自製遊戲引擎 - 0 - Hello world

自我介紹：Tanki，SMU Guildhall，Game Design Master Programming track 在讀。本系列用以記錄自己的開發過程，（也可以作為興趣愛好者的科普讀物），歡迎大家各種姿勢吐槽。

在進入 Guildhall 之前，也曾經幾度想嘗試著手寫一個引擎。雖然讀了《遊戲引擎架構》，但是仍然發現在寫代碼時候無從著手。最近發現遊戲引擎從某方面來說和 Web development 中的前後端框架並沒有什麼差別，意義還是在於能夠更好的服務業務（遊戲）開發本身。而相比較互聯網公司的各種業務而言，各個 Game Studio 對於遊戲引擎的要求更加差異化，所以遊戲引擎的定製程度都比較高。

我的遊戲引擎將圍繞遊戲開發本身進行拓展，以能夠實現遊戲各項 Feature 為目標來實現引擎的各項功能。

在開發時，將遵循以下幾個原則：

• 迭代開發，不考慮沒有遇到的性能問題（但是會遵循一些簡單原則）
• 盡量剋制開發暫時用不到的功能，防止過度設計

技術選型：C++ 配合 MSBuild

在語言的選擇上毫無疑問還是選擇了 C++，原因有很多，但是最大的兩點：高效，跨平台。而 Visual Studio 作為遊戲業界標準，可以基本絲滑實現大多數平台包括主機的構建發布，在此不多做介紹，之後會專門寫一篇文章來作說明。

編碼標準：insomniac Game Coding standard

第一個遊戲：小行星（Asteroids）遊戲

下圖演示了遊戲的基本需求：

以及這是一個豪華版（Polished w/ Juice）：

渲染循環

對於圖形化操作系統，因為每一幀變換的內容事實上很少，所以採用矩陣失效（Matrix

Invalidation）的方法更新 UI 界面，僅重繪製部分變換內容。對於遊戲系統來說，由於各種內部外部因素，場景內容變換很大，傾向於使用類似於電影的手法，既連續播放單幀靜止圖像。由於遊戲每一幀內容依賴於實時接受各種外部的輸入信號，無法採用離線渲染（Offline Rendering），使用實時渲染（Real-time Rendering）。渲染循環（Render Loop）是遊戲實現的核心過程，可以簡單用以下代碼表示：

while(g_notQuitting) { beforeFrame(); update(); render(); afterFrame();}

其中，beforeFrame 用來處理各種系統調用，接受並更新各個系統的狀態。update 將負責更新場景內物體，攝像機等的相關物理狀態，進行一系列的相關運算，例如更新物體的位置（position），運動速度（velocity），朝向（Orientation）等。render 中將不作任何運算（事實上，我們暫時可以認為render中調用的方法在函數簽名最後都跟有const），僅根據各項參數在窗口中進行圖形繪製。afterFrame 將處理現場，更新相關狀態。

Hello Engine

對於引擎中各個子系統的構造將在之後的文章中介紹。在此之前，我們希望能夠創造一個能夠運行的程序。

從網上可以找到許多 OpenGL 版本的 Hello world 程序（參考），這裡不多做描述。但是需要能做到以下內容：

• 創建窗口，並進行正確的（符合預期的）繪製
• 能夠順利接受用戶的鍵盤輸入，按esc可以退出程序。

Vector2

首先我將在引擎中加入一些基本的 primitive type。Vector 系列類型是遊戲開發中最常見的基礎數據結構，最常見的構造方式為一組 float 類型的變數集合。由於暫時僅僅需要使用二維空間，所以暫時只創建了 Vector2 類型：

class Vector2 {public: // Construction/Destruction ~Vector2 () {} Vector2 () {} Vector2 (const Vector2& copyFrom); explicit Vector2 (float initialX, float initialY); // Operators const Vector2 operator+(const Vector2& vecToAdd) const; // vec2 + vec2 const Vector2 operator-(const Vector2& vecToSubtract) const; // vec2 - vec2 const Vector2 operator*(float uniformScale) const; // vec2 * float const Vector2 operator/(float inverseScale) const; // vec2 / float void operator+=(const Vector2& vecToAdd); // vec2 += vec2 void operator-=(const Vector2& vecToSubtract); // vec2 -= vec2 void operator*=(const float uniformScale); // vec2 *= float void operator/=(const float uniformDivisor); // vec2 /= float void operator=(const Vector2& copyFrom); // vec2 = vec2 bool operator==(const Vector2& compare) const; // vec2 == vec2 bool operator!=(const Vector2& compare) const; // vec2 != vec2 float getLength() const; float getLengthSquared() const; // faster than GetLength() since it skips the sqrtf() float normalizeAndGetLength(); // set my new length to 1.0f; keep my direction Vector2 getNormalized() const; // return a new vector, which is a normalized copy of me float getOrientationDegrees() const; // return 0 for east (5,0), 90 for north (0,8), etc. static Vector2 makeDirectionAtDegrees(float degrees); // create vector at angle friend const Vector2 operator*(float uniformScale, const Vector2& vecToScale); // float * vec2public: float x; float y;};

MathUtils

另外還需要創建一系列常用的工具方法：

#include <stdint.h>#define PI (3.1415926535897932384626433832795f)class Vector2;class Disc2;float convertRadiansToDegrees (float radians);float convertDegreesToRadians (float degrees);float cosDegrees (float degrees);float sinDegrees (float degrees);float getRandomFromZerotoOne();float getRandomInRange(float minInclusive, float maxInclusive);int32_t getRandomInt32InRange(int32_t minInclusive, int32_t maxInclusive);float getSquaredDistance(const Vector2& a, const Vector2& b);float getDistance(const Vector2& a, const Vector2& b);

需要注意的是關於幾個隨機函數的實現，下列代碼是 getRandomFromZerotoOne

float getRandomFromZerotoOne() { return (float)rand() / (float)RAND_MAX;}

需要在 cpp 文件中 include <Math.h>，基於該函數實現，getRandomInRange 只需要對值域區間作初等變換即可。而對於getRandomInt32InRange，採用 rand() % (max -min) + min 來實現，雖然比較粗暴並且存在一些邊界問題並不是非常準確，但是對於我們的小行星遊戲來說已經足夠了。（Random 本身存在很多性能問題，並且我們的確有很多方法可以生成隨機數，這些將在以後涉及時進行優化）

至此，我們已經擁有了一些基礎的設施，進行一些簡單的封裝後，就可以在畫布上實現一些簡單功能：

• 按某個鍵在隨機位置生成正多邊形（稍作改動後就可以變成隕石了）
• 按某個鍵刪除一個多邊形

在下一篇文章中，我（暫時決定）將介紹：

• C++ 多文件管理，How to include
• 全局坐標系與局部坐標系
• Entity class 以及相關子類
• 讓世界動起來

還在不斷學習中，歡迎各位讀者指出文中的錯誤。謝謝閱讀！