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3D游戏编程入门经典.教你三天回3D、、3D游戏编程入门经典

 ●       您希望我闭嘴，并马上告诉您如何编写自己的视频游戏吗？

 如果您对这些问题中的一个或多个回答了“是”，则表示您非常渴望成为一名游戏开发人员。或许您已经具有某些构想，但不具备将头脑中的构想通过代码转化为实际游戏能力。本书将通过实际的游戏编程快速教会您这些技能。

  

         
   所有的游戏开始时都只是一个构想。如果没有构想，能编写什么呢？如果只是随机的编码，能够希望它在未来成为一个伟大的作品吗？尽管这对抽象画家的工作可能有效，但软件开发人员不能在没有计划的情况下做任何事情。但是，只有构想，并不意味着可以开始编写代码。

 我曾经看到(并且将不断看到)的最大的错误是，开发人员提前进行代码的编写。除非代码非常简单，不用动任何脑筋，那么您可以立即开始编写代码，否则在只有一个构想的情况下就开始编写代码，决不是好的做法。在没有计划的情况下开始编写代码，所带来的只是更大的工作量、更多的反复编码以及更长的开发时间。

 在编写代码之前，应当开发一个设计规范。该文档应当包含关于如何设计代码、对象如何交互和对象可能具有的各种属性的特定信息。如果没有这一步就直接编码，在大多数情况下将导致解决错误的问题。即使您能够快速的解决这些问题，但是如果没有解决正确的问题，工作就是毫无意义的。结果将会花费更多的时间为真正的问题寻找解决方案。

 您也应当花一些时间将构想记录到纸上(或者计算机文件中)。如果不想让您关于下一个伟大的计算机游戏的构想非常含糊，以至于设计规范无法描述需要求解哪些问题，那么您最好确保您的构想是生动的。将构想展示给朋友，让他们提问题，并确保这些问题能够在您的文档中得到回答。如果您的构想类似于“编写一个令人恐怖的第一人射手游戏”，那么说明您还没有很好地思考您的构想。玩家具有什么类型的武器？可以获得什么类型的游戏模式？支持多人游戏吗？在采取进一步的行动之前，您需要很好地思考您的构想。

 如果您正在尝试为发行商开发游戏，那么也需要开发一个游戏建议。尽管将这一建议写入文档是非常重要的，但在大多数情形下，更需要一个足够好的演示片段。如果只是基于一个构想，发行商通常不会将项目交给您(除非您在游戏开发方面已经具有很大名气，如果是这样，您将不需要学习本书)。

  

         
   编写伟大的游戏并不只是编写好的代码。当然这并不表示代码的编写不重要，在创建这些游戏时，还需要考虑其他大量因素。所有游戏开发都需要一个好的工具集。

 当今的大多数游戏(即使是严格的2d游戏)都有大量的艺术成份，这些艺术成份是采用3d模型软件包开发的。这些工具对于参与游戏开发的艺术家来说是无价的，它们使得浮现在脑海里的构想成为现实。尽管在本书中并不讨论如何创建所需要的艺术，但会提到使用的工具。当今所使用的两种非常流行的数字内容生成工具是maya和3d studio max，分别如图1-5和图1-6所示。

 但是，创建艺术并不只是3d建模。即使一个模型由上百万个多边形组成，如果没有纹理的话，看上去也是很乏味的。很多工具可以用于创建纹理，例如photoshop(如图1-7所示)和paint(在安装windows时附带安装了paint，如图1-8所示)。

  

 图1-5  使用maya建模一个宇宙飞船

  

 图1-6  使用3d studio max建模一个妖怪

  

 图1-7  使用photoshop创建纹理

  

