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Luz y Sombra para mundos 2d. (spanish)

Los efectos de luz y sombra en tiempo real pueden causar un gran impacto en la presentación de tu juego si los sabes usar sabiamente y además se esperan formen parte de cualquier juego moderno.

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En el caso de 3d, los métodos mas comunes para generar sombras en tiempo real son Shadow Mapping y Shadow Volumes (checa la documentación de tu engine favorito), cada uno con sus respectivas ventajas / desventajas y con costo de procesamiento alto si solo se esta haciendo un juego con apariencia 2d (pero con geometría 3d).

Las sombras en tiempo real no tienen por que ser algo exclusivo para mundos con geometría 3d, existen juegos 100% 2D que tienen efectos de luz y sombra en 2D .

Después de repasar varios artículos en internet que describen algunas técnicas y revisar algunas implementaciones existentes (plugins para engines como Game Maker) decidí desarrollar este tutorial que espero les sea útil, en el que describo una implementación (independiente del engine que utilices o si estas evaluando utilizar algún plugin) basada en generación de geometría y shaders simples.


(video del Demo al final del post)

¿Cómo hacemos luces y sombras 2d en tiempo real?

En el caso de 2d podemos usar algo similar a los shadow volumes, ya sea generar la geometría que cubre la luz o generar la geometría que no es cubierta por la luz, nuestro modelo de iluminación no será 100% fiel a los modelos físicos reales pero será una aproximación bastante aceptable.

¿Qué es una sombra?

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La sombra es el área que esta fuera del alcance de la luz , áreas que son bloqueadas por shadow casters. Así que para generar sombras ocupamos primero una fuente de luz y los shadow casters que la bloquean.

Podemos empezar con una fuente de luz simple: una luz omnidireccional que cubre un área cuadrada finita NxN y los shadow casters serán la geometría que compone el nivel del juego.

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Ya tenemos nuestra fuente de luz definida, ahora lo que sigue es generar las sombras.

¿Cómo generar las sombras?

Para esto tenemos 2 opciones:

1. Calcular la región (geometría 2d) que no es iluminada por la luz.

2. Calcular la región (geometría 2d) que es iluminada la luz.

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Cualquiera de las 2 opciones es valida, yo he decidido tomar la opción 2: calcular la geometría que representa el área iluminada por la luz.

¿Cómo calcular la geometria iluminada por la luz?

Nuestro problema ahora consiste detectar los borders de los shadow casters con los cuales colisionan los rayos de luz emitidos por nuestra fuente de luz como se ve en el la siguiente imagen:

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¿Cuántos rayos lanzamos, muchos?¿Que tan eficiente es eso?

Bueno en realidad no necesitamos lanzar rayos para determinar si colisionan con los shadow casters.

Lo que se puede hacer es tomar los vértices de los shadow casters y seleccionar aquellos que generen líneas que van directo al centro de la luz sin toparse con nada de por medio. También hay que tomar en cuenta los puntos de los shadow casters que se intercectan con los borders de la región de luz.

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Para hacer mas eficiente el proceso podemos usar AABB queries para detectar intersecciones con el AABB de la region del luz, y de esta forma reducir la selección de vertices cercanos a la luz.

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Listo, ya tenemos los puntos q conforman el area iluminada por la luz, ahora solo conectamos los puntos para generar el polígono y pintarlo sobre el piso . La ventaja de este polígono es que se puede renderear fácilmente con un triangle strip y reducir la información de vértices que se envía al GPU.

Los siguientes screenshots (tomados del demo anexo) muestran como quedaría con lo que llevamos de momento.

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Ya tenemos luz pero no luce muy bien que digamos pues estamos rendereando el área de la luz con un color constante.Podemos usar una textura con degradado circular para hacer el efecto de desvanecimiento, listo :D.

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Ahora un poco de color : para esto simplemente pintamos un quad con degradado circular del color de nuestra fuente de luz.

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Y el truco para que luzca como se ve en el screenshot es el siguiente: al pintar este quad usamos una función de blending que sea equivalente a una multiplicación RGB1 x RGB2. (pixel por pixel). Esto lo que hace es multiplicar el valor de la luz que estamos pintando por el valor del pixel que se encuentra debajo.

En opengl esto se logra usando la funcion glBlendFunc( GL_ZERO, GL_SRC_COLOR).

Se puede experimentar con varios efectos (yo uso por ejemplo GIMP para diseñar y modelar el rendering por capas y posteriormente programar el shader).

Y ahora, ¿cómo hacer muchas luces?

Para pintar multiples luces, solo es cuestión de usar FBOs ( “Frame Buffer Object” o “Render to Texture” o “Post processing” o como quieras llamarlo).

1. Pintamos los colores de las luces en un FBO1 y dejamos que se mezclen los colores usando operaciones de color blending (ADD).

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2. Pintamos la geometría de luz generada por cada una de las luces en un FBO2 y dejamos que se acumulen las intensidades usando alpha blending (ADD).

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3. Procedemos a pintar el suelo (o fondo) del mundo 2d.

4. Pintamos encima el FBO2 (que contiene las regiones de luz en escala de gris / alpha).

5. Pintamos la geometría de nuestro mundo 2d (shadow casters).

6. Finalmente pintamos el FBO1: colores mezclados de cada luz. (usando blending MULTIPLY).

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Listo! Ya tenemos un implementación de luces y sombras para geometría 2d, simple y de bajo uso de recursos y que funciona además en Openg GL ES 2.0 (que es lo que soportan la mayoría de los dispositivos mobiles actuales).

Screenshot final del demo (3 luces simultáneas).

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Esta técnica es útil si estamos desarrollando un juego2d y queremos evitar generar geometría 3d para cálculos de luz y sombra. si usas box2d puedes reutilizar la geometría de los fixtures y utilizarla como shadow caster, y además se pueden “eficientizar” los cálculos usando AABB queries para solo procesar la geometría dentro del área de luz.

¿Qué mas falta?

+ Las penumbras (soft shadows): ocupamos generar mas geometría para degradar los bordes de las sombras, no es tan complicado, solo un poco de geometría analítica y listo. La otra opción es hacer una especie de blur shader durante el rendering de las sombras.

+ Per-pixel lighting : el piso se ve muy plano no estaría mal agregarle bump mapping.

+ Modelar otros tipos de luz (direccional , lámpara): para esto es solo cambiar la forma de la región de luz (en vez de un cuadro, usar un triángulo), hacer algunas adecuaciones en los cálculos (origen y ángulo de la luz) y usar texturas acordes.

Demo:

Link del demo para win32 : Demo 2d Shadows

(este demo fue desarrollado usando librerías open source multiplataforma irrlicht / sdl 2.0, mismas que he utilizado para varios juegos que he publicado en iOS , Android y Windows phone).

En próximos posts, publicaré otra técnica útil para engines 2d (o quizas continuar una 2ª parte de este articulo con los temas de soft-shadows y per-pixel lighting 2d).

Referencias:

http://archive.gamedev.net/archive/reference/programming/features/2dsoftshadow/

http://www.redblobgames.com/articles/visibility/

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