Как генерируется мир в Minecraft

// Псевдокод для простой 2D-реализации шума Перлина
function perlin(x, y) {
    // Определить координаты ячейки сетки
    int x0 = floor(x);
    int y0 = floor(y);
    int x1 = x0 + 1;
    int y1 = y0 + 1;
    
    // Вычислить градиенты в углах ячейки
    vector grad00 = gradient(x0, y0);
    vector grad10 = gradient(x1, y0);
    vector grad01 = gradient(x0, y1);
    vector grad11 = gradient(x1, y1);
    
    // Вычислить векторы от углов до точки
    vector dist00 = (x - x0, y - y0);
    vector dist10 = (x - x1, y - y0);
    vector dist01 = (x - x0, y - y1);
    vector dist11 = (x - x1, y - y1);
    
    // Скалярные произведения градиентов и векторов расстояния
    float dot00 = dot(grad00, dist00);
    float dot10 = dot(grad10, dist10);
    float dot01 = dot(grad01, dist01);
    float dot11 = dot(grad11, dist11);
    
    // Интерполяция
    float wx = fade(x - x0);
    float wy = fade(y - y0);
    
    float a = lerp(dot00, dot10, wx);
    float b = lerp(dot01, dot11, wx);
    
    return lerp(a, b, wy);
}

// Псевдокод для фрактального броуновского движения
function fbm(x, y, octaves) {
    float result = 0;
    float amplitude = 1.0;
    float frequency = 1.0;
    float totalAmplitude = 0;
    
    for (int i = 0; i < octaves; i++) {
        result += perlin(x * frequency, y * frequency) * amplitude;
        totalAmplitude += amplitude;
        amplitude *= 0.5;      // Уменьшение амплитуды с каждой октавой
        frequency *= 2.0;      // Увеличение частоты с каждой октавой
    }
    
    // Нормализация результата
    return result / totalAmplitude;
}

// Псевдокод для доменной деформации
function warpedNoise(x, y) {
    // Создаем смещения по осям X и Y с помощью другого шума
    float offsetX = perlin(x * 0.5, y * 0.5) * 4.0;
    float offsetY = perlin(x * 0.5 + 100, y * 0.5 + 100) * 4.0;
    
    // Сэмплируем основной шум по смещенным координатам
    return perlin(x + offsetX, y + offsetY);
}

// Псевдокод проверки возможности генерации структуры
function canGenerateStructure(structureType, chunkX, chunkZ, seed) {
    long hash = hash(structureType, chunkX, chunkZ, seed);
    // Проверяем, проходит ли хеш порог вероятности
    return (hash % 1000) < getStructureChance(structureType);
}

// Псевдокод для определения биома с многошумным подходом
function getBiome(x, y, z) {
    // Получаем значения климатических параметров
    float temperature = sampleTemperature(x, z);
    float humidity = sampleHumidity(x, z);
    float continentalness = sampleContinentalness(x, z);
    float erosion = sampleErosion(x, z);
    float weirdness = sampleWeirdness(x, z);
    float depth = y / 256.0;
    
    // Находим ближайший подходящий биом в 6D-пространстве параметров
    return findClosestBiome(temperature, humidity, continentalness, 
                           erosion, weirdness, depth);
}

// Упрощенный псевдокод для размещения руды с использованием точечного процесса Пуассона
function placeOre(oreType, chunk) {
    int attempts = getOreAttempts(oreType);
    float minDistance = getOreMinDistance(oreType);
    List<Position> placedOres = new List();
    
    for (int i = 0; i < attempts; i++) {
        Position pos = getRandomPositionInChunk(chunk);
        // Проверяем, достаточно ли далеко от уже размещенных руд
        if (isValidPosition(pos, placedOres, minDistance)) {
            placeOreVein(pos, oreType);
            placedOres.add(pos);
        }
    }
}

