Jogo gráfico

O objetivo deste projeto é construir um jogo monousuário com interface gráfica 2D. O aluno deve escolher um destes jogos ¹⁾:

Clássicos:

• Battle City
• Super Mario Bros
• Maziacs
• Boulder Dash
• Donkey Kong

Recentes:

• Ballz
• Okay?
• Geometry Dash
• ZigZag (fazer em 2D)

Você pode propor outros jogos ao professor para análise.

Requisitos do jogo:

• Executar no Linux, em uma janela gráfica
• Interagir com o usuário através do teclado e/ou mouse
• Usar imagens coloridas (sprites), não somente formas geométricas (pode usar figuras prontas obtidas na Internet)
• Tocar sons nos principais eventos (pode usar sons prontos da Internet)
• Suportar ao menos três níveis com mapas, ações e/ou objetos diferentes
• Calcular a pontuação do jogador e manter um score persistente (salvo em disco) das melhores pontuações obtidas, apresentado ao usuário ao finalizar o jogo
• As teclas h ou F1 abrem uma tela de ajuda com as instruções do jogo, nome do autor e outras informações
• Ter um Easter Egg ou um cheat code (como o Código Konami)
• Executar a 60 FPS (frames per second)

Requisitos do código:

• Ser desenvolvido em C padrão C99 (-std=c99, -std=gnu99 ou -std=gnu11)
• Usar a biblioteca gráfica Allegro 5 ²⁾
• Separar o código em vários arquivos .c e .h separados, respeitando as regras de organização de código
• Usar alocação de memória dinâmica
• Usar estruturas
• Compilar com o flag -Wall sem erros nem avisos
• Usar o sistema Make para compilação, com ao menos os seguintes alvos:
  • all: compila e gera o executável
  • clean: remove os arquivos temporários (mantém o executável)
  • purge: remove tudo, deixando somente os fontes
• Todos os arquivos que não forem código-fonte (imagens, sons, fontes, mapas, …) devem ser colocados em um subdiretório resources/ dentro do diretório do código.

Critérios de avaliação

• cumprimento dos requisitos acima
• fidelidade ao jogo original
• qualidade do código (estrutura, clareza, comentários, endentação)

A biblioteca gráfica Allegro permite a manipulação de gráficos simples e áudio, sendo bem adaptada para a construção de jogos 2D. É uma biblioteca mais simples e limitada que a famosa biblioteca SDL, sendo mais adequada para iniciantes e para projetos menores.

Algumas de suas características:

• multiplataforma: Linux, Windows, MacOS, Android, iOS
• pode ser usada em C e outras linguagens
• usa aceleração gráfica (através de OpenGL ou DirectX)
• manipulação de áudio e vídeo
• leitura de mouse, teclado e joystick

Instalação da biblioteca Allegro 5 em Linux (Ubuntu, Mint, Debian):

sudo apt-get install liballegro5-dev

Uso:

• Página principal
• Referência das funções
• Tutorial de jogo em Allegro
• Galeria de jogos

Bibliotecas gráficas como a Allegro e SDL operam usando um esquema interno de buffer duplo, ou seja, dois buffers gráficos distintos que são usados em conjunto:

• buffer₁: buffer onde as operações gráficas são aplicadas
• buffer₂: buffer cujo conteúdo é mostrado na tela

Esses buffers devem ser periodicamente alternados pelo programador (pseudocódigo):

fill_color (black) ;  // operações feitas no buffer 1, não são visíveis
draw (...) ;          // na tela neste momento.
draw (...) ;
...
flip_buffers () ;     // troca buffer 1 com 2, mostrando o novo conteúdo

As técnicas des buffer duplo e page flipping são implementadas nativamente na biblioteca Allegro, fornecendo imagens mais estáveis e melhor desempenho gráfico.

A maioria dos jogos segue uma estrutura de código similar. O funcionamento do jogo segue uma “máquina de estados” que define o momento atual do jogo e um laço principal que implementa o jogo em si. Ambos são explicados brevemente nesta seção.

Cada entidade do jogo (jogador, bola, etc) tem um conjunto de atributos que a representam, que normalmente é implementado em um struct. Por exemplo, no jogo Pong a bola poderia ser representada pela seguinte estrutura:

// estrutura de uma bola
typedef struct
{
  short x, y ;     // posição atual
  short sx, sy ;   // velocidade atual
  short w, h ;     // dimensões
  color_t color ;  // cor atual
}
ball_t ;
 
// cria uma bola
ball_t ball ;

Estruturas como essa devem ser construídas para cada entidade ativa do jogo.

