跨平台引擎开发记录2：有关游戏局内的设计

RedZero9 · 发表于 2022-3-28 15:56

上篇:
一. 前言

本篇文章主要讲述引擎内部的设计思路，已实现和未实现的内容都会介绍，我会尽量讲述我为什么这么设计，并且标注一下暂时在代码仓库中是否已经实现。
在设计本引擎时，我已经预设自己在开发类似CS1.6这类游戏，在此基础上尽可能的考虑在网游(类似cso, cf的网游)上的可扩展性。
二. 局内和局外

以CS1.6为例，一打开游戏处于“局外状态”，玩家可在这个状态下搜索服务器，创建本地服务器，进行一些设置等。

CS1.6 创建本地服务器

创建本地服务器或者加入到其他服务器后则进入“局内状态”，此时游戏地图将被加载进来，玩家可以对游戏中的角色进行交互。

CS1.6 控制恐怖分子

局外状态主要显示一些界面控件，我们以后可能会接入一些基于GL的界面库，目前已知的有: ImGui, NoesisGui等库，然后将GUI库暴露给Game.dll，由游戏的开发者来编写游戏局外界面, 同时我们也可以提供一套默认的界面，或者也可以让游戏开发者在Game.dll自己接入或开发一套自己的GUI库，我们需要将渲染循环、GL函数接口、窗口事件(窗口尺寸变化，按键输入，鼠标事件等)等接口暴漏给Game.dll。
局外思路暂时是这样的，还没有开始进行详细设计，本篇文章主要中心在于局内的基础设施设计。
三. 局内的设计

局内主要涉及到三个类： World世界，Actor演员，Component组件。
首先我得承认这里多多少少有些借鉴UE4了，但是可能借鉴的不是很多，因为UE4我也没有看过源码，所以如果有些设计比较雷同，可能真的比较巧合。
World类主要是管理局内的Actor，Actor被创建出来都会被添加到World中，除此之外，像Camera这些有特殊功能的组件也会被World类管理，这个类全局唯一实例，应该在创建服务器或者连入服务器时创建。
Actor类是游戏中基本的单位，Actor拥有WorldLocation, WorldScale以及WorldRotation三个位置相关属性，同时拥有一个RootComponent组件，其他Component都会挂载到RootComponent组件上。
Component类为组件类，Actor不存在子Actor，但是Component是存在子组件的，所有可渲染的内容也将由Component来实现，例如类似UE4的SkeletalMeshComponent，Component除了有WorldLocation, WorldScale以及WorldRotation三个属性外，还会有RelativeLocation, RelativeScale以及RelativeRotation三个相对位置属性。为了设计上的简单，引擎中仅允许在Actor的构造函数中将Component加入到Actor中，且不允许动态的拆离(不想显示设置为不可见即可)。
代码如下:
public class World
{

// Actors列表
private List<Actor> Actors;
// 待添加的Actor
private List<Actor> AddActors;
// 待删除的DelActors
private List<Actor> DelActors;

/**
   *  因为可能会在Update时添加Actor，而Update时，正好在通过Foreach遍历Actors此时不能对List插入或者删除实例，所以先添加到临时List里，等待下一次循环，进入foreach之前对Actors进行修改。
   *  这也是禁止Component动态增减的原因，没必要为了动态增减添加思维负担。
   **/

public void AddActor(Actor actor)
{
      AddActors.Add(actor);
}

public World ()
{
      Actors = new List<Actor> ();
      AddActors = new List<Actor> ();
      DelActors = new List<Actor> ();

}

public void Init()
{
      var camera = new CameraActor();
}

public void Fini()
{;
}

public void DestoryActor(Actor actor)
{
      DelActors.Add(actor);
}

public void Render()
{
}

public void Update(float deltaTime)
{
      AddActors.ForEach(actor => Actors.Add(actor));
      DelActors.ForEach(actor => Actors.Remove(actor));
      AddActors.Clear();
      DelActors.Clear();
      Actors.ForEach(actor => actor.Update(deltaTime));
}
}

public class Actor
{
public Actor()
{
      World.AddActor(this);
      Name = &#34;Actor&#34;;
      RootComponent = new RootComponent(this);
}

public string Name { get; set; }

public void Destory()
{
      RootComponent.Destory();
      World.DestoryActor(this);
}

public RootComponent RootComponent { get; private set; }

/// <summary>
/// 相对世界的位置
/// </summary>
public Vector3 WorldLocation { get; set; }