// Пример правил L-системы для генерации простого дерева
// X - ствол с веткой, F - сегмент ствола/ветки
// + - поворот вправо, - - поворот влево, [ - сохранить позицию, ] - восстановить позицию
// Начальное состояние: X
// Правила:
// X -> F[+X]F[-X]+X
// F -> FF

// Псевдокод для упреждающей загрузки чанков
void preloadChunks(Player player) {
    Vector3 position = player.getPosition();
    Vector3 direction = player.getLookDirection();
    
    // Базовый радиус загрузки вокруг игрока
    int baseRadius = 8; // в чанках
    
    // Дополнительный радиус по направлению взгляда
    int forwardRadius = 4; // в чанках
    
    // Загружаем базовую область
    loadChunksInRadius(position, baseRadius);
    
    // Загружаем дополнительную область в направлении взгляда
    Vector3 forwardPos = position.add(direction.multiply(forwardRadius * 16));
    loadChunksInRadius(forwardPos, forwardRadius / 2);
}

// Псевдокод очереди с приоритетами для загрузки чанков
class ChunkLoadQueue {
    PriorityQueue<ChunkLoadTask> queue;
    
    void addChunk(int x, int z, Player player) {
        Vector3 playerPos = player.getPosition();
        Vector3 chunkPos = new Vector3(x * 16, 0, z * 16);
        
        // Расчитываем приоритет: меньше значение - выше приоритет
        float distance = playerPos.distanceTo(chunkPos);
        float angle = angleToPlayerView(playerPos, player.getLookDirection(), chunkPos);
        
        // Чанки прямо перед игроком получают высший приоритет
        float priority = distance * (1 + angle / 180);
        
        queue.add(new ChunkLoadTask(x, z, priority));
    }
}

// Псевдокод для определения видимости чанка
boolean isChunkVisible(Player player, Chunk chunk) {
    // Проверяем, находится ли чанк в пределах радиуса отрисовки
    if (player.distanceTo(chunk) > renderDistance) {
        return false;
    }
    
    // Проверяем, может ли игрок теоретически видеть чанк
    // (с учетом рельефа, высоких структур и т.д.)
    return rayCastCheck(player.getEyePosition(), chunk.getHighestPoint());
}

// Упрощенный псевдокод ранней системы биомов
Biome getBiome(int x, int z) {
    float temperature = sampleTemperatureNoise(x, z);
    float rainfall = sampleRainfallNoise(x, z);
    
    if (temperature > 0.7) {
        if (rainfall < 0.3) return DESERT;
        if (rainfall < 0.6) return SAVANNA;
        return JUNGLE;
    } else if (temperature > 0.3) {
        if (rainfall < 0.4) return PLAINS;
        return FOREST;
    } else {
        if (rainfall < 0.3) return TUNDRA;
        return TAIGA;
    }
}

// Псевдокод для слоя масштабирования с добавлением вариации
int[][] zoomLayer(int[][] parentMap) {
    int width = parentMap.length * 2;
    int height = parentMap[0].length * 2;
    int[][] result = new int[width][height];
    
    for (int x = 0; x < parentMap.length; x++) {
        for (int z = 0; z < parentMap[0].length; z++) {
            // Копируем родительское значение
            result[x*2][z*2] = parentMap[x][z];
            
            // Для остальных трех точек в 2x2 квадрате
            // добавляем вариацию на основе соседних значений
            result[x*2+1][z*2] = chooseRandomNeighbor(parentMap, x, z);
            result[x*2][z*2+1] = chooseRandomNeighbor(parentMap, x, z);
            result[x*2+1][z*2+1] = chooseRandomNeighbor(parentMap, x, z);
        }
    }
    
    return result;
}

// Псевдокод для "нарезки" рек на шумовой карте
int[][] createRivers(int[][] noiseMap) {
    int[][] riverMap = new int[noiseMap.length][noiseMap[0].length];
    
