Stjärnfält med en shader

Screenshot

Den gröna bakgrunden börjar kännas lite tråkig, så nu är det dags att göra en lite mer intressant bakgrund. Vi kommer använda oss av en pixel shader för att göra ett stjärnfält. Hur man kodar en shader ligger utanför den här guiden, utan vi kommer använda oss av en färdig utan att gå in på detaljerna.

Kortfattat är en shader ett program som körs på datorns GPU, skrivet i ett C-liknande programmeringsspråk som kallas GLSL. Shadern består av två delar, en vertex shader och en fragment shader. Vertex shadern konverterar från koordinater i en 3D-miljö till 2D-koordinater för en skärm. Fragment shadern körs sedan för varje pixel på skärmen, och sätter variabeln gl_FragColor som avgör vilken färg pixeln ska ha. Eftersom vårt spel är i 2D så gör vertex shadern ingenting mer än att sätta positionen.

Implementering

Shaders

Längst upp i main.rs ska vi lägga till en vertex shader och fragment-shadern från en fil som vi kommer skapa senare. Vi använder oss av Rusts macro include_str!() som läser in filen som en &str vid kompileringen. Vertex-shadern är så kort att den kan läggas in direkt här i källkoden.

Den viktigaste raden i shadern är den som sätter gl_Position. För enkelhetens skull sätter vi iTime som används av shadern från _Time.x. Det hade också gått att använda _Time direkt i shadern.

const FRAGMENT_SHADER: &str = include_str!("starfield-shader.glsl");

const VERTEX_SHADER: &str = "#version 100
attribute vec3 position;
attribute vec2 texcoord;
attribute vec4 color0;
varying float iTime;

uniform mat4 Model;
uniform mat4 Projection;
uniform vec4 _Time;

void main() {
    gl_Position = Projection * Model * vec4(position, 1);
    iTime = _Time.x;
}
";

Initialisera shadern

I vår main() funktion, innan loopen, så måste vi sätta upp några variabler för att kunna rita ut shadern. Vi börjar med att skapa variabeln direction_modifier som vi ska använda för att påverka hur stjärnorna rör sig medan cirkeln förflyttas i sidled. Därefter skapar vi en render_target som shadern kommer att renderas till.

Sen laddar vi in vår vertex shader och fragment shader till en Material med hjälp av en ShaderSource::Glsl.

I parametrarna sätter vi även upp två uniforms till shadern som är globala variabler som vi kan sätta för varje bildruta. Uniformen iResolution innehåller fönstrets storlek, och direction_modifier kommer användas för att styra åt vilken riktning stjärnorna ska röra sig.

    let mut direction_modifier: f32 = 0.0;
    let render_target = render_target(320, 150);
    render_target.texture.set_filter(FilterMode::Nearest);
    let material = load_material(
        ShaderSource::Glsl {
            vertex: VERTEX_SHADER,
            fragment: FRAGMENT_SHADER,
        },
        MaterialParams {
            uniforms: vec![
                ("iResolution".to_owned(), UniformType::Float2),
                ("direction_modifier".to_owned(), UniformType::Float1),
            ],
            ..Default::default()
        },
    )
    .unwrap();

Info

Macroquad lägger automatiskt in några uniforms till shaders. De som finns tillgängliga är _Time, Model, Projection, Texture och _ScreenTexture.

Rita ut shadern

Nu är det dags att byta ut den lila bakgrund till vårt stjärnfält. Byt ut kodraden clear_background(DARKPURPLE); till nedanstående kod.

Först måste vi tilldela fönstrets upplösning till materialets uniform iResolution för att alltid få rätt fönsterstorlek. Vi sätter även uniformen direction_modifier till värdet av den motsvarande variabeln.

