Xcode与C++之游戏开发:Pong游戏

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Xcode与C++之游戏开发:Pong游戏

优惠码优惠 2019-02-24 19:35:41 浏览670
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Xcode与C++之游戏开发:Pong游戏

接下来在前两天游戏骨架的基础上实现一个经典的乒乓球(Pong)游戏。游戏是这样的,一个球在屏幕上移动,玩家控制球拍来击打球。可以说乒乓球游戏是游戏开发者的 “Hello World” 项目。

绘制游戏中的物体
乒乓球球拍我们使用矩形来表示。绘制填充矩形,SDL 有 SDL_RenderFillRect 函数,它接受一个 SDL_Rect 代表的填充矩形,而矩形颜色由当前的绘图颜色决定。换句说,现在我们不改变绘图颜色,它默认就会使用那个幸福浪漫的蒂芙尼蓝。当然,颜色一摸一样,我们是看不见的。为了看得出矩形,将它修改成蓝色。

在 Game::GenerateOutput() 交换缓冲区之前写入:

  // 设置绘制颜色
  SDL_SetRenderDrawColor(mRenderer, 0, 0, 255, 255);
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要绘制矩形,需要指定一个 SDL_Rect 结构体。这个结构体有4个参数,左上角的点x/y坐标,还有矩形的高和宽度。在绝大多数的图形库中,包括 SDL,窗口左上角的点的坐标是(0, 0),x正半轴是向右,y正半轴是向下的(和数学上的相反)。

假设我们要在屏幕上方绘制矩形作为游戏的墙,可以使用下面的 SDL_Rect 的定义:

  // 顶部墙的参数
  SDL_Rect wall {
    0, // 左上 x 坐标
    0, // 左上 y 坐标
    1024, // 宽度
    kThickness // 高度
  };
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宽度被硬编码成1024,一般来说这需要根据窗口尺寸自动修正,后面会考虑修正这个问题。thickness 是一个 const int 常量,被设置成15,这是为了方便调整墙的厚度。

C++ 不推荐使用 #define 宏预定义,更推荐使用 const

在头文件声明之后加入:

const int kThickness = 15;
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最后,用 SDL_RenderFillRect 绘制矩形,传入 SDL_Rect 指针:

SDL_RenderFillRect(mRenderer, &wall);
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这样游戏窗口上面多了一道墙,类似的,可以画出底部的墙和右边的墙,只需要通过改变 SDL_Rect 的参数。比如,下面那道墙左上角的 y 坐标就是 768 - thickness(因为窗口初始化时高度被初始化为768)。

  // 绘制底部墙
  wall.y = 768 - kThickness;
  SDL_RenderFillRect(mRenderer, &wall);
  
  // 绘制右边的墙
  wall = {
    1024 - kThickness,
    0,
    kThickness,
    1024
  };
  SDL_RenderFillRect(mRenderer, &wall);
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左边的墙呢?留着给玩家打乒乓球。

墙硬编码可能问题不大,乒乓球球和球拍就不能硬编码了。随着游戏循环,球拍是要会动的。实际游戏编程中,球和球拍应该抽象成类,但是现在我们姑且先用变量代替一下硬编码。

首先,先定义一个 Vector2 结构体来存储 x 和 y 坐标。这个定义放到 Game.hpp 之中:

// Vector2 结构体仅存储 x 和 y 坐标
struct Vector2
{
  float x;
  float y;
};
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接着添加两个 Vector2 的成员变量到 Game 类中,一个作为球拍 mPaddlePos,一个作为球 mBallPos。

  // 球拍位置
  Vector2 mPaddlePos;
  // 球的位置
  Vector2 mBallPos;
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之后在初始化时 Game::Initialize() 赋予一个合理的初始值。

  // 初始化球拍和球的坐标
  mPaddlePos.x = 10.0f;
  mPaddlePos.y = 768.0f / 2.0f;
  mBallPos.x = 1024.0f / 2.0f;
  mBallPos.y = 768.0f / 2.0f;
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x和y在这里是中心坐标,不符合 SDL_Rect 的要求。因此要先把x和y坐标转换成左上角的点。

  // 绘制球拍
  SDL_Rect paddle {
    static_cast<int>(mPaddlePos.x),
    static_cast<int>(mPaddlePos.y - kPaddleH / 2),
    kThickness,
    static_cast<int>(kPaddleH)
  };
  SDL_RenderFillRect(mRenderer, &paddle);
  
