游戏开发笔记十八 游戏基础物理建模(一) 匀速与加速运动

我们可以毫不夸张的说，在当今的任意一款成功的3D游戏引擎中，物理建模都是非常核心的部分。

比如当今最高水平的、大名鼎鼎的引擎Unreal Engine 3 （虚幻3），比如国产第一单机游戏《仙剑奇侠传》四代与五代采用的引擎Renderware，都有着健壮而强大的代码负责着引擎内部完善的物理建模。

为了设计出立足实际，联系现实的游戏，为了我们研发出能有与现实物理现象大体相同的游戏效果，以致给玩家一个身临其境的游戏体验，我们必须进行合适的物理建模。

其实吧，在任何一款成功的游戏中，有关物理的代码都占着很大的比重，所以在开发游戏过程中，进行优秀的物理建模是非常必要的。

在之后会推出的几节关于游戏物理建模的文章里，我们会介绍一些最基本的物理模型，这些内容暂时不包含微积分的知识，不会超出高中物理的范围，非常的通俗易懂。

但恰恰通过这些看似简单的模型，我们可以毫不费力地亲手编写出属于自己的2D或3D游戏。

至于你信不信，反正浅墨是信了，呵呵。

关于本节的知识点，是匀速与加速运动，他们在游戏领域里运用可谓非常的广泛。

譬如Dota里每个英雄都是以一个固定的速度进行匀速运动的，比如灵魂守卫TerroBlade的初始移动速度就为310，装备鞋子之后就会更快（当然我们这里没考虑英雄被技能和物品减速时的速度），如果是吃了加速神符或者狼人变身之后就是以522的极速进行匀速运动了。又比如《极品飞车》系列涉及到的跑车匀速，变速行驶的问题。又如愤怒的小鸟，我们可以把里面每只小鸟的运动轨迹看做斜抛运动，将其速度按X与Y轴进行分解处理，在鸟飞翔的途中轨迹的运算，运用的就是本节的知识。（重力加速度会在之后的文章里讲解）

本节依旧先是基础知识的讲解，再附上一个demo供大家巩固提高。

一、基础知识讲解

1.匀速运动

通常情况下，一个会移动的物体都是具有“速度”的，这个速度我们可以进行正交分解，看做各个方向上“速度分量”的合成。

这里我们设一个物体的移动速度为V，x方向的速度分量为Vx，y方向上的速度分量为Vy.

匀速运动实际上就是Vx与Vy保持恒定不变。

在设计2D平面上物体的匀速运动时，每次画面更新时，利用物体速度分量Vx与Vy的值来计算下次物体出现的位置，产生物体移动的效果，这样的原理实现方式我们可以表示为：

下次X轴坐标=在X轴上的速度分量+当前X轴坐标

下次Y轴坐标=在Y轴上的速度分量+当前Y轴坐标

2.加速运动

加速运动就是具有加速度的运动，它的速度会随着时间而改变。

公式我们可以表示如下：

V=Vo+at

这是高中物理运动学里最基本的公式了~其中，V为当前速度，V0为初速度，a为加速度，t为物体从速度为V0时记起的时间

那么同样将此速度分解，我们得到：

Vx=Vxo+axt

Vy=Vyo+ayt

我们设时间间隔t=1

则我们可以推算出加入加速度之后，物体下一刻所在的位置：

Sx=Sxo+Vx*1

Sy=Syo+Vy*1

将这两个公式运用到我们的代码里面就可以实现加速运动的模拟了。

这些知识都是非常基础的，实现方式都非常的简单，但是还有颇多细节，希望好学的你能多思考，多挖掘。

二、在一个完整的demo中将知识融会贯通

了解了基本运动学的原理之后，下面我们就来一起看下这节笔记里面的demo，在实例中将本节知识融会贯通。

这节的demo是一个匀速运动，碰到窗口边缘时就进行反弹的“愤怒的小鸟”，非常的可爱。

浅墨感觉学完这节后大家就可以自己实现win7里的那个”多彩气泡“的屏幕保护程序，有兴趣的朋友可以试着写写看，调用一些Windows API函数就来了。

好了，我们依旧贴出详细注释的源代码~

[cpp]
view plaincopyprint?

#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>

//全局变量声明
HINSTANCE hInst;
HBITMAP bg,bird;
HDC hdc,mdc,bufdc;
HWND hWnd;
DWORD tPre,tNow,tCheck;
RECT rect; //定义一个RECT结构体，用于储存内部窗口区域的坐标

int x=50,y=50,vx=15,vy=15; //x与y是小鸟在窗口中的贴图坐标，vx与vy为小鸟在x与y轴运动的速度分量

//全局函数声明
ATOM MyRegisterClass(HINSTANCE hInstance);
BOOL InitInstance(HINSTANCE, int);
LRESULT CALLBACK WndProc(HWND, UINT, WPARAM, LPARAM);
void MyPaint(HDC hdc);

//****WinMain函数，程序入口点函数**************************************

int APIENTRY WinMain(HINSTANCE hInstance,
HINSTANCE hPrevInstance,
LPSTR lpCmdLine,
int nCmdShow)
{
MSG msg;