Därefter använder vi funktionen gl_use_material() för att använda materialet. Slutligen använder vi funktionen draw_texture_ex() för att rita ut texturen från vår render_target på skärmens bakgrund. Innan vi fortsätter återställer vi shadern med gl_use_default_material() så den inte används när vi ritar ut resten av spelet.

        clear_background(BLACK);

        material.set_uniform("iResolution", (screen_width(), screen_height()));
        material.set_uniform("direction_modifier", direction_modifier);
        gl_use_material(&material);
        draw_texture_ex(
            &render_target.texture,
            0.,
            0.,
            WHITE,
            DrawTextureParams {
                dest_size: Some(vec2(screen_width(), screen_height())),
                ..Default::default()
            },
        );
        gl_use_default_material();

Styr stjärnornas rörelse

När spelaren håller ner höger eller vänster piltangent så lägger vi till eller drar ifrån ett värde från variabeln direction_modifier så att shadern kan ändra riktningen på stjärnornas rörelse. Även här multiplicerar vi värdet med delta_time så det blir relativt till hur lång tid det har tagit sedan föregående bildruta.

               if is_key_down(KeyCode::Right) {
                   circle.x += MOVEMENT_SPEED * delta_time;
                   direction_modifier += 0.05 * delta_time;
               }
               if is_key_down(KeyCode::Left) {
                   circle.x -= MOVEMENT_SPEED * delta_time;
                   direction_modifier -= 0.05 * delta_time;
               }

Skapa fil för shadern

Till sist måste vi skapa en fil som innehåller fragment shadern. Skapa en fil med namnet starfield-shader.glsl i din src-katalog och lägg in följande kod:

#version 100

// Starfield Tutorial by Martijn Steinrucken aka BigWings - 2020
// countfrolic@gmail.com
// License Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License.
// From The Art of Code: https://www.youtube.com/watch?v=rvDo9LvfoVE

precision highp float;

varying vec4 color;
varying vec2 uv;
varying float iTime;

uniform vec2 iResolution;
uniform float direction_modifier;

#define NUM_LAYERS 4.

mat2 Rot(float a) {
    float s = sin(a), c = cos(a);
    return mat2(c, -s, s, c);
}

float Star(vec2 uv, float flare) {
    float d = length(uv);
    float m = .05 / d;

    float rays = max(0., 1. - abs(uv.x * uv.y * 1000.));
    m += rays * flare;
    uv *= Rot(3.1415 / 4.);
    rays = max(0., 1. - abs(uv.x * uv.y * 1000.));
    m += rays * .3 * flare;

    m *= smoothstep(1., .2, d);

    return m;
}

float Hash21(vec2 p) {
    p = fract(p * vec2(123.34, 456.21));
    p += dot(p, p + 45.32);
    return fract(p.x * p.y);
}

vec3 StarLayer(vec2 uv) {
    vec3 col = vec3(0);

    vec2 gv = fract(uv) - .5;
    vec2 id = floor(uv);

    float t = iTime * 0.1;
    for (int y = -1; y <= 1; y++) {
        for (int x = -1; x <= 1; x++) {
            vec2 offs = vec2(x, y);

            float n = Hash21(id + offs); // random between 0 and 1
            float size = fract(n * 345.32);
            float star = Star(gv - offs - vec2(n, fract(n * 42.)) + .5, smoothstep(.9, 1., size) * .6);
            vec3 color = sin(vec3(.8, .8, .8) * fract(n * 2345.2) * 123.2) * .5 + .5;
            color = color * vec3(0.25, 0.25, 0.20);
            star *= sin(iTime * 3. + n * 6.2831) * .5 + 1.;
            col += star * size * color;
        }
    }
    return col;
}

void main()
{
    vec2 uv = (gl_FragCoord.xy - .5 * iResolution.xy) / iResolution.y;
    float t = iTime * .02;

    float speed = 3.0;
    vec2 direction = vec2(-0.25 + direction_modifier, -1.0) * speed;

    uv += direction;
    vec3 col = vec3(0);

    for (float i = 0.; i < 1.; i += 1. / NUM_LAYERS) {
        float depth = fract(i+t);
        float scale = mix(20., .5, depth);
        float fade = depth * smoothstep(1., .9, depth);
        col += StarLayer(uv * scale + i * 453.2) * fade;
    }

    gl_FragColor = vec4(col, 1.0);
}

Info

Om du vill veta hur shadern fungerar så kan du titta på videon Shader Coding: Making a starfield av The Art of Code.

