Wolfenstein 3D в EXCEL?

В прошлый раз я рассказал как малой кровью сделать подобие игры «3 в ряд» в рабочей книге Excel с использованием встроенного языка программирования Visual Basic for Applications (VBA).

К моему величайшему удивлению, статья понравилась людям. В комментариях даже возникла ссора о востребованности жанра Roguelike после моих слов о возможной разработке подобной игры в Excel. Словесная перепалка закончилась дуэлью, и справедливость восторжествовала.

С тех пор прошло почти три месяца, а Roguelike игра все еще находится в стадии «возможно когда-нибудь я к ней приступлю». Прости, храбрый воин, отстоявший честь жанра. Самурай тебя подвел. *Уходит делать сэппуку*.

На деле же за это время произошло много событий. Например, коллега заинтересовал меня программированием микроконтроллеров. Я поморгал встроенным светодиодом на WEMOS D1 Mini (на базе ESP8266), написал небольшую программу для подключения платы к домашнему WI‑FI, а потом задумался о перспективах этого направления.

Так как всю сознательную жизнь меня интересовали компьютерные игры, то я решил, что создание портативной консоли на базе аналогичного процессора — это удачная идея. А создание игры для этой консоли с абсолютного нуля, включая написание игрового движка в условиях ограниченной производительности процессора и мизерного объема встроенной памяти — это просто гениально.

Очевидно, в какой-то момент мне стало плохо от осознания своей беспомощности. Для человека, который вроде бы нормально знает VBA и плавает в CSharp (как написать название этого языка без проставления хэштэга?), попытка реализации игры на C/C++ смерти подобна.

Тогда я приступил к поиску решения. Оно оказалось очевидным, но я искал его около месяца. Да, я не очень сообразительный.

Решение — притормозить с портативной консолью, сосредоточиться на алгоритмах игрового движка, а также использовать для этого более приятный в освоении язык!

Гениально, правда?

Примерно в это же время я нашел замечательный фреймворк Monogame для СSharp, написанный на базе XNA. Я не буду рассказывать о своей находке, потому что это уже сделали за меня.

ИТОГ РАЗ: проект консоли заморозить до лучших времён.

ИТОГ ДВА: игре быть (надеюсь, что в ближайшем будущем).

Что еще можно ожидать от человека, который занимается странными вещами и тестирует все самые безумные идеи в Excel?

Еще больше насилия над офисным инструментом и устаревшим языком программирования!

Так как игра изначально планировалась к реализации на базе маломощного процессора, то единственным очевидным решением было использовать ретро стиль, который не требует много ресурсов.

Какая игра портирована даже на осциллограф (Нет, это не Скайрим, отстань, Тодд) и не требует по современным меркам практически ничего?

Конечно, Doom (1993). Но графический движок Doom оказался для меня достаточно сложным в освоении, поэтому я обратил внимание на более старое творение id Software — Wolfenstein 3D.

Фактически, Wolfenstein 3D мог бы называться просто Wolfenstein. Приписка «3D» скорее всего появилась исключительно в коммерческих целях.

Графический движок Wolfenstein 3D представляет собой лишь проекцию 2D пространства, по которому перемещается главный герой. При этом пол и потолок располагаются на одном уровне, а стены всегда параллельны осям X и Y. Никакого разнообразия.

Вот так это выглядит (картинка нагло украдена с Вики):

Технология, которая позволяет добиться такого результата, называется Raycasting или «Бросание лучей».

Исходя из направления взгляда игрока и его положения в декартовой системе координат, программа «бросает» один за другим так называемые лучи в пределах поля зрения. Когда луч «врезается» в стену, в память записывается расстояние от игрока до этой стены.

Во время рендеринга изображения на экране происходит отрисовка столбцов пикселей исходя из длины лучей. Чем длиннее луч, тем ниже нарисованный столбец.

В этом и заключается суть ядра графического движка Wolfenstein 3D.

Это лишь тестовая версия, поэтому я не стал изображать из себя психа до победного и реализовывать отрисовку текстур. Лабиринт остался схематичным. Кроме этого, многие моменты, которые были бы важны для итоговой реализации игры, в коде я опустил. Например, направление взгляда игрока — это переменная, которую можно поменять только вручную. Да и код иногда может показаться странным.

Так как все данные в Excel хранятся в табличной форме, а размер ячеек таблицы изменяется, то можно представить, что ячейки — это своеобразные пиксели.

