Moje město v počítačové hře

Minecraft je počtem prodaných kopií nejúspěšnější hrou světa, kterou lze navíc použít také jako nástroj pro modelování skutečného světa. V rámci studie provedené na Katedře geoinformatiky v Olomouci vzniklo několik modelů budov i celého města převodem geografických dat. Vytvořené modely jsou vhodné pro vizualizaci prostorových dat i pro aplikace ve virtuální výuce mládeže.

Minecraft je počítačová hra, jejímž hlavním herním prvkem je sbírání, rozbíjení a přemísťování pravidelných kostek v trojrozměrném prostředí. Mluví se o ní často jako o „virtuálním LEGU“. První verzi hry vytvořil roku 2009 Markus „Notch“ Persson společně se svým týmem společnosti Mojang. Roku 2014 koupil práva k Minecraftu Microsoft a hru stále aktivně vyvíjí aktualizacemi s novým obsahem. Během vývoje se kolem Minecraftu vybudovala rozsáhlá komunita fanoušků. Doposud bylo prodáno více než 200 milionů kopií hry, čímž se Minecraft stal nejprodávanější hrou na světě. Tomuto úspěchu značně přispívá mimo jiné také jeho dostupnost. Minecraft lze hrát na počítači, na téměř každé herní konzoli dnešní generace a také na mobilních zařízeních.

Tato popularita dala za vznik velkému množství herních modů a programů rozšiřujících funkcionalitu Minecraftu. Vznikly také dedikované verze hry, jako „Minecraft: Education Edition”, která hru obohacuje o nástroje umožňující učitelům vést výuku v herním prostředí. I v českých školách učitelé v Minecraftu vymýšlejí úkoly pro své žáky. Interaktivním způsobem vyučují chemii, matematiku, základy programování i logického myšlení.

„Děti umí Minecraft a Minecraft umí spoustu věcí,“ říká bývalý učitel Miroslav Dvořák, který se specializuje na využití technologií v procesu vzdělávání. Minecraft už sám o sobě nabízí velké možnosti pro využití ve školství. Rozšiřující programy, ale také způsoby hraní, tyto možnosti značně prohlubují. Na Katedře geoinformatiky Univerzity Palackého se zrodila myšlenka využít tyto rozšiřující nástroje pro automatizovanou tvorbu modelů ve hře Minecraft na základě prostorových dat.

Modelování reálných objektů ve hře Minecraft lze řešit několika způsoby. Základním způsobem je manuální modelování přímo ve hře kostku po kostce. Tento způsob nevyžaduje znalost externího programu či prostorových dat, proto jej mnozí hráči stále hojně využívají.

Další možností je kombinace manuálního modelování s importem prostorových dat. Takovým příkladem je např. projekt Block by Block, který od roku 2012 funguje díky spolupráci Microsoftu a Programu OSN pro lidské osídlení. Jde o neziskový projekt, který běžným obyvatelům pomáhá účastnit se územního plánování. Nejdříve je vybrána lokalita, určená k renovaci. Pro ni organizátoři projektu vytvoří model ve hře Minecraft za pomocí nástrojů zpracovávajících prostorová data. S tímto model se pak seznamují zástupci modelované lokality, kteří poté navrhují změny pomocí manuálního vkládání bloků.

Pokročilejších metod pro modelování v Minecraftu využívá Nizozemské vědecké centrum GeoFort, které ze státních prostorových dat vytvořilo neziskový projekt GeoCraft. Jde o herní server Minecraftu s modelem celého Nizozemska v měřítku 1:1. Model vzniká převedením prostorových dat terénu (kombinace rastrových dat a tzv. bodových mračen), topografických dat (vodní plochy, komunikace, využití plochy, půdorysů budov) a doplňujících 3D objektů. Jakmile autoři shromáždí hrubá data, vloží je do Minecraftu a postupně upravují tzv. crowd-source metodou, kdy kdokoliv (obvykle právě mládež) může podle Google Street View doplňovat detaily, nezachycené sběrem dat. Například použitím kostek s barevností podobnou povrchu skutečných budov. Podle oficiální statistiky projektu již lidé použili přes jeden bilion bloků.

Projekty jako GeoCraft dokazují, že ve hře Minecraft lze automatizovaně vytvořit modely za použití široké škály prostorových dat. Na druhou stranu takovéto projekty vyžadují výrazné finanční a technické prostředky, nedostupné pro běžné uživatele hry Minecraft. Existují ale i metody automatizované tvorby modelů z prostorových dat, které nejsou tak finančně a technicky náročné?

Zdroje dat a software

Abychom to zjistili, prozkoumali jsme nejprve zdroje, jež můžeme v našich podmínkách při tvorbě prostorových modelů využít.

Základní vrstvou pro tvorbu modelu ve hře Minecraft jsou výškopisná data terénu. V rámci České republiky terén nejpřesněji zachycuje digitální model reliéfu 5. generace (DMR 5G). Představuje zobrazení přirozeného nebo lidskou činností upraveného zemského povrchu, a to ve formě výšek nespojitých (diskrétních) bodů v nepravidelné trojúhelníkové síti. Model vznikl z dat pořízených metodou leteckého laserového skenování výškopisu území České republiky v letech 2009 až 2013.

Uměle vytvořené objekty ploch zobrazuje Geografický informační systém (GIS) ve vektorovém formátu.[1] Jde většinou o v mapě zakreslené plochy rybníků či lesů, linie vodních toků a silnic, nebo body značící vrcholy hor.

Nakonec jsme, po vzoru projektu GeoCraft, prozkoumali vkládání 3D modelů objektů.