 图1-8  使用paint创建纹理

 开发和艺术加工工具都是非常好的工具，您将在游戏开发中使用到它们。还有一些其他类型的工具也非常重要，但很多人甚至没有考虑到它们，例如一个优秀的源码控制管理工具。

 假设您的游戏具有声音，那么您很可能需要用于处理声音文件的工具。可以使用windows附带的sound recorder(如图1-9所示)，也可以使用比较复杂的wavestudio，它是creative lab的音频软件的一部分(如图1-10所示)。

  

 图1-9  使用sound recorder

  

 图1-10  使用creative lab的wavestudio

 利用所有这些工具为游戏创建内容，您可能需要一个能够为整个团队存储内容的工具。很可能有大量的信息需要存储，以及定期备份。最好是只备份新更改和添加的记录。大多数源码控制管理工具至少提供其中某个功能。visual studio 中的visual source safe是一个简单的源码控制管理工具，它适用于小的团队。该工具不包含大型团队所需要的许多强大功能，例如允许多人操作一个文件和自动合并相互冲突的改变等功能，但是对于一个小团队中的小项目来说，它通常能够满足需要。还有大量其他的源码控制工具(例如perforce)，因此您需要做一个小的调查，找出哪种工具适合您和您的小组。当然，使用任何一种工具都比没有工具强。

  

         
   本章主要介绍了.net的基础知识。相信您已经对.net和托管代码有大致的了解，并且采用两种语言编写了一个简单的应用程序。您也学习了如何在集成开发环境之外编译这些应用程序。至此，已经介绍了如何开始进行游戏开发的相关基础，并且介绍了游戏的开发人员、开发过程以及游戏开发所需要的某些商业工具。

 第2章中将介绍游戏开发相关的内容。

  

         
   通过第1章的简短介绍后，现在开始本书的正题：3d游戏编程。显然，这个主题非常复杂，虽然您的第一个游戏无法发行，但是它将帮助您了解游戏开发基本原则。

 将游戏构想转换为实际的程序，是您所能够获得的最好体验。将大脑中的构想转换为其他人能够欣赏的实际内容，是所有开发人员的目标，但当这些构想与游戏相关时，回报似乎更大，而您肯定期望更大的回报。

 在本章中，将学习：

 ●       提出游戏构想

 ●       2d和3d编程差别

 ●       细化规范

 2.1  提出游戏构想  所有的事物都起始于构想，游戏也不例外。游戏构想可以源于您思考的任何方面。或许您看到您所喜爱的其他游戏，但是您认为如果在某些方面作一些变化，它将会更好。或许您做了一个梦，它能够转换为一个极好的游戏。或许您意识到两个不相关的游戏能够组合在一起，从而创建一个极佳的游戏。无论您的灵感源于哪里，在您开始制造游戏之前，都需要这样的灵感。

 不幸的是，由于还没有人发明一本能够阅读思想的书，在本书的示例游戏中您只能相信我的思想。本书之所以选择这些游戏，原因有很多，主要考虑到开发的难度。但是，每一个例子都分属不同的类型，它们覆盖了游戏开发过程中遇到的大量不同主题。

 第一种类型的游戏是拼图游戏(puzzle game)。您很可能看到过或玩过拼图游戏。tetris是一个典型的拼图游戏，几乎每个人都曾经听过，甚至因为玩这款游戏而废寝忘食。似乎每个人也都编写过tetris游戏，因此您很可能不愿意选择它作为您即将编写的拼图游戏。另外tetris是一个2d游戏(尽管已经存在3d类型的tetris游戏)，因此，您也很可能希望跳过它。

 取而代之的是，您应当编写稍微具有特色的游戏。该游戏基于一个面板。该面板由一系列的立方体组成，每个立方体处于一种未确定模式，并且每个立方体至少与一个其他立方体直接相邻。棋盘是满足这些标准的一个面板例子。其中每个立方体具有一种特定的颜色，当玩家走到某个立方体上时，它将变为另外一种预定颜色。在某一级别中，当每个立方体处于正确的颜色时，该级别结束。

