[Qt] 我的一款射击游戏及设计模式 - Hori Miona

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     时间：2017年7月28日-7月30日

     耗时：2天

       此前一直在玩OpenGL，做的都是三维世界的东西，已经好久没有写过2D类的小游戏了。上学期，玩了《charles》之后，就一直想要写一款类似的射击类小游戏，只是前段时间有很多跟图形学有关的程序还要填坑，而且还要忙着参加夏令营。到现在终于闲了下来，就开始着手做一下这款小游戏《Hori Miona》吧。（在家一周也没见体重长回去多少）

       这篇博文，可能更多的涉及到“游戏开发架构”。这俩天对于我自己来讲，也算是是摸索出了比较不错的架构。不管是3D还是2D游戏，render和modeling虽然不同，但是架构应该是个可以通用的模式。

       在正文开始之前，还是惯例上一下我的实现结果。

射击游戏《Hori Miona》

一、下载链接：

       http://download.csdn.net/detail/mahabharata_/9916762

二、游戏截图：

  






本游戏的部分设计细节

一、类图

      程序的可视化界面为GameWidget类，并进行游戏循环，利用计时器Timer更新游戏状态。玩家Player类，用于记录玩家的状态信息；同时，玩家的所有操作由状态控制，每次游戏循环中，根据玩家当前所处的行为状态（攻击、移动？），更新玩家的信息。在Player类中，还有一个攻击管理器AttackManager，用于对玩家的攻击进行处理，包括：攻击的渲染、攻击模式的转化、攻击的碰撞检测等等。此外，在GameWidget中，还有一个成员EnemyManager，用于对游戏中的AI单位进行控制，根据玩家的当前位置，更新敌人的状态。

      如下是简化的类图（在进行大致设计时采用）：

 


二、基于四叉树的场景管理。
       在游戏中的敌人的数目，这里采取了基于四叉树的场景管理的方法。虽然前面的类图在设计阶段是list<Enemy>来代替的。但是为了提高检索效率还是必须要引入四叉树进行场景对象的管理。
     
四叉树并不仅仅针对二维的游戏场景上，这里所指的二维是因为四叉树本身仅仅考虑了两个维度。在三维的游戏场景中，我们也可以使用四叉树，因为在四叉树应用最广泛的室外地形场景中，z轴往往只代表地形高度信息，或者说它的信息相比起xy轴而言，并没有特别重要。这是我们在场景管理中可以适当忽略的部分。

      四叉树有很多变种，先谈一个简单的情况，就是假设所有物体是一个点，这样比较容易理解。在后面可以利用AABB包围盒进行碰撞检测。

      把每个点放到正方形空间里，若该正方形内含有超过1个点（2个或2个以上的点），就把该正方形分割，直至每个小正方形（叶节点）仅含有一个点，就可以得出以下的分割结果：

       


       这个做法是可以调整的，也就是说当空间分割到一定大小就不能继续分割（如最多只能对一个结点分割4层，因为层数太多也会影响检索效率）。关于四叉树节点的数据结构可按如下进行定义：

struct treeNode {
bool isLeaf;   //是否是叶节点

// 四个子树
treeNode* upLeft;
treeNode* upRight;
treeNode* downLeft;
treeNode* downRight;

int objectNum; //包含对象个数
List<Object> objects; //包含的对象

AABB box;     //所在的AABB包围盒
}

          了解了最基本四叉树后，可把问题从质点扩充到占有一定体积的物体。虽然我们可以每次比较场景物体和正方形的相交，但是为了提高性能，一般使用物体的包围盒进行碰撞检测：

           这里推荐我的另外一篇文章《对Obj模型的AABB包围盒加载器》：http://blog.csdn.net/mahabharata_/article/details/72593925

三、状态图在游戏中的应用：

        相比起一般的软件开发，游戏开发对状态图的依赖应该是比较强的了。因为游戏中通常会涉及很多复杂的状态转换过程。比如：实现飞机移动的状态转换。这里也简单拿这个例子来进行一下说明：在程序中，飞机的非战斗状态主要包括以下几种行为（用枚举类型表示）：

class Player
{
private:

// 飞机运动状态
enum STATE
{
_STOP,      // 停止
_RUN,       // 直行
_LEFT,      // 静止左转
_RIGHT,     // 静止右转
_RUN_LEFT,  // 运动左转
_RUN_RIGHT  // 运动右转
};

short m_curState;  // 飞机当前运行状态

public:
void setCurrentState(short state);  // 设置飞机的当前状态
short getCurrentState();            // 获取飞机的当前状态

void updateStates();  // 更新

void render(QPainter* painter);
};

     这是玩家类Player的简化代码，预设了6种非战斗的状态。为了能理顺完整的状态转换，因此设计了如下的状态图（为了方便绘制，没有体现左转的情况，但是可以对称得到）：



