14.08.2022 13:00
ru_vds 5 3600 Источник

Вспомните, как мы играем в «Тетрис». При движении блока мы свободно перемещаем и вращаем его. Кубы, из которых состоят блоки, соединены, поэтому должно быть соединено и их описание в коде. С другой стороны, когда мы завершаем горизонтальный срез (в 2D это строка), кубы удаляются и блок, к которым они принадлежали, на этом этапе уже не важны. На самом деле, они и не должны быть важны, ведь некоторые кубы из блока могут удалиться, а другие остаться на поле.

Для отслеживания начальной точки куба пришлось бы постоянно разделять и объединять геометрию, и поверьте мне, это был бы сущий хаос. В оригинальном двухмерном «Тетрисе» показателем исходного блока был цвет квадрата. Однако в 3D нам нужен удобный способ демонстрации оси Z, и лучше всего для этого подходит цвет.

В нашей игре кубы будут соединены, когда они динамичны и разделены, когда они статичны.

Добавление статичного блока


Давайте начнём с момента, когда движущийся блок касается пола (или другого блока). Движущийся блок (с объединённой геометрией нескольких кубов) преобразуется в статичные, разделённые кубы, которые больше не двигаются. Удобно хранить такие кубы в 3D-массиве.

Tetris.staticBlocks = [];
Tetris.zColors = [
  0x6666ff, 0x66ffff, 0xcc68EE, 0x666633, 0x66ff66, 0x9966ff, 0x00ff66, 0x66EE33, 0x003399, 0x330099, 0xFFA500, 0x99ff00, 0xee1289, 0x71C671, 0x00BFFF, 0x666633, 0x669966, 0x9966ff
];
Tetris.addStaticBlock = function(x,y,z) {
  if(Tetris.staticBlocks[x] === undefined) Tetris.staticBlocks[x] = [];
  if(Tetris.staticBlocks[x][y] === undefined) Tetris.staticBlocks[x][y] = [];
 
  var mesh = THREE.SceneUtils.createMultiMaterialObject(new THREE.CubeGeometry( Tetris.blockSize, Tetris.blockSize, Tetris.blockSize), [
    new THREE.MeshBasicMaterial({color: 0x000000, shading: THREE.FlatShading, wireframe: true, transparent: true}),
    new THREE.MeshBasicMaterial({color: Tetris.zColors[z]})
  ] );
 
  mesh.position.x = (x - Tetris.boundingBoxConfig.splitX/2)*Tetris.blockSize + Tetris.blockSize/2;
  mesh.position.y = (y - Tetris.boundingBoxConfig.splitY/2)*Tetris.blockSize + Tetris.blockSize/2;
  mesh.position.z = (z - Tetris.boundingBoxConfig.splitZ/2)*Tetris.blockSize + Tetris.blockSize/2;
  mesh.overdraw = true;
 
  Tetris.scene.add(mesh);
  Tetris.staticBlocks[x][y][z] = mesh;
};

Здесь нужно многое объяснить.

▍ Цвета и материалы


Tetris.zColors хранит список цветов, обозначающих позицию куба по оси Z. Мне бы хотелось иметь красивый куб, поэтому у него должны быть цвет и граница с контуром. Я воспользуюсь не очень популярной в туториалах по Three.js штукой — multiMaterial. В SceneUtils Three.js есть функция, получающая геометрию и массив SceneUtils (обратите внимание на скобки []) материалов. Взглянем на исходный код Three.js:

  createMultiMaterialObject : function ( geometry, materials ) {
  var i, il = materials.length, group = new THREE.Object3D();
  for ( i = 0; i < il; i ++ ) {
    var object = new THREE.Mesh( geometry, materials[ i ] );
    group.add( object );
  }
  return group;
},

Это очень простой хак, создающий меш для каждого материала. На чистом WebGL есть более удобные способы достижения того же результата (например, двукратная отрисовка, в первый раз при помощи gl.LINES, во второй при помощи gl.something), но обычно эта функция используется, например, для одновременного объединения тексту и материалов, а не разных типов отрисовки.