    for (int x = 1; x < noiseMap.length - 1; x++) {
        for (int z = 1; z < noiseMap[0].length - 1; z++) {
            // Проверяем "краевые" точки шумовой карты
            // Если значение шума меняется с одной клетки на другую,
            // помечаем это место как потенциальное русло реки
            if (noiseMap[x][z] != noiseMap[x+1][z] ||
                noiseMap[x][z] != noiseMap[x-1][z] ||
                noiseMap[x][z] != noiseMap[x][z+1] ||
                noiseMap[x][z] != noiseMap[x][z-1]) {
                riverMap[x][z] = 1; // Помечаем как реку
            }
        }
    }
    
    return riverMap;
}

// Псевдокод для обработки краев биомов
Biome[][] processEdges(Biome[][] biomeMap) {
    Biome[][] result = copyMap(biomeMap);
    
    for (int x = 1; x < biomeMap.length - 1; x++) {
        for (int z = 1; z < biomeMap[0].length - 1; z++) {
            Biome current = biomeMap[x][z];
            
            // Проверяем соседей
            for (int dx = -1; dx <= 1; dx++) {
                for (int dz = -1; dz <= 1; dz++) {
                    if (dx == 0 && dz == 0) continue;
                    
                    Biome neighbor = biomeMap[x+dx][z+dz];
                    
                    // Если текущий биом и сосед несовместимы,
                    // добавляем промежуточный биом
                    if (needsTransitionBiome(current, neighbor)) {
                        result[x][z] = getTransitionBiome(current, neighbor);
                        break;
                    }
                }
            }
        }
    }
    
    return result;
}

// Псевдокод для определения биома по шести параметрам
Biome getBiomeFromMultinoise(float temperature, float humidity,
                           float continentalness, float erosion,
                           float weirdness, float depth) {
// Каждый биом описывается точкой в 6D-пространстве
// Находим ближайший биом по евклидову расстоянию
Biome closestBiome = null;
float minDistance = Float.MAX_VALUE;
 
for (Biome biome : BIOME_REGISTRY) {
    float distance = biome.getMultinoiseDistance(
        temperature, humidity, continentalness, 
        erosion, weirdness, depth);
    
    if (distance < minDistance) {
        minDistance = distance;
        closestBiome = biome;
    }
}
 
return closestBiome;
}

// Псевдокод инициализации шумовых функций с заданным сидом
void initializeNoiseGenerators(long worldSeed) {
// Каждый генератор шума получает уникальный сид,
// производный от основного сида мира
temperatureNoise = new PerlinNoise(worldSeed * 1348913);
humidityNoise = new PerlinNoise(worldSeed * 7381297);
continentalnessNoise = new PerlinNoise(worldSeed * 5912843);
erosionNoise = new PerlinNoise(worldSeed * 2387421);
weirdnessNoise = new PerlinNoise(worldSeed * 9871232);
}

// Псевдокод для определения позиций деревень
List<Position> findVillagePositions(long seed, int regionX, int regionZ) {
List<Position> positions = new ArrayList<>();
Random random = new Random(seed * regionX * 341873128712L + regionZ * 132897987541L);
 
// Количество попыток разместить деревню в регионе
int attempts = 3;
 
for (int i = 0; i < attempts; i++) {
    // Генерируем случайные координаты внутри региона
    int x = regionX * 32 + random.nextInt(32);
    int z = regionZ * 32 + random.nextInt(32);
    
    // Получаем биом в этой точке
    Biome biome = getBiomeAt(x, z);
    
    // Проверяем, подходит ли биом для деревни
    if (biome.canGenerateVillages()) {
        positions.add(new Position(x, z));
    }
}
 
return positions;
}

// Базовый интерфейс для этапов генерации
public interface WorldGenStage {
    void process(Chunk chunk, Random random);
}
 