       在有了上面的状态图的情况下，便可以非常轻松地写出相应的状态转换代码：

void GameWidget::keyPressEvent(QKeyEvent *event)
{
if(event->isAutoRepeat())
return;
switch(event->key())
{
case Qt::Key_W:              // 前进
if(m_player.getCurrentState()==Player::_STOP)
m_player.setCurrentState(Player::_RUN);
if(m_player.getCurrentState()==Player::_LEFT)
m_player.setCurrentState(Player::_RUN_LEFT);
if(m_player.getCurrentState()==Player::_RIGHT)
m_player.setCurrentState(Player::_RUN_RIGHT);
break;
case Qt::Key_A:             // 左
bA = true;
if(m_player.getCurrentState()==Player::_STOP)
m_player.setCurrentState(Player::_LEFT);
if(m_player.getCurrentState()==Player::_RIGHT)
m_player.setCurrentState(Player::_LEFT);
if(m_player.getCurrentState()==Player::_RUN || m_player.getCurrentState()==Player::_RUN_RIGHT)
m_player.setCurrentState(Player::_RUN_LEFT);
break;
case Qt::Key_D:             // 右
bD = true;
if(m_player.getCurrentState()==Player::_STOP)
m_player.setCurrentState(Player::_RIGHT);
if(m_player.getCurrentState()==Player::_LEFT)
m_player.setCurrentState(Player::_RIGHT);
if(m_player.getCurrentState()==Player::_RUN || m_player.getCurrentState()==Player::_RUN_LEFT)
m_player.setCurrentState(Player::_RUN_RIGHT);
break;
case Qt::Key_J:             //攻击
m_attackManager.setAttacked(true);
break;
case Qt::Key_Space:        // 切换攻击模式
m_attackManager.changeAttackMode();
ui->lblAttackMode->setText(m_attackManager.getAttackMode());
break;
case Qt::Key_R:
if(m_timer.isActive())
m_timer.stop();
else
m_timer.start();
break;
case Qt::Key_Escape:
m_timer.stop();
emit sig_closeGameWidget();
break;
}
}

void GameWidget::keyReleaseEvent(QKeyEvent *event)
{
if(event->isAutoRepeat())
return;

switch(event->key())
{
case Qt::Key_W:
if(m_player.getCurrentState()==Player::_RUN)
m_player.setCurrentState(Player::_STOP);
if(m_player.getCurrentState()==Player::_RUN_LEFT)
m_player.setCurrentState(Player::_LEFT);

if(m_player.getCurrentState()==Player::_RUN_RIGHT)
m_player.setCurrentState(Player::_RIGHT);
break;
case Qt::Key_A:
bA = false;
if(m_player.getCurrentState() == Player::_RUN_LEFT && !bD)
m_player.setCurrentState(Player::_RUN);
if(m_player.getCurrentState() == Player::_LEFT && !bD)
m_player.setCurrentState(Player::_STOP);

if(m_player.getCurrentState() == Player::_RUN_LEFT && bD)
m_player.setCurrentState(Player::_RUN_RIGHT);
if(m_player.getCurrentState() == Player::_LEFT && bD)
m_player.setCurrentState(Player::_RIGHT);

break;
case Qt::Key_D:
bD = false;
if(m_player.getCurrentState() == Player::_RUN_RIGHT && !bA)
m_player.setCurrentState(Player::_RUN);
if(m_player.getCurrentState() == Player::_RIGHT && !bA)
m_player.setCurrentState(Player::_STOP);

if(m_player.getCurrentState() == Player::_RUN_RIGHT && bA)
m_player.setCurrentState(Player::_RUN_LEFT);
if(m_player.getCurrentState() == Player::_RIGHT && bA)
m_player.setCurrentState(Player::_LEFT);
break;
case Qt::Key_J:
m_attackManager.setAttacked(false);
break;
}
}

四、火焰碰撞的矩阵计算：

       在2D游戏的开发中，其实会发现和3D游戏有很多相似之处。用到的主要数学方法有：

       变换矩阵、 插值、图像遮罩等等。

       这里介绍其中一个处理方法：火焰跟随飞机旋转的效果——借助变换矩阵去实现。

        这个和OpenGL中三维变换矩阵的计算类似，只是相应的转换成了2维，但是为了方便计算，我们还是要使用齐次坐标。火焰虽然在视觉上看到的是不规则且不断变化的图形，但是在游戏中，我是用的是一个凸多边形作为一个检测区域，如下图：

                 


      已知玩家的坐标pos（Vec3），和倾斜角度dir（float）。那么我们可以首先确定一个原始的菱形（顶点坐标pi已知，为齐次坐标x,y,w），再计算相应的三维变换矩阵matrix（3*3），将顶点坐标pi乘以三维变换矩阵matrix便可求出火焰的范围。

     计算的数学过程如下：

            （1） 已知火焰顶点pi(x,y,w)，和变换角度dir，

            （2） 计算pi到火焰中心位置的平移矩阵mat1;

                      计算绕火焰中心位置旋转dir角度的旋转矩阵mat2;

                      计算从火焰中心到原位置pi的平移助阵Mat3;

            （3） 得到三维变换矩阵matrix = mat3* mat2*mat1;

            （4） 由点pi* matrix即可得出变换后的坐标pi'。

可以用如下代码得到：

// 将 pos从玩家中心移动到火焰中心
pos.setX(pos.x()+sin(3.14*dir/180.0)*90);
pos.setY(pos.y()-cos(3.14*dir/180.0)*90);

QPolygonF polygon;          // 未变换的多边形
polygon<<QPointF(pos.x(),pos.y()-50)
<<QPointF(pos.x()-35,pos.y()+35)
<<QPointF(pos.x(),pos.y()+75)
<<QPointF(pos.x()+35,pos.y()+35);

QMatrix matrix;   // 计算旋转矩阵matrix
matrix.translate(pos.x(),pos.y());    // 平移到火焰中心
matrix.rotate(dir);    // 旋转
matrix.translate(-pos.x(),-pos.y());   // 平移回原位置

polygon = polygon*matrix;   // 多边形的坐标

结语：

         整体来说，这个项目的代码量要在2天时间内完成，还算是比较多的。想要在博客里面完全阐述所有的设计细节，真的是不太可能，但是欢迎交流。本程序是个娱乐工作，所以代码在整理完成后，会抽时间全部上传。