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Lua, TIC-80, LÖVE, etc : Introduction aux systèmes de particles et jeux

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Code par défaut de TIC-80 au lancement

Un langage intéressant pour déveloper des jeux, contenus interactifs et de l’art procédural est le langage de script Lua. C’est un langage fonctionnel simple avec quelques fonctionnalités limitées de langage orienté objet. C’est, en raison de sa simplicité et de la compilation en bytecode au démarrage par défaut, un des plus légers et rapides langages de scripts. Différentes intégrations comme le moteur de jeu/médias et (très puissante) API LÖVE, ainsi que TIC-80, qui est un ordinateur imaginaire virtuel inspiré par PICO-8 (qui utilise également Lua). Ils permettent des prototypages rapides, pour un produit fini dans le même langage ou bien porté plus tard dans l’avancement du projet dans un autre langage. Lua est également utilisé comme langage de systèmes de plug-in (greffons), dans de nombreux jeux, outils, dont des applications de bureau (comme Blender), des applications web (comme MediaWiki derrière Wikimedia), ou dans le mondede l’embarqué. Dans ce dernier domaine, les cartes de contrôle de drones populaires et open-source (logiciels libres à source ouvertes) BetaFlight ou le logiciel de commande-radio Open-TX notamment pour les commandes Taranis. Il y a une documentation en ligne complète de Lua (en anglais) sur le site web officiel. Il est possible d’inclure des fonctions ou bibliothèques en C dans les programmes en Lua programs avec libffi. Elle a été (je crois) crée à l’origine pour Python, avec CFFI, et il a également un support FFI for PHP à présent. Il est également possible d’intégrer des scripts Lua dans des programmes en C. J’ai également découvert en écrivant cet article (merci à l’auteur de TIC-80, qu’il existe également PicoC, un simple interpréteur du langage C, permettant donc un contrôle plus bas niveau/din des structures de données. La taille du binaire est similaire à celle de l’interpréteur de Lua.

Une demo interactive du fonctionnement et utilisation s fonctions trigonométriquesDonc, après plusieurs années à regarder de temps en temps ce langage et ces outils, J’ai commencé à jouer un peu plus avec, vers la fin de 2020, et en quelques mois, je peux dire que j’ai bien progressé dans la programmation temps-réel. Que j’ai réussi à faire et même finir des jeux légers. J’ai donc du étudier de nouveau la trigonométrie de base (suivez ce lien pour explication interactive simple), de l’algèbre vectoriel de base and et quelques autres éléments amusants des mathémtiques, que je considère personnellement comme des jeux de puzzles.

Banner of Falacy Gorx, pseudo 3d game, using lot of tables
J’ai également écrit (en anglais) une court article de making-off sur Itch.io en mars, 2021, pendant une compétition de bœuf de jeu (game jam, dans le même sens que les bœufs musicaux), au lieu de coder (malgré le temps limité à 2 semaines ^^). Tout cela m’a motivé à écrire d’avantage d’articles didactiques à propos de la programmation temps-réel/vectorielle et génération procédurale. Je vais tenter d’écrire une série une série d’articles expliquant les méthodes que j’ai utilisé. Je vais tenter de le faire avec autant de simplicité pour tout le monde, mais quelques connaissances de base en programmation générale et en mathématiques pourront beaucoup aider dans ce champs du développement, comme dans la vie en général.

Je commence donc ici une courte introduction avec ce que j’ai utilisé le plus dans ces développements. Des tables d’éléments et du hazard:,z
* Les tables et leur gestion de base commune, relative à une logique d’animation
* Créer une table
* Génération procédurale du contenu d’une table
* Exemple simple pour nettoyer une table
* Variation et nettoyage d’une table en fonction de tests
* Compacter un peu le code
* Génération procédurale du contenu de la table
* Exemple simple de système de particule graphique

Les tables et leur gestion de base commune, relative à une logique d’animation

Quelques usages généraux de tables dans des applications interactives, objets, personnages, particules

La plupart des choses sont gérées, pour la scalabilitées, sous forme de tables, que ce soit les acteurs principaux (comme les personnages des joueurs), les objets, les particules, les agents actifs, etc. Les objets eux-mêmes, comportent également souvent des sous-éléments sous forme de table, pensez par exemple aux parties du corps d’une chenille.

