¿Una forma más eficiente de implementar Línea de visión en una cuadrícula 2D con fundición de rayos?

Considere una cuadrícula 2D de fichas y una esfera aproximada de coordenadas, centrada en el jugador, que representa la línea de visión. El objetivo es bloquear la línea de visión más allá de los obstáculos (es decir, paredes).

Es relativamente simple determinar si una celda individual en la esfera de la vista es visible: lanza un rayo desde el jugador a la celda objetivo, usando Bresenham, si una de las celdas superpuestas entre el jugador y el objetivo es un obstáculo, la celda objetivo no es visible.

Ahora, mi primer pensamiento fue iterar a través de todas las celdas de la cuadrícula en la línea de visión, pero esto me parece ineficiente. Por ejemplo, si el jugador está parado al lado de una pared, y usted determina que la celda más allá de la pared no es visible, puede determinar que todas las celdas en el rayo después de eso no serán visibles.

También consideró lanzar un rayo a cada celda a lo largo del perímetro de la esfera de la vista e iterar cada celda a lo largo de cada rayo, pero luego estaría procesando algunas celdas más de una vez.

¿Hay una manera más eficiente de hacer esto?

Si bien iterar ~ 50 celdas por turno es un cálculo relativamente liviano, voy por la velocidad: el objetivo es poder realizar un ciclo de unos pocos turnos por segundo en el juego automático. Entonces, cuanto más eficiente pueda hacer esto, mejor.

Podría intentar lanzar "arcos de sombra" para cubrir áreas más grandes a la vez. Si bien los detalles reales son un poco complicados, Eric Lippert tiene una explicación muy detallada (con una demostración en vivo de Silverlight) en http://blogs.msdn.com/b/ericlippert/archive/2011/12/12/shadowcasting-in -c-part-one.aspx .

He implementado el algoritmo sugerido por Jimmy.

Video del código en acción aquí: https://youtu.be/lIlPfwlcbHo

/*
   What this code does:
      Rasterizes a single Field Of View octant on a grid, similar to the way 
      FOV / shadowcasting is implemented in some roguelikes.
      Clips to bitmap
      Steps on pixel centers
      Optional attenuation
      Optional circle clip
      Optional lit blocking tiles

   To rasterize the entire FOV, call this in a loop with octant in range 0-7
   Inspired by http://blogs.msdn.com/b/ericlippert/archive/2011/12/12/shadowcasting-in-c-part-one.aspx
*/

static inline int Mini( int a, int b ) {
    return a < b ? a : b;
}

static inline int Maxi( int a, int b ) {
    return a > b ? a : b;
}

static inline int Clampi( int v, int min, int max ) {
    return Maxi( min, Mini( v, max ) );
}

typedef union c2_s {
    struct {
        int x, y;
    };
    int a[2];
} c2_t;

static const c2_t c2zero = { .a = { 0, 0 } };
static const c2_t c2one = { .a = { 1, 1 } };

static inline c2_t c2xy( int x, int y ) {
    c2_t c = { { x, y } };
    return c;
}

static inline c2_t c2Neg( c2_t c ) {
    return c2xy( -c.x, -c.y );
}

static inline c2_t c2Add( c2_t a, c2_t b ) {
    return c2xy( a.x + b.x, a.y + b.y );
}

static inline c2_t c2Sub( c2_t a, c2_t b ) {
    return c2xy( a.x - b.x, a.y - b.y );
}

static inline int c2Dot( c2_t a, c2_t b ) {
    return a.x * b.x + a.y * b.y;
}

static inline int c2CrossC( c2_t a, c2_t b ) {
    return a.x * b.y - a.y * b.x;
}

static inline c2_t c2Clamp( c2_t c, c2_t min, c2_t max ) {
    return c2xy( Clampi( c.x, min.x, max.x ), Clampi( c.y, min.y, max.y ) );
}

static inline c2_t c2Scale( c2_t a, int s ) {
    return c2xy( a.x * s, a.y * s );
}