  // 绘制球
  SDL_Rect ball {
    static_cast<int>(mBallPos.x - kThickness / 2),
    static_cast<int>(mBallPos.y - kThickness / 2),
    kThickness,
    kThickness
  };
  SDL_RenderFillRect(mRenderer, &ball);
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其中,kPaddleH 也是个 const int 常量,用来控制球拍的长度(可控制难度),将其设置为 100.0f。

const float kPaddleH = 100.0f;
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这样乒乓球的所需要物体,或者说简陋的素材就完成了。看看效果。



接下来,就要把静态变成动态,完成游戏循环和交互逻辑的编写。

更新游戏
在编写游戏循环的时候,有一点是值得特别关注的,就是时间。务必记住一点,游戏循环不是连续的,它只是刷新频率带来的错觉。游戏中的时间和现实的物理时间也未必一样。这是开发的时候需要特别注意的。

由时间引出了刷新频率的问题,假如最早的游戏在 8MHz 的处理器下运行,有这样的代码:

// x 坐标更新五个像素
enemy.mPosition.x += 5;
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那么,如果在 16MHz 的处理器上运行呢?刷新的速率翻了一倍,会导致游戏速度快了一倍。游戏的难度陡然上升,完全有可能将困难的挑战变成不可能。为了解决这个问题,游戏将使用增量时间(delta time)——上一帧到现在的时间流逝长度。

要采用增量时间,就需要转换思考的角度,从每帧移动的像素数量转变成每秒移动的像素数量。所以,我们把速度调整为150每秒,采用增量时间,这样更加灵活:

// 每秒更新150个像素
enemy.mPosition.x += 150 * deltaTime;
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现在,代码与帧速无关了,无论是 30 FPS 还是 60 FPS,都能照常运行。实际游戏编程时,大部分都需要采用增量时间。

为了计算增量时间,SDL 提供了 SDL_GetTicks 函数返回从 SDL_Init 调用以来的毫秒数。通过存储上一帧的 SDL_GetTicks 的结果在成员变量里,就可以使用现在的值来计算增量时间。

首先,声明一个 mTicksCount 作为 Game 的成员变量,并在构造函数中初始化为0。

在 Game.hpp 的 Game 中增加代码:

  // 记录运行时间
  Uint32 mTicksCount;
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构造函数中初始化为0:

Game::Game()
:mWindow(nullptr)
,mRenderer(nullptr)
,mIsRunning(true)
,mTicksCount(0)
{
  
}
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使用 SDL_GetTicks 的代码在 Game::UpdateGame 中实现:

void Game::UpdateGame()
{
  // 增量时间是上一帧到现在的时间差
  // (转换成秒)
  float deltaTime = (SDL_GetTicks() - mTicksCount) / 1000.0f;
  
  // 更新运行时间(为下一帧)
  mTicksCount = SDL_GetTicks();
}
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仔细想想,这代码还是有问题的。有一些依赖于物理的游戏(比如平台跳跃类),行为会根据帧速率而有所不同。最简单的解决方案就是限制速度,强制游戏循环需要等到一个增量时间。例如,目标帧速 60 FPS,一帧完成仅需要 15ms,则强制附加 1.6ms。

SDL 已经为我们提供了限制帧速的方法。例如,要限制至少帧与帧之间间隔 16ms,可以在 UpdateGame 一开始附加上代码:

void Game::UpdateGame()
{
  // 等到与上一帧间隔 16ms
  while (!SDL_TICKS_PASSED(SDL_GetTicks(), mTicksCount + 16))
    ;
  
  // 增量时间是上一帧到现在的时间差
  // (转换成秒)
  float deltaTime = (SDL_GetTicks() - mTicksCount) / 1000.0f;
  
  // 更新运行时间(为下一帧)
  mTicksCount = SDL_GetTicks();
}
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除了关注最短间隔,我们也应该关注最长间隔。例如,在调试的时候中断了游戏,那么一段时间之后恢复运行,游戏将产生一个突跃。为了解决这个问题,只需要设定一个增量时间的最大值。

  // 固定增量时间最大值
  if (deltaTime > 0.05f)
  {
    deltaTime = 0.05f;
  }
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球拍位置
在乒乓球游戏中,我们可以通过键盘输入 W 向上移动球拍,S 向下移动球拍。可以定义一个 mPaddleDir 表示方向,-1 表示球拍向上(负y),1 表示球拍向下移动。

  // 球拍方向
  int mPaddleDir;
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记得在构造函数中初始化,

Game::Game()
:mWindow(nullptr)
,mRenderer(nullptr)
,mIsRunning(true)
,mTicksCount(0)
,mPaddleDir(0)
{
  
}
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控制游戏的位置通过键盘输入,因此代码放到 ProcessInput 中。