Nu är vårt stjärnfält klart och vårt spel börjar se ut som det utspelar sig i rymden!

Utmaning

Titta på videon som nämns ovan och se om du kan ändra på färger och storlek på stjärnorna.

Kompletta källkoden

Klicka för att visa hela källkoden

use macroquad::prelude::*;

use std::fs;

const FRAGMENT_SHADER: &str = include_str!("starfield-shader.glsl");

const VERTEX_SHADER: &str = "#version 100
attribute vec3 position;
attribute vec2 texcoord;
attribute vec4 color0;
varying float iTime;

uniform mat4 Model;
uniform mat4 Projection;
uniform vec4 _Time;

void main() {
    gl_Position = Projection * Model * vec4(position, 1);
    iTime = _Time.x;
}
";

struct Shape {
    size: f32,
    speed: f32,
    x: f32,
    y: f32,
    collided: bool,
}

impl Shape {
    fn collides_with(&self, other: &Self) -> bool {
        self.rect().overlaps(&other.rect())
    }

    fn rect(&self) -> Rect {
        Rect {
            x: self.x - self.size / 2.0,
            y: self.y - self.size / 2.0,
            w: self.size,
            h: self.size,
        }
    }
}

enum GameState {
    MainMenu,
    Playing,
    Paused,
    GameOver,
}

#[macroquad::main("My game")]
async fn main() {
    const MOVEMENT_SPEED: f32 = 200.0;

    rand::srand(miniquad::date::now() as u64);
    let mut squares = vec![];
    let mut bullets: Vec<Shape> = vec![];
    let mut circle = Shape {
        size: 32.0,
        speed: MOVEMENT_SPEED,
        x: screen_width() / 2.0,
        y: screen_height() / 2.0,
        collided: false,
    };
    let mut score: u32 = 0;
    let mut high_score: u32 = fs::read_to_string("highscore.dat")
        .map_or(Ok(0), |i| i.parse::<u32>())
        .unwrap_or(0);
    let mut game_state = GameState::MainMenu;

    let mut direction_modifier: f32 = 0.0;
    let render_target = render_target(320, 150);
    render_target.texture.set_filter(FilterMode::Nearest);
    let material = load_material(
        ShaderSource::Glsl {
            vertex: VERTEX_SHADER,
            fragment: FRAGMENT_SHADER,
        },
        MaterialParams {
            uniforms: vec![
                ("iResolution".to_owned(), UniformType::Float2),
                ("direction_modifier".to_owned(), UniformType::Float1),
            ],
            ..Default::default()
        },
    )
    .unwrap();

    loop {
        clear_background(BLACK);

        material.set_uniform("iResolution", (screen_width(), screen_height()));
        material.set_uniform("direction_modifier", direction_modifier);
        gl_use_material(&material);
        draw_texture_ex(
            &render_target.texture,
            0.,
            0.,
            WHITE,
            DrawTextureParams {
                dest_size: Some(vec2(screen_width(), screen_height())),
                ..Default::default()
            },
        );
        gl_use_default_material();

        match game_state {
            GameState::MainMenu => {
                if is_key_pressed(KeyCode::Escape) {
                    std::process::exit(0);
                }
                if is_key_pressed(KeyCode::Space) {
                    squares.clear();
                    bullets.clear();
                    circle.x = screen_width() / 2.0;
                    circle.y = screen_height() / 2.0;
                    score = 0;
                    game_state = GameState::Playing;
                }
                let text = "Press space";
                let text_dimensions = measure_text(text, None, 50, 1.0);
                draw_text(
                    text,
                    screen_width() / 2.0 - text_dimensions.width / 2.0,
                    screen_height() / 2.0,
                    50.0,
                    WHITE,
                );
            }
            GameState::Playing => {
                let delta_time = get_frame_time();
                if is_key_down(KeyCode::Right) {
                    circle.x += MOVEMENT_SPEED * delta_time;
                    direction_modifier += 0.05 * delta_time;
                }
                if is_key_down(KeyCode::Left) {
                    circle.x -= MOVEMENT_SPEED * delta_time;
                    direction_modifier -= 0.05 * delta_time;
                }
                if is_key_down(KeyCode::Down) {
                    circle.y += MOVEMENT_SPEED * delta_time;
                }
                if is_key_down(KeyCode::Up) {
                    circle.y -= MOVEMENT_SPEED * delta_time;
                }
                if is_key_pressed(KeyCode::Space) {
                    bullets.push(Shape {
                        x: circle.x,
                        y: circle.y,
                        speed: circle.speed * 2.0,
                        size: 5.0,
                        collided: false,
                    });
                }
                if is_key_pressed(KeyCode::Escape) {
                    game_state = GameState::Paused;
                }