// Пример реализации этапа генерации ландшафта
public class TerrainGenStage implements WorldGenStage {
    private NoiseGenerator noiseGen;
    private int baseHeight;
    
    public TerrainGenStage(long seed, int baseHeight) {
        this.noiseGen = new PerlinNoiseGenerator(seed);
        this.baseHeight = baseHeight;
    }
    
    @Override
    public void process(Chunk chunk, Random random) {
        // Получаем глобальные координаты чанка
        int chunkX = chunk.getX() * Chunk.SIZE;
        int chunkZ = chunk.getZ() * Chunk.SIZE;
        
        // Генерируем высоту для каждого столбца в чанке
        for (int x = 0; x < Chunk.SIZE; x++) {
            for (int z = 0; z < Chunk.SIZE; z++) {
                int worldX = chunkX + x;
                int worldZ = chunkZ + z;
                
                // Используем многослойный шум для получения высоты
                float height = generateHeight(worldX, worldZ);
                int terrainHeight = baseHeight + (int)(height * 20);
                
                // Заполняем столбец блоками
                for (int y = 0; y < terrainHeight; y++) {
                    chunk.setBlock(x, y, z, BlockType.STONE);
                }
                
                // Добавляем верхний слой (трава, песок и т.д.)
                if (terrainHeight > 0) {
                    chunk.setBlock(x, terrainHeight, z, getSurfaceBlock(worldX, worldZ));
                }
            }
        }
    }
    
    private float generateHeight(int x, int z) {
        // Многослойный шум для реалистичного ландшафта
        float height = 0;
        float amplitude = 1.0f;
        float frequency = 0.01f;
        
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            height += noiseGen.noise(x * frequency, z * frequency) * amplitude;
            amplitude *= 0.5f;
            frequency *= 2.0f;
        }
        
        return height;
    }
    
    private BlockType getSurfaceBlock(int x, int z) {
        // Определяем тип поверхностного блока на основе шума биомов
        float biomeNoise = noiseGen.noise(x * 0.02f, z * 0.02f);
        
        if (biomeNoise < -0.3f) return BlockType.SAND;
        if (biomeNoise > 0.3f) return BlockType.SNOW;
        return BlockType.GRASS;
    }
}

// Создаем цепочку этапов генерации
List<WorldGenStage> generationPipeline = new ArrayList<>();
generationPipeline.add(new TerrainGenStage(seed, 64));
generationPipeline.add(new CaveGenStage(seed));
generationPipeline.add(new OreGenStage(seed));
generationPipeline.add(new StructureGenStage(seed));
generationPipeline.add(new BiomeDecoratorStage(seed));
 
// Используем цепочку для генерации чанка
public Chunk generateChunk(int x, int z) {
    Chunk chunk = new Chunk(x, z);
    Random random = new Random(seed ^ ((long)x << 32) | (z & 0xFFFFFFFFL));
    
    for (WorldGenStage stage : generationPipeline) {
        stage.process(chunk, random);
    }
    
    return chunk;
}

public class PerlinNoiseGenerator implements NoiseGenerator {
    private final int[] permutation;
    
    public PerlinNoiseGenerator(long seed) {
        Random random = new Random(seed);
        permutation = new int[512];
        
        // Инициализируем массив перестановок
        for (int i = 0; i < 256; i++) {
            permutation[i] = i;
        }
        
        // Перемешиваем значения
        for (int i = 0; i < 256; i++) {
            int j = random.nextInt(256);
            int temp = permutation[i];
            permutation[i] = permutation[j];
            permutation[j] = temp;
        }
        
        // Дублируем массив для упрощения вычислений
        for (int i = 0; i < 256; i++) {
            permutation[i + 256] = permutation[i];
        }
    }
    
    @Override
    public float noise(float x, float y) {
        // Определяем координаты ячейки
        int X = (int)Math.floor(x) & 255;
        int Y = (int)Math.floor(y) & 255;
        
