Ray Casting 3D игра на Python + PyGame

Введение

Все мы помним старые игры, в которых впервые появилось трехмерное измерение.

Основоположником 3д игр стала игра Wolfenstein 3D, выпущенная в 1992 году

а за ней и Doom 1993 года.

Эти две игры разработала одна компания: «id Software»

Она создала свой движок специально для этой игры, и в итоге получилась 3д игра, что считалось практически невозможным на те времена.

Но что будет если я скажу что это не 3д игра, а всего лишь симуляция и игра выглядит на самом деле примерно вот так?

На самом деле здесь используется технология Ray Casting, третьего измерения тут просто не существует.

Что же такое этот самый RayCasting, который даже в наши времена актуален, но уже используется не для игр, а для технологии трассировки лучей в современных играх.

Если переводить на русский, то:

Метод бросания лучей(Ray Casting) - один из методов рендеринга в компьютерной графике, при котором сцена строится на основе замеров пересечения лучей с визуализируемой поверхностью.

Мне стало интересно на сколько это сложно реализовать.

И я принялся за написание технологии RayCasting.

Буду делать его на связке python + pygame

Pygame позволяет рисовать на плоскости простые 2D фигуры, и путем танцами с бубном вокруг них я и буду делать 3D иллюзию

Реализация Ray Casting

Для начала создаем простейшую карту с помощью символов, чтобы разделять при отрисовке где блок а где пустое место.

Рисуем карту в 2D, и игрока с возможностью управления и расчетом точки взгляда.

player.delta = delta_time()
player.move(enableMoving)

display.fill((0, 0, 0))

pg.draw.circle(display, pg.Color("yellow"), (player.x, player.y), 0)

drawing.world(player)

class Drawing:
    def __init__(self, surf, surf_map):
        self.surf = surf
        self.surf_map = surf_map
        self.font = pg.font.SysFont('Arial', 25, bold=True)

        
    def world(self, player):
        rayCasting(self.surf, player)

def rayCasting(display, player):
    inBlockPos = {'left': player.x - player.x // blockSize * blockSize,
                  'right': blockSize - (player.x - player.x // blockSize * blockSize),
                  'top': player.y - player.y // blockSize * blockSize,
                  'bottom': blockSize - (player.y - player.y // blockSize * blockSize)}

    for ray in range(numRays):
        cur_angle = player.angle - halfFOV + deltaRays * ray
        cos_a, sin_a = cos(cur_angle), sin(cur_angle)
        vl, hl = 0, 0

Движение будет осуществляться путем сложения косинуса угла зрения по горизонтали и синуса угла зрения по вертикали

class Player: 
  def init(self)
    self.x = 0
    self.y = 0
    self.angle = 0
    self.delta = 0
    self.speed = 100
    self.mouse_sense = settings.mouse_sensivity

  def move(self, active):
    self.rect.center = self.x, self.y
    key = pygame.key.get_pressed()
    key2 = pygame.key.get_pressed()
    cos_a, sin_a = cos(self.angle), sin(self.angle)

    if key2[pygame.K_LSHIFT]:
        self.speed += 5
        if self.speed >= 200:
            self.speed = 200
    else:
        self.speed = 100

    if key[pygame.K_w]:
        dx = cos_a * self.delta * self.speed
        dy = sin_a * self.delta * self.speed
    if key[pygame.K_s]:
        dx = cos_a * self.delta * -self.speed
        dy = sin_a * self.delta * -self.speed
    if key[pygame.K_a]:
        dx = sin_a * self.delta * self.speed
        dy = cos_a * self.delta * -self.speed
    if key[pygame.K_d]:
        dx = sin_a * self.delta * -self.speed
        dy = cos_a * self.delta * self.speed

Получаем такой результат:

Далее мы должны представить нашу карту в виде сетки. И во всем промежутке угла обзора бросать некоторое количество лучей, чем их больше, тем лучше будет картинка, но меньше кадров в секунду.

Каждый луч должен находить пересечение с каждой вертикальной и горизонтальной линией сетки. Как только он находит столкновение с блоком, он рисует его нужных размеров и прекращает свое движение, далее цикл переходит к следующему лучу.

Так же нужно рассчитать расстояние до вертикальных и горизонтальных линий с которыми пересекся луч.