                // Clamp X and Y to be within the screen
                circle.x = clamp(circle.x, 0.0, screen_width());
                circle.y = clamp(circle.y, 0.0, screen_height());

                // Generate a new square
                if rand::gen_range(0, 99) >= 95 {
                    let size = rand::gen_range(16.0, 64.0);
                    squares.push(Shape {
                        size,
                        speed: rand::gen_range(50.0, 150.0),
                        x: rand::gen_range(size / 2.0, screen_width() - size / 2.0),
                        y: -size,
                        collided: false,
                    });
                }

                // Movement
                for square in &mut squares {
                    square.y += square.speed * delta_time;
                }
                for bullet in &mut bullets {
                    bullet.y -= bullet.speed * delta_time;
                }

                // Remove shapes outside of screen
                squares.retain(|square| square.y < screen_height() + square.size);
                bullets.retain(|bullet| bullet.y > 0.0 - bullet.size / 2.0);

                // Remove collided shapes
                squares.retain(|square| !square.collided);
                bullets.retain(|bullet| !bullet.collided);

                // Check for collisions
                if squares.iter().any(|square| circle.collides_with(square)) {
                    if score == high_score {
                        fs::write("highscore.dat", high_score.to_string()).ok();
                    }
                    game_state = GameState::GameOver;
                }
                for square in squares.iter_mut() {
                    for bullet in bullets.iter_mut() {
                        if bullet.collides_with(square) {
                            bullet.collided = true;
                            square.collided = true;
                            score += square.size.round() as u32;
                            high_score = high_score.max(score);
                        }
                    }
                }

                // Draw everything
                for bullet in &bullets {
                    draw_circle(bullet.x, bullet.y, bullet.size / 2.0, RED);
                }
                draw_circle(circle.x, circle.y, circle.size / 2.0, YELLOW);
                for square in &squares {
                    draw_rectangle(
                        square.x - square.size / 2.0,
                        square.y - square.size / 2.0,
                        square.size,
                        square.size,
                        GREEN,
                    );
                }
                draw_text(
                    format!("Score: {}", score).as_str(),
                    10.0,
                    35.0,
                    25.0,
                    WHITE,
                );
                let highscore_text = format!("High score: {}", high_score);
                let text_dimensions = measure_text(highscore_text.as_str(), None, 25, 1.0);
                draw_text(
                    highscore_text.as_str(),
                    screen_width() - text_dimensions.width - 10.0,
                    35.0,
                    25.0,
                    WHITE,
                );
            }
            GameState::Paused => {
                if is_key_pressed(KeyCode::Space) {
                    game_state = GameState::Playing;
                }
                let text = "Paused";
                let text_dimensions = measure_text(text, None, 50, 1.0);
                draw_text(
                    text,
                    screen_width() / 2.0 - text_dimensions.width / 2.0,
                    screen_height() / 2.0,
                    50.0,
                    WHITE,
                );
            }
            GameState::GameOver => {
                if is_key_pressed(KeyCode::Space) {
                    game_state = GameState::MainMenu;
                }
                let text = "GAME OVER!";
                let text_dimensions = measure_text(text, None, 50, 1.0);
                draw_text(
                    text,
                    screen_width() / 2.0 - text_dimensions.width / 2.0,
                    screen_height() / 2.0,
                    50.0,
                    RED,
                );
            }
        }

        next_frame().await
    }
}

Quiz

Testa dina nya kunskaper genom att svara på följande quiz innan du går vidare.

Koda ett spel med Rust och Macroquad