Existuje mnoho nástrojů pro budování modelu města v Minecraft, pro převod se však nejvíce osvědčila kombinace známých GIS produktů ArcGIS Pro a FME. ArcGIS Pro od firmy Esri, popřípadě jiný desktopový GIS nástroj, je zapotřebí pro přípravu prostorových dat. FME od společnosti Safe Software je specializovaným nástrojem pro převod prostorových dat. Vedle podpory takřka všech prostorových datových formátů podporuje FME i převod do unikátního datového formátu, se kterým pracuje Minecraft. 

Úprava dat a modelování

S pomocí obou zmíněných aplikací jsme sestavili ukázkové modely vybraných objektů a území, které si může ve hře spustit každý, kdo vlastní Minecraft. Testovali jsme kostel sv. Mořice v Olomouci (na obrázku 1) a budovu Katedry geoinformatiky (na obrázku 2). Vstupní modely jsme převedli z původního formátu dat do prostorového rozlišení krychlí, tzv. voxelů, o hraně jeden metr. Použité měřítko pro převod bylo 1:1. Pokud měla budova detaily, které bychom tímto měřítkem ztratili, převod jsme uskutečnili také v jiných měřítcích, např. 4:1.

Kostel sv. Mořice v herním prostředí v měřítku 1:1 (vlevo) a 4:1 (vpravo).Snímek Adam Boudník

Katedra geoinformatiky Univerzity Palackého v herním prostředí v měřítku 1:1 (vlevo) a 4:1 (vpravo).Snímek Adam Boudník

Za pomoci nástrojů ArcGIS Pro a FME jsme z různorodé sady datových formátů vytvořili také model města Olomouc v měřítku 1:1. Krom historického centra města zahrnuje také zastavěnou okolní část o rozloze přibližně 5×5 km. K modelování jsme použili datovou sadu Streetnet od společnosti CEDA Maps; zejména liniové prvky železnice a komunikací (jednoproudová komunikace, kruhový objezd, parkoviště, stezka pro cyklisty a pěší, chodník apod.), polygonové prvky vodstva, půdorysů budov, údaje o využití půdy (průmyslová zóna, park) a jejím pokryvu (zahrada, les, hřbitov apod.). Ke každé vrstvě jsme při převodu přiřadili jedinečný typ kostek, představující ve hře Minecraft daný typ objektu. Například parky vykreslují kostky s travnatým povrchem a silnice kostkami kamennými.

Před převodem dat do hry jsme většinu vrstev přetvořili. K liniovým prvkům vznikla obalová zóna (buffer) s rozdílnými hodnotami podle přibližně skutečné šíře daného prvku, např. u chodníků šířka dva metry. Vstupní vrstvu půdorysů budov jsme převedli z dvourozměrné na trojrozměrnou s výškou každé budovy 20 m nad terénem. Vložili jsme také 3D modely budov historického centra Olomouce a náhodně rozmístěné modely stromů do městských parků. Na závěr jsme manuálně vytvořili plochy v parku s vysazenými květinami a bodovou vrstvu v parcích, kde je každý bod pozicí pro herní objekt vysoké trávy. Všechny tyto prvky dostaly výškopisná data z digitálního modelu reliéfu 5. generace. 

Náhled na dataset Streetnet.Snímek Adam Boudník

Město Olomouc v herním prostředí hry Minecraft.Snímek Adam Boudník

Detailní náhled města Olomouc v herním prostředí.Snímek Adam Boudník

Obdobným způsobem je možné vygenerovat do hry jakékoliv skutečné, nebo i fiktivní prostředí, jehož data předem získáme; tedy libovolné město, budovu, horu, či celé pohoří, národní parky, pobřeží, ostrovy, ale také sochy, zámky či jiné památky, a to v uživatelem definovaném měřítku a barevnosti. Kreativitě se meze nekladou.

Další využití, automatizace konverze

Převedené objekty jsme barvili manuálně, výběrem barvy pro danou vrstvu. Současně jsme navrhli postup automatického přiřazování podobnosti barev původního modelu k barvě použitých kostek pro model ve hře. Původní barvy modelů jsme převáděli do osmi základních barev, k nimž jsme hledali kostky podobné barvy. Stejným způsobem lze u modelů dosáhnout větší barevnosti.

Převod dat do hry se zachovanou barevnou složkou v osmi barvách.Snímek Adam Boudník

Za předpokladu, že vstupní data mají stejnou strukturu a formát, je možno celý proces zautomatizovat, aby si uživatel mohl pouhým poskytnutím dat potenciálnímu programu převést do Minecraftu libovolné území.

Využitelnost ve školství

Minecraft se osvědčil jako silný nástroj pro tvorbu interaktivních modelů skutečných území, měst a krajin. Pro učitele, kteří část výuky vedou v Minecraftu, tento poznatek přináší rozsáhlé možnosti ke zvýšení atraktivity výuky. Mladším žákům mohou vyučující vygenerovat libovolné geografické území, např. okolí školy, a v něm demonstrovat učivo. Starším studentům lze tímto způsobem představit problematiku prostorových dat a geoinformatiku jako technologii i vědu. Prokázali jsme rovněž možnost interaktivní výuky ve virtuálním prostředí, kterou si vlivem pandemie většina škol v posledních měsících vyzkoušela. Minecraft umožňuje jedny z prvních kroků tohoto typu výuky. Je zřejmé, že počítačové hry budou v budoucnu mimo rekreační aktivitu také silným nástrojem pro interaktivní výuku.