/// <summary>
/// 相对世界的方向
/// </summary>
public Quaternion WorldRotation { get; set; }

/// <summary>
/// 相对世界的缩放
/// </summary>
public Vector3 WorldScale { get; set; }

/// <summary>
/// 矩阵
/// </summary>
public Matrix4x4 WorldTransform { get; set; }

public Engine EngineInstance { get => Engine.Instance; }

public World World {
   get {
      if (EngineInstance.World == null)
         throw new Exception(&#34;世界尚未创建&#34;);
      return EngineInstance.World;
      }
   }

protected GL gl { get => Engine.Instance.Gl; }
public virtual void Update(float deltaTime)
{
      var scaleMat4 = Matrix4x4.CreateScale(WorldScale);
      var rotationMat4 = Matrix4x4.CreateFromQuaternion(WorldRotation);
      var translateMat4 = Matrix4x4.CreateTranslation(WorldLocation);
      WorldTransform = scaleMat4 * rotationMat4 * translateMat4;
      RootComponent.Update(deltaTime);
}

}

public class Component
{

protected List<Component> SubComponents = new List<Component>();

public Component(string name)
{
      Name = name;
}

public string Name { get; set; }

private Component? _Parent = null;

public void RecursionSubComponent(Action<Component> action)
{
      action(this);
      foreach(var subComponent in SubComponents)
      {
         subComponent.RecursionSubComponent(action);
      }
}
public Component? Parent { get => _Parent; }

public void Attach(Component parent)
{
      if (this.Parent != null)
         throw new Exception(&#34;该组件已经有父级了！&#34;);
      parent.SubComponents.Add(this);
      this._Parent = parent;
}

public virtual void Update(float deltaTime)
{
      var scaleMat4 = Matrix4x4.CreateScale(RelativeScale);
      var rotationMat4 = Matrix4x4.CreateFromQuaternion(RelativeRotation);
      var translateMat4 = Matrix4x4.CreateTranslation(RelativeLocation);
      RelativeTransform = scaleMat4 * rotationMat4 * translateMat4;
      if (Parent != null)
      {
         WorldTransform = RelativeTransform * Parent.WorldTransform;
      }
      SubComponents.ForEach((x) => x.Update(deltaTime));
}

public Engine EngineInstance { get => Engine.Instance; }

public Vector3 WorldLocation { get; set; }
public Vector3 WorldScale { get; set; }
public Quaternion WorldRotation { get; set; }

public Vector3 RelativeLocation { get; set; }

public Vector3 RelativeScale { get; set; }

public Quaternion RelativeRotation { get; set; }
public Matrix4x4 RelativeTransform { get; set; }
public Matrix4x4 WorldTransform { get; set; }

public virtual void Destory()
{
      SubComponents.ForEach((x) => x.Destory());
}
}

四、总结

展示代码浪费了大量篇幅，所以不打算再本篇文章中讨论渲染以及摄像机的设计有关内容了。
本篇主要是介绍了三个重要的类的关系，以及代码里还有些世界坐标以及相对坐标相关的矩阵计算, （主要是调用库）。其中个人认为比较重要的细节是：计算WorldTransform的时候，本来我是通过递归然后遍历所有的父节点计算，如果访问这个属性次数过多应该性能很差，而且在同一帧中进行访问的话，他的值应该是不变的，所以为了优化这部分的代码，我们在update中计算WorldTransform, 由于update的调用是从父节点递归来的，所以在某个子节点的update调用时，他的父节点的WorldTransform是必然被算出来的。有效减少了递归的使用。
细心的朋友会发现，虽然WorldTransform被算出来了，但是RelativeXXXX的属性没有被计算，这里确实忘记写了，大概从WorldTransform这个四维矩阵中就能获取到位移旋转和缩放三个分量，待我后续优化一下。

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