Вспоминаем школьную тригонометрию и рассмотрим это на примере вертикальных линий

Нам известна сторона k – это расстояние игрока до блока

a – это угол каждого луча

Далее просто добавляем длину, так как мы знаем размер нашего блока сетки.

И когда луч врежется в стену цикл остановиться.

Потом применяем это ко всем осям с небольшими изменениями

Для горизонтальных линий тоже самое только с синусом.

В расстояние луча записываем горизонтальное или вертикальное расстояние, в зависимости от того, что находиться ближе

Добавляем пару переменных высоты, глубины, размера которые высчитываются из достаточно простых формул

def rayCasting(display, player):
  inBlockPos = {'left': player.x - player.x // blockSize * blockSize,
                'right': blockSize - (player.x - player.x // blockSize * blockSize),
                'top': player.y - player.y // blockSize * blockSize,
                'bottom': blockSize - (player.y - player.y // blockSize * blockSize)}

  for ray in range(numRays):
      cur_angle = player.angle - halfFOV + deltaRays * ray
      cos_a, sin_a = cos(cur_angle), sin(cur_angle)
      vl, hl = 0, 0

      #Вертикали
      for k in range(mapWidth):
          if cos_a > 0:
              vl = inBlockPos['right'] / cos_a + blockSize / cos_a * k + 1
          elif cos_a < 0:
              vl = inBlockPos['left'] / -cos_a + blockSize / -cos_a * k + 1

          xw, yw = vl * cos_a + player.x, vl * sin_a + player.y
          fixed = xw // blockSize * blockSize, yw // blockSize * blockSize
          if fixed in blockMap:
              textureV = blockMapTextures[fixed]
              break

      #Горизонтали
      for k in range(mapHeight):
          if sin_a > 0:
              hl = inBlockPos['bottom'] / sin_a + blockSize / sin_a * k + 1
          elif sin_a < 0:
              hl = inBlockPos['top'] / -sin_a + blockSize / -sin_a * k + 1

          xh, yh = hl * cos_a + player.x, hl * sin_a + player.y
          fixed = xh // blockSize * blockSize, yh // blockSize * blockSize
          if fixed in blockMap:
              textureH = blockMapTextures[fixed]
              break

      ray_size = min(vl, hl) * depthCoef
      toX, toY = ray_size * cos(cur_angle) + player.x, ray_size * sin(cur_angle) + player.y
      pg.draw.line(display, pg.Color("yellow"), (player.x, player.y), (toX, toY))

Рисуем прямоугольники по центру экрана, положение по горизонтали будет зависеть от номера луча, а высота будет равна отношению заданного коэффициента на длину луча.

#def rayCasting

ray_size += cos(player.angle - cur_angle)
height_c = coef / (ray_size + 0.0001)
c = 255 / (1 + ray_size ** 2 * 0.0000005)
color = (c, c, c)
block = pg.draw.rect(display, color, (ray * scale, half_height - height_c // 2, scale, height_c))

И вот получается уже какая-никакая иллюзия 3D измерения.

Текстуры

1 блок имеет 4 стороны и каждую бы должны покрыть текстурой.

Каждую сторону мы разделяем на полоски с маленькой шириной, главное чтобы количество лучей падающих на блок совпадало с количеством полосок на стороне, и делим на количество этих полосок нашу текстуру и поочередно отрисовываем полоску из текстуры на полоску на блоке.

Так ширина будет варьироваться в зависимости от удаленности стороны блока. А положение полоски рассчитывается путем умножения отступа на размер текстуры.

Если луч падает на вертикаль то отступ высчитываем от верхней точки, если на горизонталь то от левой точки.

#def rayCasting

if hl > vl:
    ray_size = vl
    mr = yw
    textNum = textureV
else:
    ray_size = hl
    mr = xh
    textNum = textureH

mr = int(mr) % blockSize

textures[textNum].set_alpha(c)
wallLine = textures[textNum].subsurface(mr * textureScale, 0, textureScale, textureSize)
wallLine = pg.transform.scale(wallLine, (scale, int(height_c))).convert_alpha()
display.blit(wallLine, (ray * scale, half_height - height_c // 2))

Добавляем еще возможность отрисовки нескольких текстур на одной карте путем добавления на карту специальных знаков, каждому будет присваиваться своя текстура.