▍ Позиция в 3D-пространстве


Почему позиция выглядит так?

mesh.position.x = (x - Tetris.boundingBoxConfig.splitX/2)*Tetris.blockSize + Tetris.blockSize/2;

Центр поля при инициализации был размещён в точке (0,0,0). Это не очень хорошая точка, так как некоторые кубы будут иметь отрицательную позицию, а другие положительную. В нашем случае будет лучше задать угол объекта. Более того, нам удобнее воспринимать позиции кубов как дискретные значения от 1 до 6 или, по крайней мере, от 0 до 5. В Three.js (а также в WebGL, OpenGL и всём остальном) используются собственные единицы, которые ближе соотносятся с метрами или пикселями. Напомню, что в конфигурацию мы поместили значение

Tetris.blockSize = boundingBoxConfig.width/boundingBoxConfig.splitX;

Оно отвечает за преобразование. Итак, подведём итог:

// преобразуем 0-5 в -3 - +2
(x - Tetris.boundingBoxConfig.splitX/2)
 // масштабируем в единицы Three.js
*Tetris.blockSize
 // задаём центр куба, а не угол - нам нужно сдвинуть позицию на + Tetris.blockSize/2

Хороший тест


Наша игра по-прежнему очень статична, но можно открыть консоль и выполнить следующий код:

var i = 0, j = 0, k = 0, interval = setInterval(function() {if(i==6) {i=0;j++;} if(j==6) {j=0;k++;} if(k==6) {clearInterval(interval); return;} Tetris.addStaticBlock(i,j,k); i++;},30)

Он должен создать анимацию заполнения поля кубами.

Ведём счёт


Небольшая вспомогательная функция для ведения счёта:

Tetris.currentPoints = 0;

Tetris.addPoints = function(n) {

  Tetris.currentPoints += n;

  Tetris.pointsDOM.innerHTML = Tetris.currentPoints;

  Cufon.replace('#points');

}

Подготовка


Для начала создадим новый файл, в котором будет храниться объект блока, и включим его в index.html. Файл должен начинаться так:

window.Tetris = window.Tetris  || {}; // эквивалент ъif(!window.Tetris) window.Tetris = {};

Таким образом, даже если порядок парсинга файла будет нарушен (что, кстати, очень маловероятно), мы никогда не будем переписывать существующие объекты или использовать неопределённые переменные. На этом этапе можно заменить и объявление var Tetris = {}; в нашем основном файле.

Прежде чем двигаться дальше, нам нужна ещё одна вспомогательная функция.

Tetris.Utils = {}; 

Tetris.Utils.cloneVector = function (v) {

  return {x: v.x, y: v.y, z: v.z};

};

Чтобы понять, зачем нам это нужно, мы должны поговорить о переменных в JS. Если мы используем число, оно всегда передаётся по значению. Это означает, что код:

var a = 5;

var b = a;

Поместит в b число 5, но оно никак не будет связано с a. Однако при использовании объектов:

var a = (x: 5};

var b = a;

b — это ссылка на объект. b.x = 6; выполнит запись в тот же объект, на который ссылается a.

Именно поэтому нам нужен способ создания копии вектора. Простое v1 = v2 будет означать, что в памяти находится только один вектор. Однако если мы выполним доступ непосредственно к числовым частям вектора и создадим клон, то у нас будет два вектора и ими можно будет манипулировать по отдельности.

Последним подготовительным шагом будет определение фигур.

Tetris.Block = {};

 

Tetris.Block.shapes = [

    [

        {x: 0, y: 0, z: 0},

        {x: 1, y: 0, z: 0},

        {x: 1, y: 1, z: 0},

        {x: 1, y: 2, z: 0}

    ],

    [

        {x: 0, y: 0, z: 0},

        {x: 0, y: 1, z: 0},

        {x: 0, y: 2, z: 0},

    ],

    [

        {x: 0, y: 0, z: 0},

        {x: 0, y: 1, z: 0},

        {x: 1, y: 0, z: 0},

        {x: 1, y: 1, z: 0}

    ],

    [

        {x: 0, y: 0, z: 0},

        {x: 0, y: 1, z: 0},

        {x: 0, y: 2, z: 0},

        {x: 1, y: 1, z: 0}

    ],

    [

        {x: 0, y: 0, z: 0},

        {x: 0, y: 1, z: 0},

        {x: 1, y: 1, z: 0},

        {x: 1, y: 2, z: 0}

    ]

];

 

Обратите внимание, что первый куб каждой фигуры находится в (0,0,0). Это очень важно и будет объяснено в следующем разделе.

Генерация фигур


Для описания блока нужно три значения: базовая фигура, позиция и поворот. На этом этапе нам нужно заранее подумать, как мы будем распознавать коллизии.

По своему опыту я знаю, что распознавание коллизий в играх — это в той или иной степени фальшивка. Всё дело в производительности — геометрии упрощаются, коллизии для специфических ситуаций исключаются первым делом, некоторые коллизии вообще не рассматриваются, а реакция на коллизию почти всегда неточна. Но это не важно — если всё выглядит естественно, никто ничего не заметит, и мы сэкономим много дефицитных тактов ЦП.

