollinen FPS-pelimoottori, sillä vaikka näkymä on pelaajan silmistä eli ensimmäisestä persoonasta, kaikki liike tapahtuu kahdella akselilla, eli X:llä ja Y:llä. Z-akselin puuttuessa pystysuuntaista liikettä ei siis ole ollenkaan, eikä kentissä ole korkeuseroja. Lisäksi kentät rakennetaan samanlaisella ruudukolla kuin aiemmin tekemässämme tasohyppelypelissä, eli kentät koostuvat ikään kuin isoista Minecraft-palikoista. 90-luvun raycaster-pelit halusivatkin nimiinsä usein taikakoodin 3-D tai 3D, mikä on klassinen mainosihmisten keino väittää tuotteen olevan jotain, mitä se ei ole. Täydestä meni esimerkiksi tapauksissa Nitemare 3-D (1994), Super 3D Noah's Ark (1994) sekä tietysti Wolfenstein 3-D (1992).

Super 3D Noah's Ark.

Nitemare 3-D.

Wolfenstein 3-D.

Alkuvalmistelut

Ihan ensimmäiseksi, jos et vielä ole pystyttänyt kehitysympäristöä, tee se seuraavien postausten ohjeilla:

Tasohyppelypelin tapauksessa työstimme vain kahta tiedostoa: main.c-lähdekooditiedostoa sekä main.h-otsikkotiedostoa. Tulevaan projektiin tulee kuitenkin sen verran paljon koodia, että se kannattaa jakaa useampaan lähdikooditiedostoon.

Tässä postauksessa valmistellaan siis uusi, "kolmiulotteinen" pelimoottoriprojekti. Luo seuraavat lähdekoodi- ja otsikkotiedostot:

draw.c ja draw.h

Näihin lisätään kaikki grafiikan piirtämiseen liittyvät funktiot.

globals.h

Tähän lisätään kaikki globaalit muuttujat eli ne, joiden arvoja tarvitaan useammassa lähdekooditiedostossa.

main.c

Tähän tulee globaalien muuttujien alustukset sekä ohjelman varsinainen suoritettava funktio main.

player.c ja player.h

Näihin lisätään kaikki pelaajan toimintaan liittyvät funktiot.

setup.c ja setup.h

Näihin lisätään kaikki ohjelman ja pelitilan alustamiseen liittyvät funktiot.

types.h

Tähän lisätään kaikki tietuemuuttujat.

utils.c ja utils.h.

Näihin lisätään kaikenlaisia apufunktioita.

Tällaista määrää tiedostoja on aika mälsä kääntää aiemmin käyttämällämme gcc-komennolla ja sen parametreilla. Jotta homma helpottuisi, luodaan batch-tiedosto, jonka sisälle lisätään varsinainen gcc-komento parametreineen. Tällöin ohjelmaa käännettäessä riittää, kun DOSissa kirjoitetaan vain batch-tiedoston nimi ja suoritetaan se.

Avaa tekstieditorissa uusi tiedosto ja lisää siihen seuraavat rivit:
@echo off
gcc main.c utils.c draw.c player.c setup.c -o game.exe -lalleg
Tallenna tiedosto nimellä build.bat samaan sijaintiin luomasi lähdekoodi- ja otsikkotiedostojen kanssa.
Nyt, kun DOSissa suoritetaan komento build, ohjelma käännetään GAME.EXE-tiedostoksi.

Seuraavaksi lisätään kuhunkin otsikkotiedostoon rivit #ifndef, #define sekä #endif, jotta kaikki otsikkotiedostoon määritellyt vakiot ja muuttujat sekä esitellyt funktiot sisällytetään lähdekooditiedostoon vain kerran.

Lisää siis draw.h-otsikkotiedostoon seuraavat rivit:

#ifndef DRAW_H
#define DRAW_H
 

// Kaikki sisältö tähän.

#endif

Lisää globals.h-otsikkotiedostoon seuraavat rivit:

#ifndef GLOBALS_H
#define GLOBALS_H
 
// Kaikki sisältö tähän.

#endif

Lisää player.h-otsikkotiedostoon seuraavat rivit:

#ifndef PLAYER_H
#define PLAYER_H
 
// Kaikki sisältö tähän.
 
#endif

Lisää setup.h-otsikkotiedostoon seuraavat rivit:

#ifndef SETUP_H
#define SETUP_H
 
// Kaikki sisältö tähän.
 
#endif

Lisää types.h-otsikkotiedostoon seuraavat rivit:

#ifndef TYPES_H
#define TYPES_H

// Kaikki sisältö tähän.
 
#endif

Lisää utils.h-otsikkotiedostoon seuraavat rivit:

#ifndef UTILS_H
#define UTILS_H
 
// Kaikki sisältö tähän.

#endif

Pelitila

Seuraavaksi tehdään minimilisäykset, jotta voimme varmistua, että lähdekoodi- ja otsikkotiedostosekoilu kääntyy suoritettavaksi ohjelmaksi ja näyttää pelitilan niin kuin pitää. Tässä pelimoottoriprojektissa työskennellään pelkästään pelitilan parissa, ilman alkuvalikkoa, sillä raycaster-moottorin koodia tulee niin paljon, että on parasta vain keskittyä olennaiseen. Pelkkä pelitila tarkoittaa siis sitä, että kun ohjelma käynnistetään, ollaan suoraan pelitilassa, ja ESC-näppäimellä sammutetaan ohjelma.

Globals.h

Tässä otsikkotiedostossa määritellään ohjelman globaalit vakiot ja muuttujat.