Сперва нужно определиться с размером «экрана». Я выбрал такие значения:

Высота — 64 ячейки.
Ширина — 96 ячеек.

Такое соотношение ячеек не слишком нагружает Excel при отрисовке уровня. При желании эти значения можно изменить, потому что изображение получается уж очень ступенчатым.

Карта уровня находится на соседнем листе:

Единички символизируют стены. «P» — это игрок.

Открываем встроенную IDE (как бы громко это ни звучало) и создаём модуль. Первым делом пишем следующий код:

Option Explicit Option Base 0 'Ширина и высота экрана, поле зрения, размер 'одного блока Const RENDER_H = 64 Const RENDER_W = 96 Const FOV = 75 Const cellHeight = 64 Const cellWidth = 64 'Определяем переменные Sub startRender() Dim plX As Double, plY As Double, plPOV As Double, _ arrMap() As Variant, rngMap As Range, mapHeight As Long, mapWidth As Long, _ arrRender() As Variant 'Определение размера карты mapHeight = Sheets("MAP").Cells(Rows.Count, 1).End(xlUp).Row mapWidth = Application.WorksheetFunction.CountA(Sheets("MAP").Rows(1)) 'Диапазон карты Set rngMap = Sheets("MAP").Range(Sheets("MAP").Cells(1, 1), _ Sheets("MAP").Cells(mapHeight, mapWidth)) arrMap() = rngMap.Value 'Расчёт положения игрока на карте plX = GetPlayerCoord(arrMap(), "X") plY = GetPlayerCoord(arrMap(), "Y") 'То самое направление взгляда, изменение которого мне лень прописывать plPOV = Application.WorksheetFunction.Radians(90) 'Вызываем функцию, которая возвращает массив данных для отрисовки изображения arrRender() = getArrayForRender(plX, plY, plPOV, arrMap()) Call renderImage(arrRender()) End Sub

Функция для определения положения игрока в системе координат выглядит следующим образом (на деле эту функцию можно сократить до нескольких строк, так как длина одного блока стены по X == его длине по Y. Для тестовой версии сойдёт и так):

Function GetPlayerCoord(arrMap() As Variant, strAxis As String) As Double Dim countFD As Long, countSD As Long For countFD = 1 To UBound(arrMap(), 1) For countSD = 1 To UBound(arrMap(), 2) If arrMap(countFD, countSD) = "P" Then If strAxis = "X" Then GetPlayerCoord = (cellWidth / 2) + (cellWidth * countSD) ElseIf strAxis = "Y" Then GetPlayerCoord = (cellHeight / 2) + (cellHeight * countFD) End If End If Next Next End Function

P.S. Я уже почти нажал кнопку, чтобы опубликовать статью, и меня осенило, что можно вообще избавиться от переменной «размер блока» и этой функции. Я уже говорил, что не очень сообразительный?

Теперь самое интересное. Для начала посмотрите на этот «профессиональный» чертеж:

Важный момент: все градусы необходимо перевести в радианы. Как не очень хороший программист (и еще более хреновый математик) я долго не мог понять, почему вместо стены программа рисует что-то невразумительное.

Всего за цикл программа кастует ровно столько лучей, сколько пикселей занимает ширина поля вывода изображения. В нашем случае — 96 «ячеек-пикселей». В прошлом, когда компьютеры были слабые, это бы однозначно замедлило игру. Но мы живём во времена, когда не жалеют ресурсов даже для яиц коня, поэтому отрисовка целых 2 073 600 (1920 * 1080) различных пикселей не должна замедлить процессор. Конечно я говорю не про Excel, который подтормаживает даже при 6144 (96*64) «пикселях».

Первый луч будет «брошен» под углом, который рассчитывается по формуле: направление взгляда — поле обзора/2.

Для того, чтобы в процессе рендеринга изображения не было странных смещений, нужно правильно рассчитать разницу углов двух выпущенных рядом лучей. Делим поле обзора игрока на ширину экрана и получаем нужное число. В дальнейшем каждый последующий брошенный луч будет смещён именно на столько градусов по сравнению с предыдущим.

Угол последнего луча рассчитывается по формуле: направление взгляда + поле обзора/2.

Когда луч встречает на пути стену, высота столбца этой стены записывается в массив, длина которого также равна ширине экрана.