Каким же будет самое простое распознавание коллизий для «Тетриса»? Все фигуры — это кубы с привязкой к осям координат, центры которых — это одна из заданных групп точек. Я на 99% уверен, что лучше всего работать с этим, храня массив значений [FREE, MOVING, STATIC] для каждой позиции на поле. Таким образом, если мы захотим переместить фигуру и пространство, которое ей нужно, уже занято, то у нас есть коллизия. Сложность: O(количество кубов в фигуре) <=> O(1). Великолепно!

Я знаю, что вращение — довольно сложная штука, и его по возможности стоит избегать. Именно поэтому мы будем хранить базовую фигуру блока в повёрнутом виде. Благодаря этому, мы сможем применять только позицию (что делается легко) и быстро проверять, есть ли коллизия. На самом деле в нашем случае это не особо важно, но было бы важно в более сложной игре. Ни одна игра не мала настолько, чтобы писать её лениво.

И позиция, и вращение используются в Three.js. Однако проблема в том, что в Three.js и на поле используются разные единицы. Чтобы упростить код, мы будем хранить позицию отдельно. Вращение везде одинаковое, поэтому мы будем использовать встроенные значения.

Сначала мы берём случайную фигуру и создаём копию. Именно для этого нужна функция cloneVector.

Tetris.Block.position = {};

 

Tetris.Block.generate = function() {

  var geometry, tmpGeometry;

 

  var type = Math.floor(Math.random()*(Tetris.Block.shapes.length));

  this.blockType = type;

 

  Tetris.Block.shape = [];

  for(var i = 0; i < Tetris.Block.shapes[type].length; i++) {

    Tetris.Block.shape[i] = Tetris.Utils.cloneVector(Tetris.Block.shapes[type][i]);

  }

Теперь нужно объединить все кубы, чтобы они действовали как одна фигура.

Для этого есть функция Three.js — она получает геометрию и меш, и объединяет их. На самом деле здесь выполняется объединение массива внутренних вершин. Оно учитывает позицию объединённой геометрии. Именно поэтому нам было нужно, чтобы первый куб находился в (0,0,0). Меш имеет позицию, в отличие от геометрии — она всегда считается (0,0,0). Можно было бы написать функцию объединения для двух мешей, но это сложнее, чем наша система хранения фигур.

geometry = new THREE.CubeGeometry(Tetris.blockSize, Tetris.blockSize, Tetris.blockSize);

for(var i = 1 ; i < Tetris.Block.shape.length; i++) {

  tmpGeometry = new THREE.Mesh(new THREE.CubeGeometry(Tetris.blockSize, Tetris.blockSize, Tetris.blockSize));

  tmpGeometry.position.x = Tetris.blockSize * Tetris.Block.shape[i].x;

  tmpGeometry.position.y = Tetris.blockSize * Tetris.Block.shape[i].y;

  THREE.GeometryUtils.merge(geometry, tmpGeometry);

}

Имея объединённую геометрию, мы можем воспользоваться описанным выше трюком с двойными материалами.

Tetris.Block.mesh = THREE.SceneUtils.createMultiMaterialObject(geometry, [

  new THREE.MeshBasicMaterial({color: 0x000000, shading: THREE.FlatShading, wireframe: true, transparent: true}),

  new THREE.MeshBasicMaterial({color: 0xff0000})

]);

Нам нужно задать исходную позицию и вращение блока (центр поля для x,y и какое-то произвольное число для z).

// исходная позиция

  Tetris.Block.position = {x: Math.floor(Tetris.boundingBoxConfig.splitX/2)-1, y: Math.floor(Tetris.boundingBoxConfig.splitY/2)-1, z: 15};

 

  Tetris.Block.mesh.position.x = (Tetris.Block.position.x - Tetris.boundingBoxConfig.splitX/2)*Tetris.blockSize/2;

  Tetris.Block.mesh.position.y = (Tetris.Block.position.y - Tetris.boundingBoxConfig.splitY/2)*Tetris.blockSize/2;

  Tetris.Block.mesh.position.z = (Tetris.Block.position.z - Tetris.boundingBoxConfig.splitZ/2)*Tetris.blockSize + Tetris.blockSize/2;

  Tetris.Block.mesh.rotation = {x: 0, y: 0, z: 0};

  Tetris.Block.mesh.overdraw = true;

 

  Tetris.scene.add(Tetris.Block.mesh);

}; // конец Tetris.Block.generate()

При желании можно вызвать Tetris.Block.generate() из консоли.

Перемещение


На самом деле, перемещать блок очень просто. Для вращения мы используем внутренние структуры Three.js и нам нужно преобразовать углы в радианы.

Tetris.Block.rotate = function(x,y,z) {

  Tetris.Block.mesh.rotation.x += x * Math.PI / 180;

  Tetris.Block.mesh.rotation.y += y * Math.PI / 180;

  Tetris.Block.mesh.rotation.z += z * Math.PI / 180;

};

С позицией всё просто: Three.js нужна позиция, учитывающая размер блока, а нашей копии она не нужна. Для нашего развлечения в коде есть простая проверка касания пола; в дальнейшем мы её удалим.

