Doom engine

Уровень в редакторе

Все уровни в Doom на самом деле двухмерные, что указывает на одно из ограничений движка: невозможно иметь комнату (сектор) над другой комнатой. Однако, с другой стороны, это позволяет без особых проблем рисовать карту уровня с отображением всех стен и объектов, в отличие от других игр этого жанра.

Уровень состоит из десяти блоков .WAD-файла; из них пять (VERTEXES, LINEDEFS, SIDEDEFS, SECTORS и THINGS) непосредственно редактируются пользователем, ещё пять (SEGS, SSECTORS, NODES, REJECT и BLOCKMAP) — вычисляются BSP-построителем.

Уровни строятся по субтрактивному принципу: всё пространство заполнено непроходимой материей, и автор уровня «прорубает» в этой материи туннели. Основой уровня являются вершины (англ. vertices) — точки в двухмерном пространстве. Между вершинами проводятся отрезки (англ. linedefs). Отрезок может иметь одну или две стороны (англ. sidedefs). Текстуры задаются не для отрезков, а для сторон, так что отрезок может быть покрыт с разных сторон разными текстурами.

Вершины и отрезки образуют плоский граф; каждая его грань может быть или непроходимым пространством (например, колонной), или сектором (англ. sector). Иногда структуру секторов намеренно нарушают — на этом основаны спецэффекты наподобие невидимых мостов. Каждый сектор имеет в плане произвольную форму (не обязательно выпуклую или односвязную). У сектора всегда горизонтальные пол с потолком и постоянная освещённость. Односторонние отрезки являются глухими стенами, двусторонние — образуют переходы между секторами.

Чтобы обеспечить высочайшую на то время интерактивность, применены так называемые теги. Отрезок и сектор имеют особое целое поле — «тэг». Чтобы сделать выключатель, опускающий лифт, отрезку-выключателю задаются код действия «выключатель, опускающий лифт» и какой-нибудь тег (например, 5). Этот же тег присваивается сектору-лифту. При активации отрезок будет выполнять указанное действие на всех секторах с этим тегом.

Наконец, на уровне расставляются объекты (things). При этом набор характеристик объекта в Doom оказался довольно беден: например, не было Z-координаты, наземный объект в начале игры всегда стоял на полу, а воздушный — висел под потолком. Нельзя сделать, чтобы объект был только в одиночной игре, или только в deathmatch, или только в кооперативной (был лишь флаг «только в сетевых играх»).

Все вычисления проводятся с частотой 35 тактов в секунду, в фиксированной запятой 16,16, с машинной единицей, равной одному текселю (рост игрока 56 текселей[2][3] — значит, 1 тексель примерно равен 4 см). Для угловых величин применяется фиксированная запятая, в которой 2³² = 360°[2]. Впрочем, большинство угловых расчётов были грубее — например, повороты игрока рассчитываются с точностью в 360° = 2¹⁶ = 65536, а тригонометрическая таблица состояла всего из 8192 (2¹³) величин[2].

Запись демо-роликов и сетевая игра основаны на том, что на цифровой ЭВМ один и тот же код с одними и теми же данными приводит к одному и тому же результату, а поведение целочисленной арифметики жёстко заспецифицировано и не зависит от модели процессора. Игра записывает в демо-ролик (и передаёт по сети) команды управления[2][4][5]; если в игре нет грубых ошибок, различные машины, интерпретируя одни и те же команды управления, получают один и тот же результат. Впрочем, ошибки, приводящие к рассинхронизации, в игре всё-таки есть: в частности, если в одиночной игре зайти в меню, игра останавливается, но ролик продолжает писаться[6]. Недостаток такого подхода — невозможность перемотать ролик; его можно только проиграть с начала.

В режиме записи демо-роликов точность поворотов снижалась до 256 на 360 градусов[2][7]; внимательный игрок может заметить, что в режиме демозаписи наводка становится грубее. Это служит исключительно для экономии памяти в демо-роликах и исправлено в многочисленных портах ценой потери совместимости с исходной игрой.

Каждый игровой такт (1/35 секунды) игра проводит цикл управления каждым монстром. Чтобы сэкономить процессорные такты, существует битовая матрица REJECT[8]: для любых двух секторов, если ни из одной точки сектора А не видна никакая точка сектора Б, на этом месте в матрице ставится единица. Если на пересечении строки, соответствующей сектору игрока, и столбца, соответствующего сектору монстра, стоит 0, проводится проверка, видит ли монстр игрока; если 1 — монстр гарантированно не видит игрока. Матрица REJECT очень сложна для построения, и большинство пользовательских редакторов заполняли её нулями (существовало очень мало утилит, которые строили её; основные — RMB и ZENNODE).

Структура BLOCKMAP применяется физическим движком, чтобы ускорить проверку столкновений объектов с отрезками.

Для ускорения отображения используется BSP-дерево[9] (в отличие от порталов в Duke Nukem 3D). Объекты изображаются в виде спрайтов, в отличие от Quake.