  // 通过 W/S 更新球拍位置
  mPaddleDir = 0;
  if (state[SDL_SCANCODE_W])
  {
    mPaddleDir -= 1;
  }
  if (state[SDL_SCANCODE_S])
  {
    mPaddleDir += 1;
  }
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注意这里是加上和减去,而不是采取直接赋值为 -1 和 1,因为这样才能确保玩家同时按两个键时mPaddleDir 是0。接下来,在 UpdateGame 中根据增量时间和方向,更新球拍位置。除此之外,还需要防止球拍超出窗口,必须限制在有效范围内。

  // 根据方向更新球拍位置
  if (mPaddleDir != 0)
  {
    mPaddlePos.y += mPaddleDir * 300.0f * deltaTime;
    
    // 确保球拍不能移出窗口
    if (mPaddlePos.y < (kPaddleH / 2.0f + kThickness))
    {
      mPaddlePos.y = kPaddleH / 2.0f + kThickness;
    } else if (mPaddlePos.y > (768.0 - kPaddleH / 2.0f - kThickness))
    {
      mPaddlePos.y = 768.0f - kPaddleH / 2.0f - kThickness;
    }
  }
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在这里,速度是300个像素每秒。现在,可以编译运行一下看看了。

更新球的位置
更新球的位置就有一点点复杂了。球拍仅仅在一维(y)上运动,而乒乓球可是在二维平面上运动。另外,球碰到墙和球拍会反弹,从而改变它的方向。因此,需要使用球的速度和对它进行碰撞检测。

由于球在二维平面上运动,因此对速度的表示采用的是矢量分解。添加一个 Vector2 成员变量 mBallVel,初始化成 (-200.0f, 235.0f),代表一开始球向x负方向以每秒200像素移动,同时向下每秒移动235像素。换句话说,向左下移动。

  // 球的速度
  Vector2 mBallVel;
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在 Game::Initialize() 中进行初始化:

  mBallVel = {-200.0f, 235.0f};
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接下来,需要编写能够将球从墙上弹回的代码。用于确定球是否与墙壁碰撞的代码类似于检查球拍是否在屏幕外。如果球的y位置小于或等于球的高度,则球与顶壁碰撞。一个问题是,碰撞之后怎么运动。

应该不难想到,假如球从上到下,那么碰到底部的墙将反弹向上。类型的,碰撞到右边,则反弹向左。基于矢量的原理,仅仅只需要在相应的分量上乘以 -1,改变方向即可。

  // 球是否和顶部墙相碰
  if (mBallPos.y <= kThickness && mBallVel.y < 0.0f)
  {
    mBallVel.y *= -1;
  }
  else if (mBallPos.y >= (768 - kThickness) && mBallVel.y > 0.0f)
  {
    // 球和底部墙相碰
    mBallVel.y *= -1;
  }
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对速度进行校验是有必要的,否则可能导致球粘在墙上。

球与墙的碰撞稍微简单一点,与球拍的碰撞就比较复杂了。

如果球在球拍的正上方和正下方,这就是没碰撞了;(球的y坐标和球拍的y坐标差值大于球拍的高度的一半)
检查球的x坐标是否和球拍一致,并且球不处于远离状态。
  // 是否和球拍相交
  float diff = mPaddlePos.y - mBallPos.y;
  // 取绝对值
  diff = (diff > 0.0f) ? diff : -diff;
  if (
      // y分量差距足够小
      diff <= kPaddleH / 2.0f &&
      // 球拍的x范围内
      mBallPos.x <= 25.0f && mBallPos.x >= 20.0f &&
      // 球正向左运动
      mBallVel.x < 0.0f
    )
  {
    mBallVel.x *= -1.0f;
  }
  // 如果球出了窗口,结束游戏
  else if (mBallPos.x <= 0.0f)
  {
    mIsRunning = false;
  }
  // 如果球碰到右边的墙,则反弹
  else if(mBallPos.x >= (1024.0f - kThickness) && mBallVel.x > 0.0f)
  {
    mBallVel.x *= -1.0f;
  }
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最终

这样,游戏届的“Hello World”的Pong游戏就编写完成了,最后,改一下窗口标题,换成 Pong,就可以了。但是,我们把 Pong 游戏的各个游戏对象都放到了 Game 中,这不利于扩展。这就是我们之后将进一步讨论的游戏对象。



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作者:谷雨の梦 
来源:CSDN 
原文:https://blog.csdn.net/guyu2019/article/details/87551008 
版权声明:本文为博主原创文章,转载请附上博文链接!

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