        // Относительные координаты внутри ячейки
        x -= Math.floor(x);
        y -= Math.floor(y);
        
        // Вычисляем функции сглаживания
        float u = fade(x);
        float v = fade(y);
        
        // Хеши для всех 4 углов ячейки
        int A = permutation[X] + Y;
        int B = permutation[X + 1] + Y;
        
        // Интерполируем результаты
        return lerp(v, 
                   lerp(u, grad(permutation[A], x, y), 
                           grad(permutation[B], x - 1, y)),
                   lerp(u, grad(permutation[A + 1], x, y - 1),
                           grad(permutation[B + 1], x - 1, y - 1)));
    }
    
    private float fade(float t) {
        // Полином Перлина для сглаживания
        return t * t * t * (t * (t * 6 - 15) + 10);
    }
    
    private float lerp(float t, float a, float b) {
        // Линейная интерполяция
        return a + t * (b - a);
    }
    
    private float grad(int hash, float x, float y) {
        // Преобразуем младшие 4 бита хеша в градиентный вектор
        int h = hash & 15;
        float u = h < 8 ? x : y;
        float v = h < 4 ? y : (h == 12 || h == 14 ? x : 0);
        return ((h & 1) == 0 ? u : -u) + ((h & 2) == 0 ? v : -v);
    }
}

public class Chunk {
    public static final int SIZE = 16;
    public static final int HEIGHT = 256;
    
    private final BlockType[][][] blocks;
    private final int x, z;
    
    public Chunk(int x, int z) {
        this.x = x;
        this.z = z;
        this.blocks = new BlockType[SIZE][HEIGHT][SIZE];
        
        // Инициализируем чанк пустыми блоками
        for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
            for (int j = 0; j < HEIGHT; j++) {
                for (int k = 0; k < SIZE; k++) {
                    blocks[i][j][k] = BlockType.AIR;
                }
            }
        }
    }
    
    public BlockType getBlock(int x, int y, int z) {
        if (x < 0 || x >= SIZE || y < 0 || y >= HEIGHT || z < 0 || z >= SIZE) {
            return BlockType.AIR;
        }
        return blocks[x][y][z];
    }
    
    public void setBlock(int x, int y, int z, BlockType type) {
        if (x < 0 || x >= SIZE || y < 0 || y >= HEIGHT || z < 0 || z >= SIZE) {
            return;
        }
        blocks[x][y][z] = type;
    }
    
    // Геттеры для координат чанка
    public int getX() { return x; }
    public int getZ() { return z; }
}

public class ChunkManager {
    private final ConcurrentHashMap<ChunkPosition, Chunk> loadedChunks;
    private final ExecutorService generatorThreadPool;
    private final WorldGenerator generator;
    
    public ChunkManager(WorldGenerator generator, int threads) {
        this.generator = generator;
        this.loadedChunks = new ConcurrentHashMap<>();
        this.generatorThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(threads);
    }
    
    public CompletableFuture<Chunk> getOrGenerateChunk(int x, int z) {
        ChunkPosition pos = new ChunkPosition(x, z);
        
        // Проверяем, загружен ли уже чанк
        Chunk existing = loadedChunks.get(pos);
        if (existing != null) {
            return CompletableFuture.completedFuture(existing);
        }
        
        // Асинхронно генерируем чанк
        return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            Chunk chunk = generator.generateChunk(x, z);
            loadedChunks.put(pos, chunk);
            return chunk;
        }, generatorThreadPool);
    }
    