 细化提议  正如第1章所介绍的一样，一旦游戏的基本构想已经建立，您应当花费一些时间讨论游戏的各种提议，以确保您的思考足够全面。对于这个游戏，下面是有助于细化提议的一个列表：

 ●       称为blockers的拼图游戏

 ●       只支持单个玩家

 ●       完全3d环境

 ●       得分基于完成一个级别所使用的时间

 ●       每个级别由一系列相邻的立方体组成，例如一个棋盘

 ●       每个立方体一种颜色

 ●       在某个级别中，当每个立方体颜色相同，并且是该级别预定的“终止”颜色时，该级别结束

 ●       每个级别有一个最大时间限制

 ●       每个立方体有一个颜色列表—— 最少包括两种颜色，最多包括六种颜色

 ●       玩家通过在立方体上“跳动”来进行游戏，跳动时将立方体的颜色改变为列表中下一种颜色

 ●       起始级别中，每个立方体的颜色列表有两种颜色

 ●       在更高级别中，每个立方体的颜色列表将具有更多的颜色，因此游戏的难度增加

 ●       如果玩家能够完成这些级别，则允许颜色列表返回初始状态，来增加游戏的难度

 ●       如果玩家不能在最大时间限制内完成游戏，则游戏结束

 这个列表描述了游戏的每个特征吗？很可能没有，但是它回答了在策划游戏之前需要回答的主要问题。策划阶段并不是对游戏的每个功能进行细化，在您开始开发之前理解这一点是非常重要的，但是更需要您思考游戏需要的特征。在不考虑实际需要的功能的情况下就提前投入并编码，将导致后面的工作更困难，以至于您可能需要补充某些遗失的内容，或者因为鲁莽的计划而导致工作完全错误。

 根据计划，现在您可以开始设计游戏中使用的对象模型。对象图并不复杂。您具有神秘的游戏引擎，它保存了关于玩家、当前级别和绘图设备(rendering device)的信息。绘图设备用于将游戏的图形显示在显示器上。玩家需要某种类型的可视化表示，绘图设备将处理这些。

 该游戏的大多数地方需要当前级别的信息。当前时间非常重要，因为它用于确定玩家的分数和游戏结束时间(如超时，游戏即结束)，因此当前级别必须访问它。

 实际的级别存储在文件系统中，位于应用程序的媒体目录中。因为当前级别需要加载一个已经存在的级别，所以它也需要访问这些信息。级别需要记录的信息是组成级别的立方体列表。每一个级别需要至少两个立方体，但是可以添加更多的立方体以满足更高的级别。

 该游戏并不容易编写，但是它并不需要创建多个对象确保满足游戏的目标。该游戏也非常好玩，只要更难的级别不会难到让玩家无法完成。一个游戏决不能够让玩家感到苦恼。如果游戏不好玩，则没有人会玩，该游戏也不可能成功。

  

         
   认识到这个游戏(实际上任何游戏都是这样)不需要创造为完全3d的世界，是非常重要的。考虑到您的显示器很可能是一个矩形的平板，最终3d图形将显示在一个2d平面上。创建一个2d组图(sprite)的集合，该集合将覆盖每一种可能的场景，但是这种情况下所需要的艺术资产是巨大的。查看下面的例子。

 假设已经安装了directx sdk summer 2004 update，请加载directx sample browser(图2-1)，确保managed选项是左边被选中的惟一项。单击direct3d标题，向下寻找empty project项，并单击install project链接，遵循向导的步骤创建项目(将该项目命名为“teapot”)。项目创建后，将其加载到ide中。

  

 图2-1  directx sample browser

 这将创建一个新的“空”项目(它实际上生成了某些用户界面控件，但是现在，那些都被忽略)。但是，该项目中还不存在任何3d，由于这个练习的目的是演示为什么希望编写3d游戏，所以最好添加一些内容。