Движок рекурсивно проходится по BSP-дереву, отрисовывая стены от ближних к дальним[10]:

 функция ПроходПоДереву(узел)

   если ОхватывающийПрямоугольник(узел) не в конусе видимости
     то выход

   если узел является развилкой

     то   // узел является развилкой - рекурсивно пройти
       если камера слева от секущей плоскости
         то ПроходПоДереву(узел.левый); ПроходПоДереву(узел.правый)
         иначе ПроходПоДереву(узел.правый); ПроходПоДереву(узел.левый)

     иначе // узел является подсектором
       нарисовать(узел)

Здесь и задействованы оставшиеся три блока. Секторы разбиваются секущими на выпуклые элементы, именуемые подсекторами (SSECTORS), отрезки — на сегменты (SEGS). Сама структура дерева (охватывающие прямоугольники, секущие, указатели на «сыновей») хранится в блоке NODES. В этом цикле рисуются только глухие стены (то есть, средние текстуры для односторонних стен, и верхние и нижние — для двусторонних). Объекты, полы и решётки записываются в отдельные массивы и отрисовываются на более поздних стадиях. Массив, в котором хранятся полы, сделан довольно малым, и у самодеятельных конструкторов довольно часто случалось переполнение и выход с сообщением «No more visplanes!».

После того, как отрисованы стены, по строкам рисуются полы, записанные в visplanes.

В каждом секторе держится связанный список объектов, которые находятся в нём. На этапе прорисовки стен видимые объекты вместе с точками отсечки складываются в массив. После того, как движок нарисует полы и потолки, массив сортируется, и ближайшие 128 объектов рисуются от дальних к ближним с помощью тех же процедур, что используются для рисования стен. На этом же этапе рисуются и решётки («средние» текстуры на двусторонних стенах).

Текстуры стен и спрайты хранятся в .WAD-файле по столбцам, текстуры полов и потолков — простой массив 64×64.

Doom для DOS работал в режиме VGA 320×200[11] с тройной буферизацией, для Linux — использовал обычный режим VGA 13h. При этом величина разрешения была закодирована в ассемблерных процедурах в двух местах; версии игры, которые использовали переменное разрешение, либо имели несколько функций под разные разрешения[12], либо динамически модифицировали код, подставляя нужное разрешение[13]. Впрочем, в частях игры, которые к движку не относятся, встречалось крайне много магических чисел, связанных с разрешением экрана и экранными координатами различных объектов, поэтому первые порты Doom страдали «расползающейся» в SVGA-режимах графикой меню[14].

Doom известен своей длительной загрузкой (больше минуты на компьютерах своего времени). Основная часть времени тратилась на инициализацию «демона перерисовки Doom» (англ. Init Doom refresh daemon).

Doom распространялся на дискетах и через BBS, важен был каждый байт. Чтобы уменьшить размер, сделали такой механизм. Каждая из текстур для стен состояла из фрагментов (англ. patches): например, стена с выключателем может состоять из картинки стены и картинки выключателя, или плиточная стена — из трёх-четырёх плиток, хаотически разбросанных по большой текстуре. Текстуры, как сказано выше, рисуются по столбцам. Doom проходился по всем столбцам всех текстур и проверял, какие фрагменты покрывают тот или иной столбец; строилась соответствующая структура данных. Эту структуру можно было закэшировать, или строить при загрузке уровня, достраивая динамически по мере надобности — в этом случае Doom загружался бы намного быстрее[15].

Кроме того, Doom имел специализированный метод кэширования данных под названием «зонная память». Инструкция советовала отключить дисковые кэши наподобие SmartDrive — в Doom есть более эффективный кэш.

Doom основан на модели «равный с равным». Как было сказано выше, синхронность игры на всех машинах обеспечивается тем фактом, что один и тот же код с одними и теми же данными возвращает один и тот же результат. С каждым пакетом передаётся «свёртка синхронизации» — обычно координата одного из игроков; если полученная с пакетом свёртка не совпадает с локально вычисленной, игра прекращает работу с сообщением о рассинхронизации. Никаких средств противостояния задержкам передачи нет; если средний пинг превышает 1/35 секунды, замедляется реакция игры на управление. Игра может запрашивать потерянные пакеты и дублировать их, чтобы запросы повторной передачи шли как можно реже. Входа в начатую игру нет.

Поддержка того или иного сетевого протокола не включена в Doom. Для того, чтобы запустить игру по сети, игроки вызывают внешнюю программу — сетевой драйвер, который налаживает связь между машинами и вызывает .EXE-файл Doom. Такая конструкция позволяет писать внешние драйверы для других сетевых протоколов — или программы запуска Doom по сети, более удобные, чем имеющиеся.

Каждый из игроков имеет свой цвет: первый — зелёный, второй — серый, третий — коричневый, четвёртый — красный. Номера игроков (и, соответственно, цвета) раздаются сетевым драйвером, а не игрой. В игре по IPX через программу IPXSETUP отдаваемые игрокам цвета зависят от MAC-адресов сетевых плат, в игре по модему или кабелю через SERSETUP — от случайных факторов.

Интересной недокументированной функцией версий 1.0 и 1.1 была одиночная игра на трёхмониторной системе: один показывает то, что спереди от игрока, второй — то, что слева, третий — то, что справа. Поскольку видеоплат с таким количеством мониторов на то время не существовало, для такой игры нужны были три компьютера, соединённых сетью. Впрочем, эта функция существовала лишь в зачатке: чтобы загрузиться с сохранения, требовалось на всех трёх компьютерах перезапустить игру.