MyRegisterClass(hInstance);

//初始化
if (!InitInstance (hInstance, nCmdShow))
{
return FALSE;
}

//消息循环
GetMessage(&msg,NULL,NULL,NULL); //初始化msg

while( msg.message!=WM_QUIT )
{
if( PeekMessage( &msg, NULL, 0,0 ,PM_REMOVE) )
{
TranslateMessage( &msg );
DispatchMessage( &msg );
}
else
{
tNow = GetTickCount();
if(tNow-tPre >= 40)
MyPaint(hdc);
}
}

return msg.wParam;
}

//****设计一个窗口类，类似填空题，使用窗口结构体*********************

ATOM MyRegisterClass(HINSTANCE hInstance)
{
WNDCLASSEX wcex;

wcex.cbSize = sizeof(WNDCLASSEX);
wcex.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;
wcex.lpfnWndProc = (WNDPROC)WndProc;
wcex.cbClsExtra = 0;
wcex.cbWndExtra = 0;
wcex.hInstance = hInstance;
wcex.hIcon = NULL;
wcex.hCursor = NULL;
wcex.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);
wcex.hbrBackground = (HBRUSH)(COLOR_WINDOW+1);
wcex.lpszMenuName = NULL;
wcex.lpszClassName = "canvas";
wcex.hIconSm = NULL;

return RegisterClassEx(&wcex);
}

//****初始化函数*************************************

// 加载位图资源并取得内部窗口区域信息
BOOL InitInstance(HINSTANCE hInstance, int nCmdShow)
{
HBITMAP bmp;
hInst = hInstance;

hWnd = CreateWindow("canvas", "浅墨的窗口" , WS_OVERLAPPEDWINDOW,
CW_USEDEFAULT, 0, CW_USEDEFAULT, 0, NULL, NULL, hInstance, NULL);

if (!hWnd)
{
return FALSE;
}

MoveWindow(hWnd,10,10,600,450,true);
ShowWindow(hWnd, nCmdShow);
UpdateWindow(hWnd);

hdc = GetDC(hWnd);
mdc = CreateCompatibleDC(hdc);
bufdc = CreateCompatibleDC(hdc);
bmp = CreateCompatibleBitmap(hdc,640,480);

SelectObject(mdc,bmp);

bg = (HBITMAP)LoadImage(NULL,"bg.bmp",IMAGE_BITMAP,640,480,LR_LOADFROMFILE);
bird = (HBITMAP)LoadImage(NULL,"angrybird.bmp",IMAGE_BITMAP,120,60,LR_LOADFROMFILE);

GetClientRect(hWnd,&rect); //取得内部窗口区域的大小

MyPaint(hdc);

return TRUE;
}

//****自定义绘图函数*********************************

// 1.进行窗口贴图
// 2.计算小鸟贴图坐标并判断小鸟是否碰到窗口边沿

void MyPaint(HDC hdc)
{
SelectObject(bufdc,bg);
BitBlt(mdc,0,0,640,480,bufdc,0,0,SRCCOPY);

SelectObject(bufdc,bird);
BitBlt(mdc,x,y,60,60,bufdc,60,0,SRCAND);
BitBlt(mdc,x,y,60,60,bufdc,0,0,SRCPAINT);

BitBlt(hdc,0,0,640,480,mdc,0,0,SRCCOPY);

//计算X轴贴图坐标与速度
x += vx;
if(x <= 0)
{
x = 0;
vx = -vx;
}
else if(x >= rect.right-60)
{
x = rect.right - 60;
vx = -vx;
}

//计算Y轴贴图坐标与速度
y += vy;
if(y<=0)
{
y = 0;
vy = -vy;
}
else if(y >= rect.bottom-60)
{
y = rect.bottom - 60;
vy = -vy;
}

tPre = GetTickCount(); //记录此次绘图时间

}

////****消息处理函数***********************************

LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
switch (message)
{
case WM_KEYDOWN: //按键消息

if(wParam==VK_ESCAPE) //按下【Esc】键

PostQuitMessage(0);
break;
case WM_DESTROY: //窗口结束消息

DeleteDC(mdc);
DeleteDC(bufdc);
DeleteObject(bg);
DeleteObject(bird);
ReleaseDC(hWnd,hdc);
PostQuitMessage(0);
break;
default: //其他消息

return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
}
return 0;
}

#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>

//全局变量声明
HINSTANCE hInst;
HBITMAP bg,bird;
HDC hdc,mdc,bufdc;
HWND hWnd;
DWORD tPre,tNow,tCheck;
RECT rect; //定义一个RECT结构体，用于储存内部窗口区域的坐标
int x=50,y=50,vx=15,vy=15; //x与y是小鸟在窗口中的贴图坐标，vx与vy为小鸟在x与y轴运动的速度分量

//全局函数声明
ATOM MyRegisterClass(HINSTANCE hInstance);
BOOL InitInstance(HINSTANCE, int);
LRESULT CALLBACK WndProc(HWND, UINT, WPARAM, LPARAM);
void MyPaint(HDC hdc);