 在这个项目中添加少量的代码，生成一个慢速旋转的茶壶。您要添加几行代码，使得该应用程序能够进行图形绘制，在本章中不对这些代码功能进行解释。在本书的后面将给出大量的篇幅解释这些代码，但对于目前的演示来说，它们不是必需的。假设您将项目命名为“teapot”，打开代码文件teapot.cs并将下面两个变量添加到这个类文件中：

 private mesh teapotmesh = null; // mesh for rendering the teapot

 private material teapotmaterial; // material for rendering the teapot

 现在创建茶壶和用于绘制场景的材质，找到该类中的oncreatedevice方法，将下面的代码添加到该方法的结尾处：

 // create the teapot mesh and material

 teapotmesh = mesh.teapot(device);

 teapotmaterial = new material();

 teapotmaterial.diffusecolor = new colorvalue(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);

 为了使茶壶更真实，还需要光照效果(这些会在本书的后面详细解释)。找到类中的onresedevice方法，将下面的代码添加到该方法的结尾处：

 // setup lights

 device.lights[0].diffusecolor = new colorvalue(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);

 device.lights[0].direction = new vector3(0,-1,0);

 device.lights[0].type = lighttype.directional;

 device.lights[0].enabled = true;

 找到类中的onframerender方法并在beginscene后面添加如下代码：

 device.transform.view = camera.viewmatrix;

 device.transform.projection = camera.projectionmatrix;

 device.transform.world = matrix.rotationx ((float)apptime);

 device.material = teapotmaterial;

 teapotmesh.drawsubset(0);

 运行该应用程序，生成一个茶壶。在3d绘图世界中，茶壶有一段相当有名的历史。对于绘图来说，它是第一个可利用的“免费”模型。在那时，当前一些复杂的模型包都不存在，这是因为创建实际的3d模型非常复杂。任何免费的东西都会受欢迎。茶壶具有大量的属性，使它成为一个很好的测试模型：具有曲面表面，能够遮挡自己，并且很容易识别。

 您创建的这个应用程序生成了茶壶，并慢慢地旋转，使得您能够看到各个角度,如图2-2所示。

  

 图2-2  一个旋转的3d茶壶

 当该应用程序运行时，可以看到茶壶慢速地旋转。意识到该应用程序仅需要的媒体是茶壶模型是非常重要的。实际上这个模型不需要任何媒体，因为使用了mesh类(将在后续章节中讨论mesh类)中的一个方法，它创建了茶壶。因此在该应用程序中以最小的媒体开销获得了一个非常漂亮的茶壶。

 现在将这与在2d世界中绘制一个茶壶相比较。使用directx向导创建一个新的项目。

 如果您安装了本书下载站点(www.tupwk.com.cn)中的安装文件，将注意到一个media文件夹，它包含了您将编写的每一个例子的媒体。找到2dteapot.bmp文件，在2d环境中生成一个茶壶需要用到该文件。2d和3d世界的最大差别是对媒体的需求。这个位图文件仅显示了茶壶的一个角度，相反3d版本可以从任何角度显示茶壶。为了在2d版本中以任意角度显示茶壶，需要茶壶每一个可能位置的独立媒体。假设对于旋转的每一度都需要一幅图像(总共360幅图像)。现在假设您希望围绕着任意轴(x，y，z)旋转茶壶，则大约需要46,656,000幅茶壶的不同角度的图像。假设一个图形加强游戏(例如unreal tournament)只能利用2d组图绘图，则您将需要整张dvd的内容来显示这个茶壶，并且需要多名艺术家花费多年时间来创建如此巨大的东西。

 如果您拥有一个能够创建高细节度的3d模型艺术家，则您显然能够更自由地在场景中创建“有限的”的媒体。单个模型可用多种方法进行渲染，例如不同的亮度、缩放度、位置和旋转角度，而在2d中这是不可能实现的。尽管这种能力不能自由获得。