Tetris.Block.move = function(x,y,z) {

  Tetris.Block.mesh.position.x += x*Tetris.blockSize;

  Tetris.Block.position.x += x;

 

  Tetris.Block.mesh.position.y += y*Tetris.blockSize;

  Tetris.Block.position.y += y;

 

  Tetris.Block.mesh.position.z += z*Tetris.blockSize;

  Tetris.Block.position.z += z;

  if(Tetris.Block.position.z == 0) Tetris.Block.hitBottom();

};

Касание пола и повторное создание


Помните, для чего нужна hitBottom? Если жизненный цикл блока завершился, мы должны преобразовать его в статичные кубы, удалить его из сцены и сгенерировать новый.

Tetris.Block.hitBottom = function() {

  Tetris.Block.petrify();

  Tetris.scene.removeObject(Tetris.Block.mesh);

  Tetris.Block.generate();

};

У нас уже есть generate(), а removeObject() — это функция Three.js для удаления неиспользуемых мешей. К счастью, ранее мы написали функцию для статичных кубов и теперь используем её в petrify().

Tetris.Block.petrify = function() {

  var shape = Tetris.Block.shape;

  for(var i = 0 ; i < shape.length; i++) {

    Tetris.addStaticBlock(Tetris.Block.position.x + shape[i].x, Tetris.Block.position.y + shape[i].y, Tetris.Block.position.z + shape[i].z);

  }

};

Мы использовали шорткат для Tetris.Block.shape, он повышает и понятность, и производительность кода, поэтому пользуйтесь этой техникой, когда это возможно. В этой функции мы видим, почему хранение фигуры и отдельного вращения было хорошей идеей. Благодаря этому, наш код будет приятно читать, а с распознаванием коллизий это будет ещё важнее.

Соединяем всё вместе


Итак, теперь у нас есть все необходимые для блоков функции, давайте теперь подключим их туда, где это необходимо. Нам нужно сгенерировать один блок в начале, так что изменим Tetris.start():

Tetris.start = function() {

  document.getElementById("menu").style.display = "none";

  Tetris.pointsDOM = document.getElementById("points");

  Tetris.pointsDOM.style.display = "block";

  Tetris.Block.generate(); // добавили эту строку

  Tetris.animate();

};

С каждым тактом игры мы должны двигать блок на один шаг вперёд, так что найдём место в Tetris.animate(), где мы выполняем движение, и изменим его:

while(Tetris.cumulatedFrameTime > Tetris.gameStepTime) {



   Tetris.cumulatedFrameTime -= Tetris.gameStepTime;



   Tetris.Block.move(0,0,-1);

Клавиатура


Нужно признаться: я ненавижу события клавиатуры. Коды клавиш бессмысленны и различаются для keydown и keypress. Не существует удобного способа опроса состояния клавиатуры, после второго keypress событие повторяется в 10 раз быстрее, чем для первых двух и так далее. Если вы хотите написать серьёзную игру с активным использованием клавиатуры, вам почти точно придётся написать обёртку для всей этой ерунды. Можно попробовать воспользоваться KeyboardJS, он выглядит неплохо. Для демонстрации идеи я воспользуюсь ванильным JS. Для его отладки я использовал console.log(keycode). Это сильно помогает в поиске нужных кодов.

window.addEventListener('keydown', function (event) {

  var key = event.which ? event.which : event.keyCode;

 

  switch(key) {

    case 38: // вверх (стрелка)

      Tetris.Block.move(0, 1, 0);

      break;

    case 40: // вниз (стрелка)

      Tetris.Block.move(0, -1, 0);

      break;

    case 37: // влево (стрелка)

      Tetris.Block.move(-1, 0, 0);

      break;

    case 39: // вправо (стрелка)

      Tetris.Block.move(1, 0, 0);

      break;

    case 32: // пробел

      Tetris.Block.move(0, 0, -1);

      break;

 

    case 87: // вверх (w)

      Tetris.Block.rotate(90, 0, 0);

      break;

    case 83: // вниз (s)

      Tetris.Block.rotate(-90, 0, 0);

      break;

 

    case 65: // влево (a)

      Tetris.Block.rotate(0, 0, 90);

      break;

    case 68: // вправо (d)

      Tetris.Block.rotate(0, 0, -90);

      break;   

 

    case 81: // (q)

      Tetris.Block.rotate(0, 90, 0);

      break;

    case 69: // (e)

      Tetris.Block.rotate(0, -90, 0);

      break;

  }

}, false);

Если запустить игру сейчас, то вы сможете перемещать и вращать блок. Распознавания коллизий не будет, но когда блок коснётся пола, он удалится и на поле появится новый блок. Так как мы не применяем вращение к хранящейся фигуре, статичная версия может вращаться иначе.