Вот пример как выглядит 2-ой уровень в игре в виде кода:

textMaplvl2 = [
            "111111111111111111111111",
            "1111................1111",
            "11.........1....11...111",
            "11....151..1....31...111",
            "1111............331...11",
            "11111.....115..........1",
            "1111.....11111....1113.1",
            "115.......111......333.1",
            "15....11.......11......1",
            "11....11.......11..11111",
            "111...................51",
            "111........1......115551",
            "11111...11111...11111111",
            "11111%<@1111111111111111",
]

В итоге получаем адекватное отображение текстур:

Коллизия

Где же такое видано что мы можем проходить через блоки…

Добавляем коллизию. К каждой позиция блока добавляем так называемый коллайдер и такой же коллайдер добавляем игроку. Если он продолжит идти так как шел и такими темпами на следующем кадре по предсказанию зайдет в блок, то мы просто зануляем ускорение по нужной оси.

Для этого чуть допишем класс Player. Я решил еще сразу добавить управление камерой с помощью мыши. Вот как по итогу стал выглядеть этот класс:

class Player:
    def __init__(self):
        self.x = 0
        self.y = 0

        self.angle = 0
        self.delta = 0
        self.speed = 100
        self.mouse_sense = settings.mouse_sensivity

        #collision
        self.side = 50
        self.rect = pygame.Rect(*(self.x, self.y), self.side, self.side)

    def detect_collision_wall(self, dx, dy):
        next_rect = self.rect.copy()
        next_rect.move_ip(dx, dy)
        hit_indexes = next_rect.collidelistall(collision_walls)

        if len(hit_indexes):
            delta_x, delta_y = 0, 0
            for hit_index in hit_indexes:
                hit_rect = collision_walls[hit_index]
                if dx > 0:
                    delta_x += next_rect.right - hit_rect.left
                else:
                    delta_x += hit_rect.right - next_rect.left
                if dy > 0:
                    delta_y += next_rect.bottom - hit_rect.top
                else:
                    delta_y += hit_rect.bottom - next_rect.top
            if abs(delta_x - delta_y) < 50:
                dx, dy = 0, 0
            elif delta_x > delta_y:
                dy = 0
            elif delta_y > delta_x:
                dx = 0

        self.x += dx
        self.y += dy

    def move(self, active):
        self.rect.center = self.x, self.y
        key = pygame.key.get_pressed()
        key2 = pygame.key.get_pressed()
        cos_a, sin_a = cos(self.angle), sin(self.angle)

        if key2[pygame.K_LSHIFT]:
            self.speed += 5
            if self.speed >= 200:
                self.speed = 200
        else:
            self.speed = 100

        self.mouse_control(active=active)

        if key[pygame.K_w]:
            dx = cos_a * self.delta * self.speed
            dy = sin_a * self.delta * self.speed
            self.detect_collision_wall(dx, dy)
        if key[pygame.K_s]:
            dx = cos_a * self.delta * -self.speed
            dy = sin_a * self.delta * -self.speed
            self.detect_collision_wall(dx, dy)
        if key[pygame.K_a]:
            dx = sin_a * self.delta * self.speed
            dy = cos_a * self.delta * -self.speed
            self.detect_collision_wall(dx, dy)
        if key[pygame.K_d]:
            dx = sin_a * self.delta * -self.speed
            dy = cos_a * self.delta * self.speed
            self.detect_collision_wall(dx, dy)

    def mouse_control(self, active):
        if active:
            if pygame.mouse.get_focused():
                diff = pygame.mouse.get_pos()[0] - half_width
                pygame.mouse.set_pos((half_width, half_height))
                self.angle += diff * self.delta * self.mouse_sense