    // Загрузка чанков вокруг игрока
    public List<CompletableFuture<Chunk>> loadChunksAroundPlayer(int playerX, int playerZ, int radius) {
        List<CompletableFuture<Chunk>> futures = new ArrayList<>();
        
        int chunkX = playerX >> 4;  // Делим на 16 (размер чанка)
        int chunkZ = playerZ >> 4;
        
        for (int dx = -radius; dx <= radius; dx++) {
            for (int dz = -radius; dz <= radius; dz++) {
                if (dx * dx + dz * dz <= radius * radius) {
                    futures.add(getOrGenerateChunk(chunkX + dx, chunkZ + dz));
                }
            }
        }
        
        return futures;
    }
}

public class CaveGenStage implements WorldGenStage {
    private final NoiseGenerator noiseGen;
    private final int caveCount;
    
    public CaveGenStage(long seed) {
        this.noiseGen = new PerlinNoiseGenerator(seed);
        this.caveCount = 8;  // Среднее количество пещер на чанк
    }
    
    @Override
    public void process(Chunk chunk, Random random) {
        int chunkX = chunk.getX() * Chunk.SIZE;
        int chunkZ = chunk.getZ() * Chunk.SIZE;
        
        // Генерируем несколько пещерных червей на чанк
        for (int i = 0; i < caveCount; i++) {
            if (random.nextFloat() > 0.7f) continue;  // Не все чанки имеют пещеры
            
            // Начальная точка червя
            float x = chunkX + random.nextInt(Chunk.SIZE);
            float y = 10 + random.nextInt(40);  // Пещеры в основном в нижней части мира
            float z = chunkZ + random.nextInt(Chunk.SIZE);
            
            // Направление движения
            float dx = 0;
            float dy = 0;
            float dz = 0;
            
            // Длина пещеры
            int length = 100 + random.nextInt(100);
            float radius = 2 + random.nextFloat() * 3;
            
            // Прокладываем тунель
            for (int step = 0; step < length; step++) {
                // Плавно меняем направление с помощью шума Перлина
                float angleXZ = (float)(noiseGen.noise(step * 0.1f, 0) * Math.PI * 2);
                float angleY = (float)(noiseGen.noise(0, step * 0.1f) * Math.PI * 0.25);
                
                dx = (float)Math.cos(angleXZ) * (float)Math.cos(angleY);
                dy = (float)Math.sin(angleY);
                dz = (float)Math.sin(angleXZ) * (float)Math.cos(angleY);
                
                // Постепенно изменяем радиус
                radius = 2 + noiseGen.noise(step * 0.05f, 100) * 1.5f;
                
                // Проделываем полость
                carveSphere(chunk, x, y, z, radius);
                
                // Перемещаемся
                x += dx;
                y += dy;
                z += dz;
                
                // Если вышли за пределы чанка, останавливаемся
                if (x < chunkX || x >= chunkX + Chunk.SIZE || 
                    z < chunkZ || z >= chunkZ + Chunk.SIZE) {
                    break;
                }
            }
        }
    }
    
    private void carveSphere(Chunk chunk, float cx, float cy, float cz, float radius) {
        int minX = Math.max(0, (int)(cx - radius - chunk.getX() * Chunk.SIZE));
        int maxX = Math.min(Chunk.SIZE - 1, (int)(cx + radius - chunk.getX() * Chunk.SIZE));
        int minY = Math.max(0, (int)(cy - radius));
        int maxY = Math.min(Chunk.HEIGHT - 1, (int)(cy + radius));
        int minZ = Math.max(0, (int)(cz - radius - chunk.getZ() * Chunk.SIZE));
        int maxZ = Math.min(Chunk.SIZE - 1, (int)(cz + radius - chunk.getZ() * Chunk.SIZE));
        
        for (int x = minX; x <= maxX; x++) {
            for (int y = minY; y <= maxY; y++) {
                for (int z = minZ; z <= maxZ; z++) {
                    float dx = x + chunk.getX() * Chunk.SIZE - cx;
                    float dy = y - cy;
                    float dz = z + chunk.getZ() * Chunk.SIZE - cz;
                    
                    if (dx * dx + dy * dy + dz * dz <= radius * radius) {
                        chunk.setBlock(x, y, z, BlockType.AIR);
                    }
                }
            }
        }
    }
}