Объект поля


Мы начнём с нового класса для хранения информации о 3D-пространстве. Нам нужны значения const, enum. На самом деле, они не будут являться ни const, ни enum, поскольку всего этого нет в JS, однако в JS 1.8.5 есть новая функция freeze. Можно создать объект и защитить его от любых дальнейших модификаций. Она имеет широкую поддержку во всех браузерах, где можно запускать WebGL, и обеспечит нам реализацию похожих на enum объектов.

window.Tetris = window.Tetris  || {};

Tetris.Board = {};

 

Tetris.Board.COLLISION = {NONE:0, WALL:1, GROUND:2};

Object.freeze(Tetris.Board.COLLISION);

 

Tetris.Board.FIELD = {EMPTY:0, ACTIVE:1, PETRIFIED:2};

Object.freeze(Tetris.Board.FIELD);

Мы будем использовать поле enum для хранения состояния игрового поля в массиве полей. В начале игры нам нужно инициализировать его пустым.

Tetris.Board.fields = [];

 

Tetris.Board.init = function(_x,_y,_z) {

    for(var x = 0; x < _x; x++) {

        Tetris.Board.fields[x] = [];

        for(var y = 0; y < _y; y++) {

            Tetris.Board.fields[x][y] = [];

            for(var z = 0; z < _z; z++) {

                Tetris.Board.fields[x][y][z] = Tetris.Board.FIELD.EMPTY;

            }

        }

    }

};

Tetris.Board.init() должен вызываться до появления в игре блоков. Я вызываю её из Tetris.init, потому что мы можем легко передать размеры поля в качестве параметров:

// добавить в любое место Tetris.init

Tetris.Board.init(boundingBoxConfig.splitX, boundingBoxConfig.splitY, boundingBoxConfig.splitZ);

Также нам следует изменить функцию Tetris.Block.petrify, чтобы она сохраняла информацию в новый массив.

Tetris.Block.petrify = function () {

    var shape = Tetris.Block.shape;

    for (var i = 0; i < shape.length; i++) {

        Tetris.addStaticBlock(Tetris.Block.position.x + shape[i].x, Tetris.Block.position.y + shape[i].y, Tetris.Block.position.z + shape[i].z);

        Tetris.Board.fields[Tetris.Block.position.x + shape[i].x][Tetris.Block.position.y + shape[i].y][Tetris.Block.position.z + shape[i].z] = Tetris.Board.FIELD.PETRIFIED;

    }

};

Распознавание коллизий


В «Тетрисе» существует два основных типа коллизий. Первый — это коллизия со стеной, когда активный блок касается стены или другого блока при движении или повороте по осям x/y (т. е. на одном уровне). Второй — это коллизия с полом, которая происходит, когда блок двигается по оси z и касается пола или другого блока, после чего его жизненный цикл завершается.

Мы начнём с коллизий со стенами поля, которое реализовать довольно легко. Чтобы сделать код красивее (и быстрее) я снова использовал шорткаты.

Tetris.Board.testCollision = function (ground_check) {

    var x, y, z, i;

 

    // шорткаты

    var fields = Tetris.Board.fields;

    var posx = Tetris.Block.position.x, posy = Tetris.Block.position.y,

        posz = Tetris.Block.position.z, shape = Tetris.Block.shape;

 

    for (i = 0; i < shape.length; i++) {

        // 4 распознавания стен для каждой части фигуры

        if ((shape[i].x + posx) < 0 ||

            (shape[i].y + posy) < 0 ||

            (shape[i].x + posx) >= fields.length ||

            (shape[i].y + posy) >= fields[0].length) {

            return Tetris.Board.COLLISION.WALL;

        }

А как же обрабатывать коллизию «блок-блок»? Мы уже храним в массиве статичные блоки, поэтому можем проверять, пересекается ли блок с каким-то из существующих кубов. Вы можете задаться вопросом, почему для testCollision в качестве аргумента используется ground_check. Это результат простого наблюдения: коллизия «блок-блок» распознаётся почти одинаково для коллизии с полом и стеной. Единственное различие заключается в движении по оси z, которое должно вызвать касание пола.

if (fields[shape[i].x + posx][shape[i].y + posy][shape[i].z + posz - 1] === Tetris.Board.FIELD.PETRIFIED) {

    return ground_check ? Tetris.Board.COLLISION.GROUND : Tetris.Board.COLLISION.WALL;

}

Также мы будем проверять, не равна ли нулю позиция по оси z. Это означает, что под нашим движущимся блоком нет кубов, но он достиг уровня пола и всё равно должен превратиться в статичный.

  if((shape[i].z + posz) <= 0) {

            return Tetris.Board.COLLISION.GROUND;

        }

    }

};

Реакция на коллизию


Давайте теперь сделаем что-нибудь с имеющейся у нас информацией. Мы начнём с простейшего: с распознавания проигрыша. Можно сделать это, проверяя, не возникает ли коллизия непосредственно после создания нового блока. Если он касается пола, больше играть смысла нет.