Donc, la plupart des structures ont généralement quatre fonctions logiques vitales pouvant être gérées de différentes façons :
* Nettoyage d’une table, utilisée lorsque les éléments ne le sont plus, mais peut-être pertinent de l’utiliser également pour initialiser un état général, comme passer du menu au jeu lui même.
* Initialisation de la table, incluans généralement le nettoyage si nécessaire et l’ajout d’1 à n éléments selon les besoins.
* Mise à jour de la table, et des état de ses éléments. Cela inclus leurs relations mécaniques et physiques, leur position, leur changement d’état relatif à leur tracé à l’écran, l’interaction aveec les autres objets, et enfin leur suppression ou création d’un nouvel élément si nécessaire. Tout cela dépendant de critères très variés.
* Sortie du contenu de la table, à l’écran pour l’affichage, mais aussi du son qu’il peut produire, etc.

Les exemples donnés ici peuvent être testé avec l’interpréteur en ligne de commande de Lua, soit en tapant lua dans un shell, puis en les copie-collant, ou sans doute plus pratique, en les collant dans un simple fichier texte, par exemple, fichier.lua, puis en l’exécutant via :

lua fichier.lua

Les derniers exemples utilisent TIC-80, qui est disponible gratuitement et peut être utiliser en Web, mais également pour différents systèmes, tels que Linux, Mac, Windows, Android, Rpi, etc. Il y a une version Pro, mais je n’ai jamais utilisé ses fonctionnalités. Les exemples sont également facilement portable sur d’autres environnements.

Créer une table

On va utiliser une table Lua que l’on appelle objs[] (objs comme objets, j’aime bien mettre un s à la table et pas de s un élément unique). En Lua, il y a une particualarité par rapport aux autre langages informatique. Par défaut, les tables commencent à l’élément 1 lorsque vous les remplissez par objs={elt1,elt2}, mais il est toujours possible d’avoir un éléement ayant pour indexe 0 en utilisantpar exemple objs[0]=elt0. Il est possible de (pre-)initialiser une table video avec objs={}. Si elle n’était pas vide et que ses anciens éléments ne sont plus utilisés, le ramasse miette se chargera de les néttoyer. Ayant pas mal codé en bas niveau (C/C++ et assembleur), je ne suis pas un grand fan des ramasses miettes, mais c’est bien pratique pour les prototypes rapides.

Le contenu de la table peut être simplement affiché à l’écran avec une boucle classique for. Pour la tables appellée objs, #objs peut être utilisé pour connaître le nombre d’éléménts qu’elle contient.

objs={"boule","cube","joueur"}
for i=1,#objs do
 print(objs[i])
end

Génération procédurale du contenu d’une table

Les systèmes de particules sont utilisés ici pour les nuages, montagnes, personnages, et pour les éléments du corps du dragonEn génération procédurale, le meilleur ami du chaos, également appelé Nature, est la fonction aléatoire (random en anglais), qui génère des nombres aléatoires. Dans le cœur de Lua, la fonction math.random est dédié à ça. Elle accépte des paramètres d’étendue, limité à des entiers avec des valeurs croissantes uniquement. Nous pouvons par exemple, décider de générer un nombre compris entre 1 et 6 inclus, pour déterminer le nomrbe d’éléments que nous désirons obtgenir. Si vous essayez plusieurs fois de suite cette foncvtion, elle affichera une valeur différente comprise entre 1 et 6 à chaque fois, comme lors du lancé d’un dé à 6 faces.

print(math.random(1,6))

Dans un programme interactif ou animé, on veut généralement crée des objets aléatoires, et les faire varier suivant une certaine gestion et pendant un certain temps. Nous remplissons donc dans une tables des valeurs initiales aléatoires, qui seront ensuite réutilisées et modules. On doit donc en premier (re-)initialiser une table objs vide afin qu’elle puisse ensuite être remplie par la boucle for.