void RasterizeFOVOctant( int originX, int originY,
                         int radius, 
                         int bitmapWidth, int bitmapHeight,
                         int octant,
                         int skipAttenuation,
                         int skipClampToRadius,
                         int darkWalls,
                         const unsigned char *inBitmap, 
                         unsigned char *outBitmap ) {
#define READ_PIXEL(c) inBitmap[(c).x+(c).y*bitmapWidth]
#define WRITE_PIXEL(c,color) outBitmap[(c).x+(c).y*bitmapWidth]=(color)
#define MAX_RAYS 64
#define ADD_RAY(c) {nextRays->rays[Mini(nextRays->numRays,MAX_RAYS-1)] = (c);nextRays->numRays++;}
#define IS_ON_MAP(c) ((c).x >= 0 && (c).x < bitmapWidth && (c).y >= 0 && (c).y < bitmapHeight)
    typedef struct {
        int numRays;
        c2_t rays[MAX_RAYS];
    } raysList_t;
    // keep these coupled like this
    static const const c2_t bases[] = {
        { { 1, 0  } }, { { 0, 1  } },
        { { 1, 0  } }, { { 0, -1 } },
        { { -1, 0 } }, { { 0, -1 } },
        { { -1, 0 } }, { { 0, 1  } },
        { { 0, 1  } }, { { -1, 0 } },
        { { 0, 1  } }, { { 1, 0  } },
        { { 0, -1 } }, { { 1, 0  } },
        { { 0, -1 } }, { { -1, 0 } },
    }; 
    c2_t e0 = bases[( octant * 2 + 0 ) & 15];
    c2_t e1 = bases[( octant * 2 + 1 ) & 15];
    raysList_t rayLists[2] = { {
        .numRays = 2,
        .rays = {
            c2xy( 1, 0 ),
            c2xy( 1, 1 ),
        }, 
    } };
    c2_t bitmapSize = c2xy( bitmapWidth, bitmapHeight );
    c2_t bitmapMax = c2Sub( bitmapSize, c2one );
    c2_t origin = c2Clamp( c2xy( originX, originY ), c2zero, bitmapMax );
    if ( READ_PIXEL( origin ) ) {
        WRITE_PIXEL( origin, 255 );
        return;
    }
    c2_t dmin = c2Neg( origin );
    c2_t dmax = c2Sub( bitmapMax, origin );
    int dmin0 = c2Dot( dmin, e0 );
    int dmax0 = c2Dot( dmax, e0 );
    int limit0 = Mini( radius, dmin0 > 0 ? dmin0 : dmax0 );
    int dmin1 = c2Dot( dmin, e1 );
    int dmax1 = c2Dot( dmax, e1 );
    int limit1 = Mini( radius, dmin1 > 0 ? dmin1 : dmax1 );
    c2_t ci = origin;
    for ( int i = 0; i <= limit0; i++ ) {
        int i2 = i * 2;
        raysList_t *currRays = &rayLists[( i + 0 ) & 1];
        raysList_t *nextRays = &rayLists[( i + 1 ) & 1];
        nextRays->numRays = 0;
        for ( int r = 0; r < currRays->numRays - 1; r += 2 ) {
            c2_t r0 = currRays->rays[r + 0];
            c2_t r1 = currRays->rays[r + 1];
            int inyr0 = ( i2 - 1 ) * r0.y / r0.x;
            int outyr0 = ( i2 + 1 ) * r0.y / r0.x;
            int inyr1 = ( i2 - 1 ) * r1.y / r1.x;
            int outyr1 = ( i2 + 1 ) * r1.y / r1.x;

            // every pixel with a center INSIDE the frustum is lit

            int starty = outyr0 + 1;
            if ( c2CrossC( r0, c2xy( i2, outyr0 ) ) < 0 ) {
                starty++;
            }
            starty /= 2;
            c2_t start = c2Add( ci, c2Scale( e1, starty ) );
            int endy = inyr1 + 1;
            if ( c2CrossC( r1, c2xy( i2, inyr1 + 1 ) ) > 0 ) {
                endy--;
            }
            endy /= 2;
            //c2_t end = c2Add( ci, c2Scale( e1, endy ) );
            {
                int y;
                c2_t p;
                int miny = starty;
                int maxy = Mini( endy, limit1 ); 
                for ( y = miny, p = start; y <= maxy; y++, p = c2Add( p, e1 ) ) {
                    WRITE_PIXEL( p, 255 );
                }
            }