Добавим в Tetris.Block.generate после вычисления позиции блока следующее:

if (Tetris.Board.testCollision(true) === Tetris.Board.COLLISION.GROUND) {

    Tetris.gameOver = true;

    Tetris.pointsDOM.innerHTML = "GAME OVER";

    Cufon.replace('#points');

}

С движением тоже всё просто. После изменения позиции мы вызываем распознавание коллизий, передавая в качестве аргумента информацию о движении по оси z.

Если есть коллизия со стеной, то перемещение было невозможным и нам нужно его отменить. Можно добавить несколько строк для вычитания позиции, но я ленив и предпочитаю снова вызвать функцию перемещения, но с обратными аргументами. Это никогда не будет использоваться с перемещением по оси z, поэтому в качестве z можно передать ноль.

Если фигура касается пола, то у нас уже есть функция hitBottom(), которую нужно вызвать. Она удалит из игры все активные фигуры, изменит состояние поля и создаст новую фигуру.

// добавляем вместо распознавания уровня пола

var collision = Tetris.Board.testCollision((z != 0));

if (collision === Tetris.Board.COLLISION.WALL) {

    Tetris.Block.move(-x, -y, 0); // лень-матушка

}

if (collision === Tetris.Board.COLLISION.GROUND) {

    Tetris.Block.hitBottom();

}

Если сейчас запустить игру, то вы заметите, что вращающаяся фигура непостоянна. Когда она касается пола, то возвращается к исходному значению вращения. Так получилось, потому что мы применяем вращение к мешу Three.js (как Tetris.Block.mesh.rotation), но не используем его для получения координат нашего описания фигуры на основе кубов. Чтобы учитывать это, нам нужен небольшой урок математики.

Математика 3D


Примечание: если вы боитесь математики или у вас мало времени, то можно пропустить эту часть. Важно знать, что происходит внутри вашего движка, но позже мы используем для этого функции Three.js.

Рассмотрим трёхэлементный вектор (представляющий позицию в 3D-пространстве). Чтобы преобразовать такой вектор в евклидовом пространстве, нужно прибавить другой вектор. Это можно представить следующим образом:

$\begin{matrix}x\\y\\z\\\end{matrix}\ + \begin{matrix}\delta x\\\delta y\\\delta z\\\end{matrix} = \begin{matrix}x'\\ y'\\ z'\\\end{matrix}$


Всё довольно просто. Проблема возникает, когда нам нужно повернуть вектор. Вращение по одной оси затрагивает две из трёх координат (проверьте, если не верите мне) и уравнения для этого не так просты. К счастью, существует один способ, используемый почти во всей генерируемой компьютером графике, включая Three.js, WebGL, OpenGL и сам GPU.

Как вы можете помнить из старшей школы, при умножении вектора на матрицу мы получаем другой вектор. На основании этого существует множество преобразований. Простейшее — это нейтральное преобразование (при помощи матрицы тождественности), которая не делает ничего, кроме демонстрации общей идеи, и используется как основа для других преобразований.

$\begin{matrix}x\\y\\z\\w\\\end{matrix}\ * \begin{matrix} 1 & 0 & 0 & 0\\0 & 1 & 0 & 0\\0 & 0 & 1 & 0\\0 & 0 & 0 & 1\end{matrix}\ = \begin{matrix}x\\y\\z\\w\\\end{matrix}$


Почему мы используем матрицы 4×4 и четырёхэлементные векторы вместо 3×3 и трёх элементов? Это позволяет обеспечить перенос на вектор:

$\begin{matrix}x\\y\\z\\w\\\end{matrix}\ * \begin{matrix} 1 & 0 & 0 & \delta x\\0 & 1 & 0 & \delta y\\0 & 0 & 1 & \delta z\\0 & 0 & 0 & 1\end{matrix}\ = \begin{matrix}x'\\y'\\z'\\w'\\\end{matrix}$


Это удобный математический фокус, упрощающий все уравнения. Также он помогает с устранением числовых ошибок и позволяет нам использовать ещё более сложные концепции наподобие кватернионов.