SCREEN_WIDTH ja SCREEN_HEIGHT määrittävät ruudun resoluution: 320 × 240 pikseliä.
VIEW3D_HEIGHT on 3D-näkymän korkeus: 200 pikseliä. Näytön alareunaan luodaan siis 40 pikseliä paksu palkki, jossa näytetään pelaajan terveys, ammukset ja muu tärkeä data; ihan niin kuin vanhoissa kunnon 3D-räiskinnöissä.

3D-näkymän korkeus voi tietysti olla sama kuin näytönkin korkeus, jolloin palkkia ei luoda. Tällöin HUD koodataan näkymään 3D-näkymän päällä, kuten kaikissa moderneissa 3D-räiskinnöissä.

FRAMERATE määrittää pelin tavoitekuvataajuuden (30 kuvaa sekunnissa).
thCounter on globaali, volatile-tyyppinen muuttuja, jota käytetään pelin päivityssilmukassa.
buffer on BITMAP-tyyppinen osoitin, joka viittaa grafiikkabufferiin.

Nämä määrittelyt varmistavat, että ohjelman kaikki tiedostot voivat käyttää samoja globaaleja muuttujia.

#ifndef GLOBALS_H
#define GLOBALS_H

#define SCREEN_WIDTH 320
#define SCREEN_HEIGHT 240
#define VIEW3D_HEIGHT 200

#define FRAMERATE 30

extern volatile unsigned short int thCounter;

extern BITMAP *buffer;

#endif

Draw.h

Lisää draw.h-otsikkotiedostoon esittely DrawGame-funktiolle, joka huolehtii pelin grafiikan piirtämisestä.

#ifndef DRAW_H
#define DRAW_H

void DrawGame();

#endif

Draw.c

Lisää draw.c-lähdekooditiedoston määrittely DrawGame-funktio, jossa:

tyhjennetään grafiikkabufferi (clear_to_color ) ja asetetaan sen taustaväriksi tummanharmaa (makecol(47, 47, 47)).
kopioidaan grafiikkabufferin sisältö näytölle (blit).

#include <allegro.h>
#include "globals.h"
#include "draw.h"

void DrawGame()
{
    clear_to_color(buffer, makecol(47, 47, 47));

    blit(buffer, screen, 0, 0, 0, 0, SCREEN_WIDTH, VIEW3D_HEIGHT);
}

Setup.h

Lisää setup.h-otsikkotiedostoon esittely kahdelle funktiolle:

TimerHandler käsittelee ajastimen keskeytyksiä.
SetupProgram alustaa peliohjelman ympäristön.

#ifndef SETUP_H
#define SETUP_H

void TimerHandler();

int SetupProgram();

#endif

Setup.c

Lisää setup.c-lähdekooditiedostoon TimerHandler-, ja SetupProgram-funktioiden määrittely.

TimerHandler lisää thCounter-muuttujaa aina, kun ajastimen keskeytys tapahtuu. Tämä ohjaa päivityssilmukkaa.

SetupProgram alustaa Allegro-kirjaston, näppäimistön, ajastimen ja grafiikkatilat.

Jos graafista tilaa ei voida asettaa, ohjelma ilmoittaa virheestä ja palauttaa virhekoodin.

Buffer luodaan piirtämistä varten.

#include <allegro.h>
#include "globals.h"
#include "setup.h"

void TimerHandler()
{
    thCounter++;
}
END_OF_FUNCTION(TimerHandler);

int SetupProgram()
{
    if (allegro_init() != 0)
        return 1;

    install_keyboard();

    install_int_ex(TimerHandler, BPS_TO_TIMER(FRAMERATE));   
    LOCK_FUNCTION(TimerHandler);
    LOCK_VARIABLE(thCounter);

    if (set_gfx_mode(GFX_AUTODETECT, SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, 0, 0) != 0)
    {
        if (set_gfx_mode(GFX_SAFE, SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, 0, 0) != 0)
        {
            set_gfx_mode(GFX_TEXT, 0, 0, 0, 0);
            allegro_message("Unable to set any graphic mode\n%s\n", allegro_error);
            return 1;
        }
    }

    buffer = create_bitmap(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT);

    return 0;
}

Main.c

Tee seuraavat lisäykset main.c-lähdekooditiedostoon.

thCounter ja buffer alustetaan globaalien muuttujien käyttöä varten.

SetupProgram alustaa ohjelman. Jos alustus epäonnistuu, ohjelma lopettaa suorittamisen.

Pääsilmukka (while(!key[KEY_ESC]) toistuu, kunnes käyttäjä painaa ESC-näppäintä. Silmukka tarkistaa ajastimen laskurin ja kutsuu DrawGame-funktiota, kun thCounter on suurempi kuin 0.

Ohjelman lopussa vapautetaan kaikki resurssit, kuten buffer, poistetaan ajastin (remove_timer) ja suljetaan Allegro-kirjasto (allegro_exit).

#include <allegro.h>
#include "globals.h"
#include "draw.h"
#include "setup.h"

volatile unsigned short int thCounter = 0;

BITMAP *buffer = NULL;

int main(void)
{
    if (SetupProgram() != 0)
        return 1;

    while(!key[KEY_ESC]) 
    {
        while (thCounter > 0)
        {
            DrawGame();

            thCounter--;
        }
    }

    destroy_bitmap(buffer);

    remove_timer();

    allegro_exit();

    return 0;
}
END_OF_MAIN()

Nyt, kun suoritat DOSissa komennon build, koodi käännetään ja koostetaan suoritettavaksi tiedostoksi GAME.EXE (jos siis kirjoittamassasi koodissa ei ole virheitä). Suorita sitten GAME.EXE, ja ruudulle pitäisi aueta alla oleva näkymä, joka on siis luomamme pelitila.

DOSsittelua