objs={}
for i=1,math.random(1,6) do
 objs[i]={lt=math.random(1,50)}
end

Nous avons donc généré ici 1 à 6 nombres aléatoires compris entre 1 et 50 et avont assigné ces valeurs à un paramètre appelé lt plutôt qu’à la table directement. Ce type d’élément est accessible de deux façons différentes en Lua, objs[i].lt ou objs[i]["lt"]. La seconde méthode peut être utilie daans certaines situations particulières, nous y reviendrons dans un autre tuto.
so now the table is filled, we can print values several times, they will be kept the same:

for i=1,#objs do
 print("objs["..i.."]="..objs[i].lt)
end

Nous utilisons ici le symbole de concaténation de chaînes de caractères (symbole ..) afin d’afficher d’avantage d’informations à propos de l’élément que nous affichons.

Exemple simple pour nettoyer une table

Il est important, lorsqu’on nettoie une table ou qu’on en retire des éléments en général, d’effectuer la boucle du dernier au premier indexe d’éléments, car lorsqu’un élément est supprimé, l’indexe des éléments qui le suivent dansla table est décrémenté, on risque donc de sauter des éléments, et de supprimer des éléments non désirés.

for i=#objs,1,-1 do
 table.remove(objs,i)
end

Dans la fonction Lua standard table.remove() (signifiant table.supprime()) les argumenst sont le nom de la table suivit de l’index de l’élément à supprimer.

Variation et nettoyage d’une table en fonction de tests

Ça peut être une bonne habitude d’utiliser une variable locale de pointeur avec un nom court pointant sur l’élément à traiter, afin de réduire le code à l’intérieur de la boucle, car on risque en général d’avoir à y accéder plusieurs fois. On supprime ici les éléments, lorsque lt (raccourcit pour lifetime, temps de vie) est arrivé à 0. Dans le cas contraire on le décrémente.

for i=#objs,1,-1 do
 local o=objs[i]
 if o.lt<=0 then
  table.remove(objs,i)
 else
  o.lt=o.lt-1
 end
end

La variable o ne peut être passer à la fonction table.remove(), car elle est utilisée comme pointeur vers unélément de la table, et nom pas comme nom de la table. Le second argument, est l’index de la table correspondant à l’éléemnt, ça n’est donc pas non plus un pointeur vers un élément.

Nous avosn à présent la base générale d’un sytème de particules.

Tous les systems de particules fonctionne avec une génération, utilisant généralement un peu de hasard et un temps de vie comme critère de base des particules. Les autres critères change plus ou moins en fonction du type de particule.

Compacter un peu le code

J’ajoute générallement les varibles ocale à la fin de la la ligne for...do afin d’avoir un code plus lisible et compacte. De la même façon je place les changements, lorsqu’ils ne sont pas trop longs derrières les mots-clés if...then ou else, afin d’avoir un code plus compacte mais toujours lisible :

for i=#objs,1,-1 do local o=objs[i]
 if o.lt<=0 then table.remove(objs,i)
 else o.lt=o.lt-1 end
end

Lua permet également d’assigner facilement un pointeur de fonction à une variable, j’utilise donc généralement la méthode suivante pour compacter d’avantage le code, comme j’utilise beaucoup l’amis chaos :

m=math rnd=m.random

Donc, ici, m est assigné à la bibliothèque math puis rnd à m(ath).random, que l’on peut décrire comme la fonction random de la bibliothèque math.

Attention : Une contrainte est de ne pas utiliser la variable m, entre sa déclaration comme équivalent de math et l’assignation à d’autres variable des fonctions m.*. Il est donc mieux de les définir en tout débbut de code pour ne pasavoir de problmes et de pouvoir utiliser librement la variable m.