            // push rays for the next column

            // correct the bounds first

            c2_t bounds0;
            c2_t bounds1;
            c2_t firstin = c2Add( ci, c2Scale( e1, ( inyr0 + 1 ) / 2 ) );
            c2_t firstout = c2Add( ci, c2Scale( e1, ( outyr0 + 1 ) / 2 ) );
            if ( ( IS_ON_MAP( firstin ) && ! READ_PIXEL( firstin ) )
                && ( IS_ON_MAP( firstout ) && ! READ_PIXEL( firstout ) ) ) {
                  bounds0 = r0;
            } else {
                int top = ( outyr0 + 1 ) / 2;
                int bottom = Mini( ( inyr1 + 1 ) / 2, limit1 );
                int y;
                c2_t p = c2Add( ci, c2Scale( e1, top ) );
                for ( y = top * 2; y <= bottom * 2; y += 2, p = c2Add( p, e1 ) ) {
                    if ( ! READ_PIXEL( p ) ) {
                        break;
                    }
                    // pixels that force ray corrections are lit too
                    WRITE_PIXEL( p, 255 );
                }
                bounds0 = c2xy( i2 - 1, y - 1 );
                inyr0 = ( i2 - 1 ) * bounds0.y / bounds0.x;
                outyr0 = ( i2 + 1 ) * bounds0.y / bounds0.x;
            }
            c2_t lastin = c2Add( ci, c2Scale( e1, ( inyr1 + 1 ) / 2 ) );
            c2_t lastout = c2Add( ci, c2Scale( e1, ( outyr1 + 1 ) / 2 ) );
            if ( ( IS_ON_MAP( lastin ) && ! READ_PIXEL( lastin ) )
                && ( IS_ON_MAP( lastout ) && ! READ_PIXEL( lastout ) ) ) {
                bounds1 = r1;
            } else {
                int top = ( outyr0 + 1 ) / 2;
                int bottom = Mini( ( inyr1 + 1 ) / 2, limit1 );
                int y;
                c2_t p = c2Add( ci, c2Scale( e1, bottom ) );
                for ( y = bottom * 2; y >= top * 2; y -= 2, p = c2Sub( p, e1 ) ) {
                    if ( ! READ_PIXEL( p ) ) {
                        break;
                    }
                    // pixels that force ray corrections are lit too
                    WRITE_PIXEL( p, 255 );
                }
                bounds1 = c2xy( i2 + 1, y + 1 );
                inyr1 = ( i2 - 1 ) * bounds1.y / bounds1.x;
                outyr1 = ( i2 + 1 ) * bounds1.y / bounds1.x;
            }

            // closed frustum - quit
            if ( c2CrossC( bounds0, bounds1 ) <= 0 ) {
                continue;
            }

            // push actual rays
            {
                ADD_RAY( bounds0 );
                int top = ( outyr0 + 1 ) / 2;
                int bottom = Mini( ( inyr1 + 1 ) / 2, limit1 );
                c2_t p = c2Add( ci, c2Scale( e1, top ) );
                int prevPixel = READ_PIXEL( p );
                for ( int y = top * 2; y <= bottom * 2; y += 2, p = c2Add( p, e1 ) ) {
                    int pixel = READ_PIXEL( p );
                    if ( prevPixel != pixel ) {
                        c2_t ray;
                        if ( pixel ) {
                            ray = c2xy( i2 + 1, y - 1 );
                        } else {
                            ray = c2xy( i2 - 1, y - 1 );
                        }
                        ADD_RAY( ray );
                    }
                    prevPixel = pixel;
                }
                ADD_RAY( bounds1 );
            }
        }
        ci = c2Add( ci, e0 );
    }

    if ( ! skipAttenuation ) {
        c2_t ci = origin;
        int rsq = radius * radius;
        for ( int i = 0; i <= limit0; i++ ) {
            c2_t p = ci;
            for ( int j = 0; j <= limit1; j++ ) {
                c2_t d = c2Sub( p, origin );
                int dsq = c2Dot( d, d );
                int mod = 255 - Mini( dsq * 255 / rsq, 255 );
                int lit = !! outBitmap[p.x + p.y * bitmapWidth];
                WRITE_PIXEL( p, mod * lit );
                p = c2Add( p, e1 );
            }
            ci = c2Add( ci, e0 );
        }
    } else if ( ! skipClampToRadius ) {
        c2_t ci = origin;
        int rsq = radius * radius;
        for ( int i = 0; i <= limit0; i++ ) {
            c2_t p = ci;
            for ( int j = 0; j <= limit1; j++ ) {
                c2_t d = c2Sub( p, origin );
                if ( c2Dot( d, d ) > rsq ) { 
                    WRITE_PIXEL( p, 0 );
                }
                p = c2Add( p, e1 );
            }
            ci = c2Add( ci, e0 );
        }
    }

    if ( darkWalls ) {
        c2_t ci = origin;
        for ( int i = 0; i <= limit0; i++ ) {
            c2_t p = ci;
            for ( int j = 0; j <= limit1; j++ ) {
                if ( READ_PIXEL( p ) ) { 
                    WRITE_PIXEL( p, 0 );
                }
                p = c2Add( p, e1 );
            }
            ci = c2Add( ci, e0 );
        }
    } 
}