Масштабирование тоже выполняется просто:

$\begin{matrix}x\\y\\z\\w\\\end{matrix}\ * \begin{matrix} sx & 0 & 0 & 0\\ 0 & sy & 0 & 0\\ 0 & 0 & sz & 0\\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}= \begin{matrix}x * sx\\y * sy\\z * sz\\w'\\\end{matrix}$


Существует три матрицы для вращений, по одной для каждой оси.

Для оси x:

$\begin{matrix} 1 & 0 & 0 & 0\\ 0 & cos \alpha & -sin \alpha & 0\\ 0 & sin \alpha & cos \alpha & 0\\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}$


Для оси y:

$\begin{matrix} cos \alpha & 0 & sin \alpha & 0\\ 0 & 1 & 0 & 0\\ -sin \alpha & 0 & cos \alpha & 0\\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}$


Для оси z:

$\begin{matrix} cos \alpha & -sin \alpha & 0 & 0\\ sin \alpha & cos \alpha & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}$


Ещё один отличный аспект матричных преобразований заключается в том, что мы можем легко скомбинировать два преобразования, перемножив их матрицы. Если вы хотите выполнить вращение по всем трём осям, то можно перемножить три матрицы и получить матрицу преобразования. Таким образом, вы легко преобразуете вектор, описывающий позицию.

К счастью, чаще всего вам необязательно работать с математической библиотекой. В Three.js есть встроенная математическая библиотека и мы ею воспользуемся.

Снова о вращении


Для вращения фигуры в Three.js нам нужно создать матрицу вращения и умножить её на каждый вектор фигуры. Мы снова используем cloneVector, чтобы созданная фигура не зависела от той, которая хранится как паттерн.

// добавляем в Tetris.Block.rotate()

var rotationMatrix = new THREE.Matrix4();

rotationMatrix.setRotationFromEuler(Tetris.Block.mesh.rotation);

 

for (var i = 0; i < Tetris.Block.shape.length; i++) {

    Tetris.Block.shape[i] = rotationMatrix.multiplyVector3(

        Tetris.Utils.cloneVector(Tetris.Block.shapes[this.blockType][i])

    );

    Tetris.Utils.roundVector(Tetris.Block.shape[i]);

}

В матрице вращения и нашим описанием поля есть одна проблема. Поля индексируются как массив, индексы которого являются целыми числами, а результат умножения матрицы на вектор может быть float. JavaScript не очень хорошо работает с числами с плавающей запятой и я почти уверен, что при этом получатся позиции наподобие 1.000001 или 2.999998. Именно поэтому нам нужна функция округления.

Tetris.Utils.roundVector = function(v) {

    v.x = Math.round(v.x);

    v.y = Math.round(v.y);

    v.z = Math.round(v.z);

};

После вращения фигуры очень легко проверить, произошла ли коллизия. Я снова использовал тот же трюк для отмены вращения: повторно вызываю функцию, но с обратными параметрами. Обратите внимание, что коллизия никогда не происходит при отмене перемещения. При желании можно добавить дополнительный параметр, чтобы она не проверялась снова, когда это не требуется.

// добавляем в Tetris.Block.rotate()

if (Tetris.Board.testCollision(false) === Tetris.Board.COLLISION.WALL) {

    Tetris.Block.rotate(-x, -y, -z); // лень-матушка

}

Заполненность срезов и подсчёт очков


Эта функция будет довольно длинной, но простой. Чтобы проверить, заполнен ли срез, я вычисляю максимальное количество занятых полей и проверяю каждый срез (двигаясь по оси z) на заполненность. Благодаря этому, я могу изменить размер поля и эта функция всё равно продолжит работать. Старайтесь думать обо всех функциях так: если что-нибудь когда-нибудь может измениться, делайте код гибким.

Tetris.Board.checkCompleted = function() {

  var x,y,z,x2,y2,z2, fields = Tetris.Board.fields;

  var rebuild = false;

 

  var sum, expected = fields[0].length*fields.length, bonus = 0;

 

  for(z = 0; z < fields[0][0].length; z++) {

    sum = 0;

    for(y = 0; y < fields[0].length; y++) {

      for(x = 0; x < fields.length; x++) {

        if(fields[x][y][z] === Tetris.Board.FIELD.PETRIFIED) sum++;

      }

    }

Если срез заполнен, мы должны удалить его и сдвинуть все последующие срезы. Чтобы не пропустить сдвинутый срез, мы один раз уменьшаем z. Чтобы сделать игру интереснее, за одновременное заполнение нескольких срезов начисляются бонусные очки.

 if(sum == expected) {

    bonus += 1 + bonus; // 1, 3, 7, 15...