Exemple simple de système de particule graphique

Dans cet exemple, nous allons simplement ajouter une distance aléatoire x (axe horizontal) et y (axe vertical) autour d’un point central, ici on choisit (120,70)

On défini donc le point central 120,70 et on varie la position de départ au hazard de -15 à +15 pixels dans chaque direction :

objs[i]={lt=rnd(10,30),x=120+rnd(-15,15),y=70+rnd(-15,15)}

Système de particule basiqueOn fera ensuite varier ces points aléatoirement dans le temps. avec un déplacement d’une distance de 0 à 1 pixel, dans les directions gauche/droite et haut/bas. On utilise donc :
Pour l’axe des x :
* -1 = gauche
* 0 = immobile
* +1 = droite
Pour l’axe des y :
* -1 = haut
* 0 = immobile
* +1 = bas

o.x = o.x+rnd(-1,1) o.y = o.y+rnd(-1,1)

Dans Lua, les fonctions sont définies par function nom_de_la_fonction(arg1,arg2,...) et se terminent par end. Dans le cas de TIC-80, par example, qui a l’avantage d’avoir toutes les fonctionnalités embarquées dans un seul binaire executable, function TIC() est une fonction appelée périodiquement, à chaque rafraichissement d’écran (nouvelle image à l’écran), permettant ainsi d’avoir du cotenu lié au temps (donc de l’animation) facilement. La focntion cls(couleur) y est utilisé pour nettoyer l’écran avec une couleur particulière avec l’inedex de couleur, « couleur », comme TIC-80 utilise une pallette de 16 couleurs indexées sur un total de 16 millions (8bits=256 niveaux pour chaque composante, Rouge, Vert et Bleu. 8^3 ~= 16 millions de couleurs).

l’emplacement des particules est tracé ici par la fonction circ() (raccourcit pour cirle, signiant cercle en anglais).

Définition de la fonction :

circ(centre X, centre Y, rayon, couleur)

On place donc le centre du points aux coordonnées de l’objet, le cercle à un rayon de 1 et utilise l’index de couleur 0,; qi est noir par défaut sous TIC-80.

circ((o.x, o.y, 1, 0)

L’actuelle durée de vie restante de cette particule est affichée à l’aide de la fonction print (imprimer), à sa droite, pour la démonstration de cet exemple. Dans le cas de TIC-80 print(), est utilisé pour placer du texte sur l’écran graphique, et trace() sur la console texte.

La partie de arguments de la définition que nous utilisons de print sont sous cette forme :

print(texte, début X, début Y, couleur, fonte de largeur fixe, échelle, petite font)

Nous plaçons donc comme texte le temps de vie restant de la particule actuelle (o.lt), placé au centre de sa position son centre (o.x, o.y), déplacé dhorizontalement de +2 pixel (donc à droite) et verticalement -2 pixel (donc au dessus). Nous utilisons une largeur de fonte fixe (true), à l’échelle 1, et une fonte compacte (true):

print(o.lt, o.x+2, o.y-2, 2, true, 1, true)

En Lua on peut définir plusieurs variables sur une même ligne, notamment en croisant leur noms et leurs assignation. Par exemple, ici x=5 y=4 peut également être écrit x,y=5,4.

m=math rnd=m.random
t=0
objs={}
for i=1,rnd(5,8) do
 objs[i]={lt=rnd(10,30),x=120+rnd(-15,15),y=70+rnd(-15,15)}
end
function TIC()
 cls(12)
 for i=#objs,1,-1 do local o=objs[i]
  if o.lt<=0 then table.remove(objs,i)
  else o.lt,o.x,o.y=o.lt-1,o.x+rnd(-1,1),o.y+rnd(-1,1)
   circ(o.x,o.y,1,0)
   print(o.lt,o.x+2,o.y-2,2,true,1,true)
  end
 end
 t=t+1
end

Dans l’exemple à charger la génération est placée dans une fonction appelée generate(). Celle-ci estg appelée lorsque le contenu de la table est nul (#objs==0) afin de créer une boucle simple de régénération.

function generate()
 for i=1,rnd(5,8) do
  objs[i]={lt=rnd(10,30),x=120+rnd(-15,15),y=70+rnd(-15,15)}
 end
end

function TIC()
 ...
 if #objs==0 then generate()end
 t=t+1
end

Si vous désirez dans l’exemple téléchargeable, voir les particules sans leur nombre, il suffit que vous commentiez la ligne comportant le print. Pour commenter du code en Lua, il suffit simplement de le précéder de deux traits d’union.

   -- print(o.lt,o.x+2,o.y-2,2,true,1,true)