//****WinMain函数，程序入口点函数**************************************
int APIENTRY WinMain(HINSTANCE hInstance,
HINSTANCE hPrevInstance,
LPSTR lpCmdLine,
int nCmdShow)
{
MSG msg;

MyRegisterClass(hInstance);

//初始化
if (!InitInstance (hInstance, nCmdShow))
{
return FALSE;
}

//消息循环
GetMessage(&msg,NULL,NULL,NULL); //初始化msg
while( msg.message!=WM_QUIT )
{
if( PeekMessage( &msg, NULL, 0,0 ,PM_REMOVE) )
{
TranslateMessage( &msg );
DispatchMessage( &msg );
}
else
{
tNow = GetTickCount();
if(tNow-tPre >= 40)
MyPaint(hdc);
}
}

return msg.wParam;
}

//****设计一个窗口类，类似填空题，使用窗口结构体*********************
ATOM MyRegisterClass(HINSTANCE hInstance)
{
WNDCLASSEX wcex;

wcex.cbSize = sizeof(WNDCLASSEX);
wcex.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;
wcex.lpfnWndProc = (WNDPROC)WndProc;
wcex.cbClsExtra = 0;
wcex.cbWndExtra = 0;
wcex.hInstance = hInstance;
wcex.hIcon = NULL;
wcex.hCursor = NULL;
wcex.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);
wcex.hbrBackground = (HBRUSH)(COLOR_WINDOW+1);
wcex.lpszMenuName = NULL;
wcex.lpszClassName = "canvas";
wcex.hIconSm = NULL;

return RegisterClassEx(&wcex);
}

//****初始化函数*************************************
// 加载位图资源并取得内部窗口区域信息
BOOL InitInstance(HINSTANCE hInstance, int nCmdShow)
{
HBITMAP bmp;
hInst = hInstance;

hWnd = CreateWindow("canvas", "浅墨的窗口" , WS_OVERLAPPEDWINDOW,
CW_USEDEFAULT, 0, CW_USEDEFAULT, 0, NULL, NULL, hInstance, NULL);

if (!hWnd)
{
return FALSE;
}

MoveWindow(hWnd,10,10,600,450,true);
ShowWindow(hWnd, nCmdShow);
UpdateWindow(hWnd);

hdc = GetDC(hWnd);
mdc = CreateCompatibleDC(hdc);
bufdc = CreateCompatibleDC(hdc);
bmp = CreateCompatibleBitmap(hdc,640,480);

SelectObject(mdc,bmp);

bg = (HBITMAP)LoadImage(NULL,"bg.bmp",IMAGE_BITMAP,640,480,LR_LOADFROMFILE);
bird = (HBITMAP)LoadImage(NULL,"angrybird.bmp",IMAGE_BITMAP,120,60,LR_LOADFROMFILE);

GetClientRect(hWnd,&rect); //取得内部窗口区域的大小
MyPaint(hdc);

return TRUE;
}

//****自定义绘图函数*********************************
// 1.进行窗口贴图
// 2.计算小鸟贴图坐标并判断小鸟是否碰到窗口边沿
void MyPaint(HDC hdc)
{
SelectObject(bufdc,bg);
BitBlt(mdc,0,0,640,480,bufdc,0,0,SRCCOPY);

SelectObject(bufdc,bird);
BitBlt(mdc,x,y,60,60,bufdc,60,0,SRCAND);
BitBlt(mdc,x,y,60,60,bufdc,0,0,SRCPAINT);

BitBlt(hdc,0,0,640,480,mdc,0,0,SRCCOPY);

//计算X轴贴图坐标与速度
x += vx;
if(x <= 0)
{
x = 0;
vx = -vx;
}
else if(x >= rect.right-60)
{
x = rect.right - 60;
vx = -vx;
}

//计算Y轴贴图坐标与速度
y += vy;
if(y<=0)
{
y = 0;
vy = -vy;
}
else if(y >= rect.bottom-60)
{
y = rect.bottom - 60;
vy = -vy;
}

tPre = GetTickCount(); //记录此次绘图时间
}

////****消息处理函数***********************************
LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
switch (message)
{
case WM_KEYDOWN: //按键消息
if(wParam==VK_ESCAPE) //按下【Esc】键
PostQuitMessage(0);
break;
case WM_DESTROY: //窗口结束消息
DeleteDC(mdc);
DeleteDC(bufdc);
DeleteObject(bg);
DeleteObject(bird);
ReleaseDC(hWnd,hdc);
PostQuitMessage(0);
break;
default: //其他消息
return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
}
return 0;
}

运行时会带有幻影的错觉，实际上是因为这样的动画实现方式比较简单。

毕竟画面不是我们目前所追求的东西，目前我们主要学的是思想，关于华丽的游戏画面，这将是我们在后面的DirectX与游戏引擎中才需要讲究的东西。

下面是运行的截图：









这个简单的小demo，运行起来有没有与“愤怒的小鸟”太空版有些神似呢？呵呵