 3d应用所带来的自由度提供了大量的处理能力，这种能力非常巨大，以至于基于它组建了整个工业。尽管在图形商业领域中有大量的公司，但领导者是nvidia和ati。最近在图形卡方面出现了大量的革新，它们发展得的如此快速，比某些通用的cpu还要快。

 现在的图形卡(这些图形卡是directx 9兼容的，即它们至少支持shader model 2.0)能够以每秒上百万的速度生成三角形。其中shader将在本书的后面讨论。这些三角形是创建3d模型的基本多边形。如图2-3所示为仅使用三角形绘制的茶壶。

  

 图2-3  茶壶的基本框架

 如您所见，整个茶壶由数百个三角形组成。之所以使用三角形，是因为它们的顶点共面，并且是具有这种特性的惟一多边形，这使得绘制3d图形的计算更加容易。可以利用大量的三角形模拟任意3d形状。

 那么，这个游戏需要在3d中编写吗？显然不需要，您可以完全利用组图编写代码，而不用绘制任何3d内容，但是这又有什么乐趣呢？大量的“自学”类型的游戏开发书籍介绍了如何绘制2d内容，但只有极少数介绍3d世界，而恰恰是3d世界使得当今的游戏如此大型。尽管2d游戏开发还没有消失(可能永远都不会完全消失)，但是如果您希望在游戏产业中谋求一份工作，则必须学会3d编程。

  

         
   将大量的繁忙工作放置到一边，您可以从游戏一个非常重要的方面着手—— 游戏规范。在开始编写代码之前，一定要花费一些时间思考您所需要解决的问题。实际上，每个初级游戏开发人员在开始第一个游戏时，都是提前投入编写代码。到后面当意识到快速方法不能满足您的意图时，您将需要做更多的工作。

 那么，就这个游戏而言，需要解决什么问题？显然您需要某种类型的游戏引擎，它将是操作的大脑。需要一个玩家对象、一个图形设备和一种保存级别信息的方式。演示开发规范的常用方式是利用uml(统一建模语言)语言，如图2-4所示。

  

 图2-4  游戏对象的一个简单uml框图

 如果您熟悉uml，则会熟悉该图。否则您也应当理解这个文档的意思。首先，它将问题划分为多个组成游戏的逻辑部件。在这个例子中，这些对象是重要的游戏引擎、玩家、级别、块的列表和每一个块。每一个对象的公共属性和方法列举在该对象的框中，因此您能够迅速了解每一个对象的大小和范围。

 除了框图之外，还需要为游戏作些什么？您显然需要一个中心区域来控制所有的内容。在本例中，这个中心区域是游戏引擎。请注意该uml文档，其中游戏引擎维护图形生成设备和代码(其中代码通过initializegraphics方法隐含提出)。游戏引擎需要知道的主要内容是：

 ●       玩家对象

 ●       当前级别

 ●       游戏是否结束？

 ●       如果结束，玩家是否通过了该级别？

 ●       如果结束，玩家是否赢得了游戏？

 游戏引擎也需要存储其他的信息，例如绘图设备的信息以及游戏的对象，但这些将在私有方法中完成，图2-4中的uml没有显示该方面的内容。下一个对象是玩家，它非常简单。玩家所需要的信息只是它的当前位置和在场景中生成它自身的功能。在游戏引擎中，玩家比起开发对象来说，是更抽象的概念。这里的对象主要用于控制如何可视化地显示玩家。

 游戏引擎中的其他内容都源于levels对象。实际上，该对象非常简单，因为它只需维护一些其他的对象，主要是blocks集合。每一块存储在该级别中控制它自己所需要的所有信息，包括可能的颜色列表，和颜色是否将变换。

 得到基本规范之后，您可以开始编码了。您可以确信规范的大多数内容从现在到完成时不会发生变化，现在是您开始编码的最好时机。

  

         
  在本章中，介绍了一些关于编写游戏的新规则，使您了解了游戏的构想、对象设计和规范。在第3章中，将开始编写初始化图形设备的代码。