Геймплей

Спавним цвета на карте, и делаем так, чтобы игрок мог взять их, и красить любые блоки. Для того что понять находиться персонаж рядом с блоком или нет пишем хитрую цепочку условий:

for blockNow in blockMapTextures:
        questBlock = False
        if (blockNow[0] - blockSize // 2 < player.x < blockNow[0] + blockSize * 1.5 and blockNow[1] < player.y < blockNow[1] + blockSize) or \
        (blockNow[1] - blockSize // 2 < player.y < blockNow[1] + blockSize * 1.5 and blockNow[0] < player.x < blockNow[0] + blockSize):
            if countOfDraw < len(blocksActive) and doubleDrawOff:
                display.blit(
                    pg.transform.scale(ui['mouse2'], (ui['mouse2'].get_width() // 2, ui['mouse2'].get_height() // 2)),
                    (130, 750))
                if event.type == pg.MOUSEBUTTONDOWN and pg.mouse.get_pressed()[2]:
                    if blockMapTextures[blockNow] == '<':
                        questBlock = True
                    if questBlock == False:
                        try:
                            tempbackup_color.clear()
                            tempbackup.clear()
                            coloredBlocks.clear()
                            block_in_bag.pop(-1) 
                            tempbackup.append(blockMapTextures[blockNow])
                            tempbackup_color.append(blocks_draw_avaliable[list(blocks_draw_avaliable.keys())[-1]])
                            print('tempbackup_color : ', tempbackup_color)
                            blockMapTextures[blockNow] = blocks_draw_avaliable[list(blocks_draw_avaliable.keys())[-1]]
                            coloredBlocks.append(blockNow)
                            blocks_draw_avaliable.pop(list(blocks_draw_avaliable.keys())[-1])
                            countOfDraw += 1         
                            doubleDrawOff = False
                            doubleBack = False
                        except:
                            print('Error in color drawing')

Грубо говоря, мы условно увеличиваем диапазон координат которые захватывает один блок, и постоянно смотрим, заходит ли игрок в эти координаты. У каждого блока, получается, есть некая область вокруг(без углов) размером в несколько десятков пикселей, и при заходе в нее, считается что ты рядом с определенным блоком.

Я уверен что есть способ лучше чтобы обнаружить блок рядом с игроком, но я решил не придумывать колесо и сделал, как сделал).

Далее реализуем систему квестов и смену уровней в зависимости от того выполнен квест или нет. А так же переключатель уровней, с картинкой для сюжета в начале каждого уровня.

def lvlSwitch():
    settings.textMap = levels.levelsList[str(settings.numOfLvl)]
    with open("game/settings/settings.json", 'w') as f:
        settings.sett['numL'] = settings.numOfLvl
        js.dump(settings.sett, f)
    print(settings.numOfLvl)
    main.tempbackup.clear()
    main.coloredBlocks.clear()
    main.blocksActive.clear()
    main.tempbackup_color.clear()
    main.block_in_bag.clear()
    main.blocks_draw_avaliable.clear()
    main.countOfDraw = 0
    main.blockClickAvaliable = 0
    
def switcher():  
    global lvlSwitches 
    main.display.blit(ui[f'lvl{settings.numOfLvl+1}'], (0,0))
    main.timer = False
    if pg.key.get_pressed()[pg.K_SPACE]:
        level5_quest.clear()
        main.doubleQuest = True 
        settings.numOfLvl += 1 
        lvlSwitch()
        main.timer = True
        level5_quest.clear()
        lvlSwitches = False
    

def quest(lvl):
    global lvlSwitches
    tmp = []
    for blockNeed in blockQuest:
        if blockQuest[blockNeed] == '@':
            if blockMapTextures[blockNeed] == '3':
                tmp.append(1)
                if settings.numOfLvl == 5:
                    level5_quest.add(1)
        if blockQuest[blockNeed] == '!':
            if blockMapTextures[blockNeed] == '2':
                tmp.append(2)
                if settings.numOfLvl == 5:
                    level5_quest.add(2)
                    
        if blockQuest[blockNeed] == '$':
            if blockMapTextures[blockNeed] == '4':
                tmp.append(3)
                if settings.numOfLvl == 5:
                    level5_quest.add(3)
        if blockQuest[blockNeed] == '%':
            if blockMapTextures[blockNeed] == '5':
                tmp.append(4)
                if settings.numOfLvl == 5:
                    level5_quest.add(4)

Реализуем пару механик:

Первая механика – банально поставить нужный цвет в нужную ячейку. Объяснений не требуется.