O funcionamento do jogo é gerenciado através de uma máquina de estados. Cada estado do jogo define o que deve ser feito naquele momento, as transições possíveis entre estados e os eventos que levam de um estado a outro. Por exemplo, a máquina de estados do jogo Pong é composta dos seguintes estados:

• inicio: desenha a tela inicial do jogo e aguarda 5 segundos.
• servindo: põe a bola no centro e aguarda 2 segundos.
• jogando: implementa o jogo propriamente dito (laço principal).
• fim partida: um dos jogadores atingiu a pontuação máxima.
• fim jogo: o jogo encerra.

O relacionamento entre esses estados pode ser representado graficamente:

Essa máquina de estados pode ser facilmente implementada em C:

// estados possíveis do jogo Pong
enum {INICIO, SERVINDO, JOGANDO, FIMPART, FIMJOGO} state ;
 
// programa principal do jogo
int main ()
{
  state = INICIO ;
  for (;;)
    switch (state)
    {
      case INICIO  : state_init () ;  break ;
      case SERVINDO: state_serve () ; break ;
      case JOGANDO : state_play () ;  break ;
      case FIMPART : state_over () ;  break ;
      case FIMJOGO : state_close () ; break ;
      default: break ;
    }
}

Dessa forma, as funções state_init() e demais são usadas para implementar o comportamento de cada etapa do jogo. A variável state pode ser modificada dentro dessas funções para trocar de estado conforme necessário.

Durante o jogo propriamente dito, o programa deve continuamente ler as entradas de dados (teclado, mouse, …), atualizar o estado dos jogadores e demais entidades do jogo de acordo com essas entradas e desenhar a tela. Esse comportamento é chamado o laço principal do jogo.

O pseudocódigo a seguir dá um exemplo do laço principal do jogo Pong (simplificado):

// define estado inicial das entidades 
inicia_jogadores ()
inicia_bola ()

// laço principal
faça
  ler_entrada (teclado, mouse, ...)
  atualiza_estado_jogadores ()
  atualiza_estado_bola ()
  desenha_tela ()
até fim da partida

Esse ciclo deve ser repetido rapidamente (dezenas de vezes por segundo) para dar a impressão de fluidez do jogo.

O tutorial de jogo da biblioteca Allegro explica com detalhes o funcionamento do laço principal.

A tela do jogo deve ser atualizada com velocidade suficiente para dar fluidez ao jogo. De preferência, a taxa de atualização da tela (taxa de quadros por segundo ou frame rate) deve ser constante, para que a animação seja consistente.

Em um jogo simples, a quantidade de cálculo a efetuar antes de cada atualização de estado e de tela é geralmente pequena, se comparada à capacidade de processamento do computador. Por isso, é interessante pausar a execução por alguns milissegundos a cada ciclo, para garantir uma taxa de quadros constante (e também diminuir o consumo de CPU).

Uma forma de controlar a taxa de quadros é através de pausas (pseudocódigo):

// taxa de quadros por segundo
frame_rate = 60

// duração de cada quadro, em ms
t_quadro = 1000 / frame_rate

// laço principal do jogo
repita

   t_inicio = relogio_ms ()

  // processamento do jogo
  ...

  // espera um tempo para completar o quadro
  t_final = relogio_ms ()
  t_pausa = t_quadro - (t_final - t_inicio)
  pausa_ms (t_pausa)

até o fim da partida

Outra forma, que é usada frequentemente na Allegro 5, é a programação por eventos. Neste caso específico, programa-se um temporizador (timer) para gerar um evento a cada quadro; quando o evento ocorre, o processamento do jogo é feito:

// taxa de quadros por segundo
frame_rate = 60

// duração de cada quadro, em ms
t_quadro = 1000 / frame_rate

// define timer (um evento a cada X ms)
define_timer (t_quadro)

// laço principal do jogo
repita

   // espera o próximo evento do timer
   espera_evento (timer)

  // processamento do jogo
  ...

até o fim da partida

Desenvolvimento de jogos:

• CS50's Introduction to Game Development - Harvard (assistir pelo menos as duas primeiras aulas)
• Tutorial de jogo da biblioteca Allegro
• Beginner's Guide to Roguelikes (ler ao menos a parte 1)
• Game Loop
• Canal Jogos & Programação no Youtube

Sprites e sons:

• Open Game Art
• JSFXR sound generator