Высота столбца рассчитывается исходя из высоты экрана и размера одного блока стены. Произведение этих двух показателей делится на полученные значения дистанции до стены (длину луча). Для того, чтобы в результате отрисовки стен не получился эффект «fish eye», полученное значение умножается на косинус разницы направления взгляда и поля обзора игрока.

Function getArrayForRender(plX As Double, plY As Double, _ plPOV As Double, arrMap() As Variant) As Variant Dim arrRender(0 To 95) As Variant, countRays As Integer, countLength As Double, rayX As Double, rayY As Double, _ rayXMod As Long, rayYMod As Long, FOVAngle As Double, plFOV As Double plFOV = Application.WorksheetFunction.Radians(FOV) For countRays = 0 To 95 Step 1 'Рассчитываем угол каждого последующего луча FOVAngle = (plPOV - plFOV / 2) + (countRays * (plFOV / RENDER_W)) 'Цикл, который перемещает луч вперёд под установленным углом For countLength = 0 To RENDER_H * 20 Step 0.05 'Новые значения X и Y для каждой итерации цикла rayY = plY + countLength * Sin(FOVAngle) rayX = plX + countLength * Cos(FOVAngle) 'Считаем, в каком элементе массива карты находится стена rayYMod = Int(rayY / cellHeight) rayXMod = Int(rayX / cellWidth) 'Если луч встречает стену ("1") If arrMap(rayYMod, rayXMod) = "1" Then 'Записываем в массив высоту каждого столбца arrRender(countRays) = (Int((RENDER_H * 64) / (countLength * Cos(plPOV - FOVAngle)))) Exit For End If Next Next getArrayForRender = arrRender() End Function

Осталось лишь взять полученный в процессе работы предыдущей функции массив значений и отрисовать поочерёдно каждый столбец нашего «экрана».

Для этого пишем следующий метод:

Sub renderImage(arrRender() As Variant) Dim rngField As Range, countColumns As Integer, countRows As Integer, firstRow As Integer 'Запускаем оптимизацию: отключение обновления экрана stuffM.startOpt Set rngField = Sheets("RENDER").Range(Sheets("RENDER").Cells(2, 2), Sheets("RENDER").Cells(RENDER_H + 1, RENDER_W + 1)) rngField.Interior.Color = RGB(200, 200, 200) For countColumns = 1 To 96 'Каждое нечетное число приводим к четному для более плавной отрисовки If arrRender(countColumns - 1) Mod 2 <> 0 Then arrRender(countColumns - 1) = arrRender(countColumns - 1) End If 'Если столбец выше размера экрана, приводим его к размеру экрана If arrRender(countColumns - 1) > 64 Then arrRender(countColumns - 1) = 64 End If 'Ячейка, с которой начинается отрисовка столбца firstRow = RENDER_H / 2 - arrRender(countColumns - 1) / 2 'Отрисовка столбцов For countRows = firstRow To firstRow + arrRender(countColumns - 1) rngField.Cells(countRows, countColumns).Interior.Color = vbWhite Next Next 'Останавливаем оптимизацию stuffM.stopOpt End Sub

Вот что получается в итоге:

Видео, которое демонстрирует процесс рендеринга

Конечно, это всего лишь первые шаги к созданию полноценного графического ядра для Wolfestein-подобной игры. Помимо прочего нужно прописать рендеринг текстур, спрайтов, оружия, HUD.

В этой тестовой версии я реализовал перемещение игрока, но исключительно параллельно осям координат. Добавив в код еще десяток строк, можно реализовать поворот игрока вокруг своей оси, но такой цели у меня не было (при желании изменить направление взгляда можно в самом коде).

Для всех желающих прикладываю сам файл, чтобы можно было посмеяться над кодом или попробовать побродить по уровню.

yadi.sk

RayCast.xlsm

Код в файле немного отличается от приведённого выше, потому что я правил его на ходу. Избавлялся от мусора и разных тестовых строк.

P.S. Теперь, когда я испытал подобный опыт, тот клон Doom, который сделал в Excel один несчастный программист (с разрушением окружения, многоуровневостью и даже воксельными моделями), уже не кажется таким фантастическим. Конечно путь от простого рендеринга лабиринта до полноценной игры - сложный путь. Он требует огромного количества времени, сил, знаний и навыка усидчивости.

Но сразу же возникает один вопрос. Зачем тратить на это время и силы, если можно двигаться вперед, а к VBA возвращаться лишь для очередного забавного теста технологии, которая противоречит самой сущности Excel?