Вторая механика – телепортация создается новая карта в виде листа и блоки в ней раз в какое то время перемешиваются, создается ощущения телепортаций цветов.

def randomColorBlockMap(textMap):
    timer = t.perf_counter()
    text = textMap
    newTextMap = []
    generatedMap = []
    for row in text:
        roww = []
        for column in row:
            roww.append(column)
        newTextMap.append(roww)
    textsForShuffle = []
    for row in text:
        for column in row:
            if column != '.' and column != '<' and column != '$' and column != '%' and column != '@' and column != '!':
                textsForShuffle.append(column)
    xy_original = []
    for y, row in enumerate(text):
        for x, column in enumerate(row):
            if column != '.' and column != '<' and column != '$' and column != '%' and column != '@' and column != '!':
                if (x*blockSize, y*blockSize) not in list(settings.blockQuest.keys()):
                    xy_original.append([x,y])
    xy_tmp = xy_original
    for y, row in enumerate(newTextMap):       
        for x, column in enumerate(row):
            if column != '.' and column != '<' and column != '$' and column != '%' and column != '@' and column != '!':
                if (x*blockSize, y*blockSize) not in list(settings.blockQuest.keys()):  
                    ch = rn.choice(textsForShuffle)
                    newTextMap[y][x] = ch
                    textsForShuffle.remove(ch)
                
    for row in newTextMap:
        generatedMap.append(''.join(row))

    initMap(generatedMap)

Третья механика – добавляем ЧБ фильтр на каждую текстуру…

def toBlack():
    settings.textures['2'] = pygame.image.load('textures/colorYellowWallBlack.png').convert()
    settings.textures['3'] =  pygame.image.load('textures/colorBlueWallBlack.png').convert()
    settings.textures['4'] =  pygame.image.load('textures/colorRedWallBlack.png').convert()
    settings.textures['5'] =  pygame.image.load('textures/colorGreenWallBlack.png').convert()
    settings.textures['<'] =  pygame.image.load('textures/robotBlack.png').convert()
    ui['3'] = pygame.image.load("textures/blue_uiBlack.png")
    ui['2'] = pygame.image.load("textures/yellow_uiBlack.png")
    ui['4'] = pygame.image.load("textures/red_uiBlack.png")
    ui['5'] = pygame.image.load("textures/green_uiBlack.png")

Дальше я сделал меню в виде класса, чтобы удобно добавлять опции когда это будет нужно.

class Menu:
    def __init__(self):
        self.option_surface = []
        self.callbacks = []
        self.current_option_index = 0

    def add_option(self, option, callback):
        self.option_surface.append(f1.render(option, True, (255, 255, 255)))
        self.callbacks.append(callback)

    def switch(self, direction):
        self.current_option_index = max(0, min(self.current_option_index + direction, len(self.option_surface) - 1))

    def select(self):
        self.callbacks[self.current_option_index]()

    def draw(self, surf, x, y, option_y):
        for i, option in enumerate(self.option_surface):
            option_rect = option.get_rect()
            option_rect.topleft = (x, y + i * option_y)
            if i == self.current_option_index:
                pg.draw.rect(surf, (0, 100, 0), option_rect)
            b = surf.blit(option, option_rect)
            pos = pygame.mouse.get_pos()
            if b.collidepoint(pos):
                self.current_option_index = i
                for event in pg.event.get():
                    if pg.mouse.get_pressed()[0]:
                        self.select()

Реализуем сохранения:

try:
    with open("game/settings/settings.json", 'r') as f:
        sett = js.load(f)
except:
    with open("game/settings/settings.json", 'w') as f:
        sett = {
            'FOV' : pi / 2,
            'numRays' : 400,
            'MAPSCALE' : 10,
            'numL' : 1,
            'mouse_sensivity' : 0.15
        }
        js.dump(sett, f)

numOfLvl = sett['numL']
textMap = levels.levelsList[str(numOfLvl)]

mouse_sensivity = sett['mouse_sensivity']

И в заключении мини философскую историю с глубоким смыслом и неожиданную концовку.

Заключение

Вот и получается игра с 2.5D измерением, сотнями лучей, маленьким FPS и незамысловатым геймплеем, на которую потребовалось всего 4 библиотеки, 68 текстур, и  1018 строчек кода.

Также вы всегда можете ознакомиться с полным кодом этого проекта или скачать игру у меня на GitHub.

Надеюсь этой статьей я вам чем то помог и вы нашли данную информацию в какой-то степени полезной. Спасибо за внимание <3