Unity

Il software principale con cui è stato sviluppato Astra Data Navigator è Unity [16], un motore grafico multipiattaforma scritto in C++, creato da Unity Technologies, che consente lo sviluppo di applicazioni interattive e videogiochi in tempo reale sia 2D che 3D. Disponibile per Windows, macOS e Linux, permette di creare contenuti per quasi ogni piattaforma in commercio. Il linguaggio di programmazione utilizzato in Unity è il C#. Oltre alla presenza di numerosi tools e librerie all’interno del programma, Unity dispone di una gigantesca community che sviluppa contenuti riutilizzabili caricati poi sull’Asset Store, sia gratis che a pagamento, all’interno dei propri progetti. Alcuni di questi sono stati utilizzati in ADN per risolvere facilmente uno dei problemi maggiori che si riscontrano nello sviluppo di applicazioni in ambito spaziale, ovvero il problema della virgola mobile.

La scelta del motore grafico è ricaduta su Unity poiché risulta essere uno dei framework più semplici ed intuitivi, in grado di generare versioni delle applicazioni prodotte per diverse piattaforme. La manutenibilità risulta estremamente più semplice rispetto ad un software scritto interamente da zero utilizzando le primitive API grafiche come OpenGL. Come ogni compromesso, occorre tenere in considera-zione il fattore limitante di questo genere di framework, ovvero quello di perdere il pieno controllo di alcuni elementi a runtime e dover sottostare a regole imposte da altri sviluppatori che potrebbero causare, in alcuni casi, cali di prestazioni e di conseguenza di FPS. È comunque possibile, adottando diverse tecniche, ottenere risultati estremamente positivi, tenendo conto del tempo risparmiato in fase di sviluppo non essendo necessario preoccuparsi delle complesse primitive grafiche ri-servate a programmatori esperti a cui occorre controllare interamente ogni processo eseguito dalle applicazioni.

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Figura 2.1: Visualizzazione dell’ISS all’interno dell’editor di Unity

È utile considerare anche l’immediato supporto per la stereoscopia 3D, uno dei requisiti del progetto citati precedentemente, che Unity mette a disposizione dei propri utenti installando un componente aggiuntivo il quale permette la configura-zione dei parametri principali come ad esempio la disparità binoculare, controllata aggiustando la distanza tra le due camere virtuali.

2.1.1 Floating Origin

Quando si sviluppa un’applicazione per la rappresentazione dell’universo all’interno di un mondo virtuale, oppure più in generale quando si ha a che fare con ambienti virtuali di vastissime dimensioni, si incorre nel problema della virgola mobile. In Unity, per rappresentare la posizione di un oggetto all’interno della scena viene utilizzato un Vector3 composto dai tre valori X / Y / Z in float, ovvero con 32bit di memoria, ciò genera problemi quando si cercano di salvare dati estremamente grandi che, quindi, vengono approssimati per farli rientrare all’interno dei 32bit. Il degrado dell’accuratezza risulta quindi direttamente proporzionale alla distanza che l’oggetto ha rispetto all’origine.

Graficamente viene chiamato jitter, ovvero gli oggetti troppo lontani verranno renderizzati in posizioni leggermente differenti ad ogni frame, causando così uno sfarfallio che combinato alla difficoltà dello Z-buffer a calcolare quale sia la prossimità corretta di un corpo rispetto ad un altro, provocheranno un effetto di movimento quando in realtà l’oggetto in questione dovrebbe risultare perfettamente fermo.

In soccorso a questo problema viene creata la tecnica del Floating Origin che consiste nello spostare l’origine del mondo in base a dove si trova la camera in quel momento, all’atto pratico non è possibile spostare l’origine di un sistema cartesiano dallo zero ma è possibile traslare inversamente tutti i corpi rispetto alla camera. Per essere più chiari, se la camera si dovesse spostare di cento unità positive sull’asse X tutti gli oggetti verrebbero traslati di cento unità negative sullo stesso asse mantenendo la camera centrata nell’origine (figura 2.2), l’utente non si accorgerebbe di alcuna differenza ma così facendo viene sfruttata la regione di

Figura 2.2: Rappresentazione della tecnica del Floating Origin

massima precisione per la rappresentazione delle coordinate, quella prossima allo zero.

2.1.2 Space Graphics Toolkit

Per risolvere completamente la criticità del jitter spaziale non è sufficiente la sola tecnica del Floating Origin, occorre infatti combinare anche un metodo efficacie per evitare che le coordinate di un oggetto diventino troppo grandi da perdere precisione. Tale tecnica consiste nella suddivisione del mondo virtuale in celle di grandezza fissa minore del massimo numero rappresentabile attraverso un float prima di perdere precisione. Così facendo si otterrà un sistema di coordinate basato sulla combinazione delle coordinate globali, le quali indicizzano a quale cella ci si riferisce, con le coordinate locali all’interno della cella stessa.

L’unione di queste due tecniche permette di eliminare completamente il fenomeno del jitter spaziale evitando che spiacevoli artefatti vengano generati in fase di rendering.

Esiste un toolkit, disponibile nell’Asset Store di Unity [17], chiamato Space Graphics Toolkit (SGT), sviluppato da Carlos Wilkes, in grado di gestire le tecniche citate precedentemente. Una volta acquistato e scaricato mette a disposizione dello sviluppatore innumerevoli scripts, modelli di corpi celesti, shader e texture completamente customizzabili.

Ad ogni GameObject di Unity viene attaccato un SgtFloatingObject in grado di farlo fluttuare nel mondo utilizzando il metodo sopracitato (paragrafo 2.1.1). Per questioni di ottimizzazione l’aggiornamento delle posizioni viene eseguito quando la camera si sposta di circa cento blocchi rispetto all’origine e non ad ogni frame.

Il componente designato per la gestione del sistema a doppie coordinate è chiamato SgtPosition, elemento fondamentale per lo sviluppo del progetto di tesi, che utilizza sei interi a 64bit per gestire le tre coordinate globali e le tre locali; lo

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sviluppatore di SGT dichiara che attraverso l’utilizzo di questo asset sia possibile rappresentare l’universo senza rischiare di incorrere in problemi di precisione.