 

    for(y2 = 0; y2 < fields[0].length; y2++) {

      for(x2 = 0; x2 < fields.length; x2++) {

        for(z2 = z; z2 < fields[0][0].length-1; z2++) {

          Tetris.Board.fields[x2][y2][z2] = fields[x2][y2][z2+1]; // сдвиг

        }

        Tetris.Board.fields[x2][y2][fields[0][0].length-1] = Tetris.Board.FIELD.EMPTY;

      }

    }

    rebuild = true;

    z--;

  }

}

if(bonus) {

  Tetris.addPoints(1000 * bonus);

}

Хотя мы уже поработали с информацией о поле, нам по-прежнему нужно внести изменения в геометрии Three.js. Мы не можем делать это в предыдущем цикле, потому что это перестроит геометрии дважды или даже больше, если одновременно заполнено несколько срезов. Этот цикл проверяет каждый Tetris.Board.fields с соответствующим Tetris.staticBlocks, при необходимости добавляя и удаляя геометрии.

if(rebuild) {

    for(var z = 0; z < fields[0][0].length-1; z++) {

      for(var y = 0; y < fields[0].length; y++) {

        for(var x = 0; x < fields.length; x++) {

          if(fields[x][y][z] === Tetris.Board.FIELD.PETRIFIED && !Tetris.staticBlocks[x][y][z]) {

            Tetris.addStaticBlock(x,y,z);

          }

          if(fields[x][y][z] == Tetris.Board.FIELD.EMPTY && Tetris.staticBlocks[x][y][z]) {

            Tetris.scene.removeObject(Tetris.staticBlocks[x][y][z]);

            Tetris.staticBlocks[x][y][z] = undefined;

          }

        }

      }

    }

  }

};

Audio API


Добавить звук в игру можно при помощи HTML5. Давайте начнём с добавления в index.html элементов <audio>.

<audio id="audio_theme" src="music/tetris.mp3" preload="auto"></audio>

<audio id="audio_move" src="music/move.mp3" preload="auto"></audio>

<audio id="audio_collision" src="music/collision.mp3" preload="auto"></audio>

<audio id="audio_gameover" src="music/gameover.mp3" preload="auto"></audio>

<audio id="audio_score" src="music/cash.mp3" preload="auto"></audio>

Пользоваться этими файлами в JS тоже очень легко. Сначала создадим объект для хранения наших звуков:

// перед Tetris.init()

Tetris.sounds = {};

Для вызова Audio API нам нужно получить эти элементы DOM.

// в Tetris.init()

Tetris.sounds["theme"] = document.getElementById("audio_theme");

Tetris.sounds["collision"] = document.getElementById("audio_collision");

Tetris.sounds["move"] = document.getElementById("audio_move");

Tetris.sounds["gameover"] = document.getElementById("audio_gameover");

Tetris.sounds["score"] = document.getElementById("audio_score");

Существует множество способов, и вы даже можете написать собственный аудиоплеер, но для наших целей достаточно play() и pause(). Наверно, вы уже догадались, куда нужно добавлять музыку:

  • Tetris.sounds["theme"].play() – в Tetris.init(), сразу после инициализации объекта звука.
  • Tetris.sounds["theme"].pause() – в Tetris.start().
  • else {Tetris.sounds["move"].play();} – в Tetris.Block.move(), если нет коллизии с полом.
  • Tetris.sounds["collision"].play(); – в Tetris.Block.move(), если коллизия с полом была.
  • Tetris.sounds["score"].play(); – в Tetris.addPoints().
  • Tetris.sounds["gameover"].play(); – в Tetris.Block.generate(), где мы выполняем проверку на проигрыш.

Заключение


Вот и всё! Наш «Тетрис» теперь работает. Надеюсь, это был интересный способ изучения Three.js. Есть много других тем, например, более сложные геометрии, шейдеры, скелетная анимация и т. п., но здесь мы их не рассматривали. Я просто хотел показать, что для создания игры они не всегда нужны.

Если вы хотите узнать больше, то, вероятно, вам следует в дальнейшем работать с чистым WebGL. Можно начать с этого туториала. Также изучите «Building the Game» Брэндона Джонса.

Комментарии (5)


  1. paranoid_sonata
    14.08.2022 16:16
    #24628564
    +2

    Как же это сложно. Вроде простая игра, а сколько труда и интеллекта в неё вложено. Невероятно.


    1. saboteur_kiev
      14.08.2022 17:10
      #24628706

      blockout


  1. agentf
    15.08.2022 13:19
    #24631088

    Делал нечто похожее на первом курсе на юнити https://tetris.yuri.sh/


  1. kay
    15.08.2022 13:21
    #24631092

    http://www.blockout.net/


  1. TedBeer
    15.08.2022 16:13
    #24631796

    Первый раз в 3Д тетрис я играл году в 1990-91м. 30 лет (!) однако игре.