3D Game Programming & Design

An Introduction to Game Engine and OO Design Patterns

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三、空间与运动

I stumbled into by following my curiosity and intuition turned out to be priceless later on

— Steve Jobs, Stanford Report, June 14, 2005

预计时间：2-3 * 45 min

课程相关资源

1、游戏世界空间模型

1.1 游戏世界的设计维度（文化与艺术）

游戏世界是一个虚拟的世界、假想的世界、甚至其中部分是真实的世界。玩家控制部分游戏物体，按游戏世界或现实世界的规则交互，以达成设定目标。当虚拟世界与现实世界交融时，我们就称为增强现实（Augmented Reality）游戏。例如：我们在大富翁中采用现实股票行情，使用虚拟币在游戏中交易，更有利于玩家研究现实规则，做出有意义的决策；当现实商家优惠卷（Coopons）与《精灵宝可梦》这样的游戏机制相集合，就可以利用现实地图和玩家GPS位置，结合大数据技术推荐，产生实际的商用引流效果。

不管游戏世界是虚拟的或现实的，游戏世界中所有物体（游戏对象）都必须在特定的空间、时间下出现、变化、消失。因此，游戏设计必须定义空间、时间等。 Adams 在其教材中把游戏设计分为几个维度：

良好的空间设计，玩家体验的基础

如果你对这些维度感兴趣，请阅读游戏设计教材！

1.2 游戏世界空间模型（技术）

世界坐标：一个游戏或游戏场景的 绝对坐标 系统。每个游戏对象的位置、角度、比例的值都这个坐标系下是唯一的。

对象坐标：游戏对象相对父游戏对象的位置、角度、比例。又称为 相对坐标

3D 空间

坐标比较简单，典型 3D 正交坐标系统

左手、右手坐标系统

掌握此非常重要，相对坐标系中可快速确定位置

Unity 是左手坐标系统？右手坐标系统？

2D 空间

2D 空间会复杂一些

2、坐标变化与运动

游戏运动本质就是使用矩阵变换（平移、旋转、缩放）改变游戏对象的空间属性。

2.1 体验简单运动与叠加

操作 03-01 ，简单运动练习：

public class MoveLeft : MonoBehaviour {

	// Use this for initialization
	void Start () {
		
	}
	
	// Update is called once per frame
	void Update () {
		this.transform.position += Vector3.left * Time.deltaTime;
	}
}

编程练习 03-02，复合运动：

编程要求与提示：

public class MoveLeft : MonoBehaviour {

    public int speed = 2;

	// Use this for initialization
	void Start () {
		
	}
	
	// Update is called once per frame
	void Update () {
		this.transform.position += speed * Vector3.left * Time.deltaTime;
	}
}

2.2 Transform 部件

TransForm 部件 – 1、属性

欧拉角（eulerAngles）：x、y和z角表示围绕z轴的旋转z度、围绕x轴的旋转x度和围绕y轴的旋转y度。

操作 03-03 ，欧拉角练习：

转动（Rotation）：四元数（Quaternion）。 Quaternion 使用向量（x,y,z,w）表示物体旋转，维基百科说它与欧拉角等价。所以：

反正你不要尝试修改四个元素的值，官方描述：Don't modify this directly unless you know quaternions inside out.

思考：四元素与三个元素的欧拉角等价，为什么要浪费空间用四个元素表示旋转？

2、方法

与直接修改游戏对象属性相比，TransForm 部件提供相关的方法，让程序猿编写更利于理解的运动程序。主要方法包括：

Unity 每个 API 都给出了丰富的案例解释这些方法，每个方法都有几个重载。

API 设计者要以使用者易于理解、使用方便为目标，重载函数或方法是重要设计手段。

编程练习 03-04，围绕运动：

编程要求与提示：

2.3 向量与变换

如果程序员线性代数还过得去，一定会首选向量与变换控制运动，这毕竟是万能和高效的方法，虽然不易于理解。

1、Vector3

Vector3是三维向量，是一个结构体。尽管 c# 把它化妆成对象模样，事实上我们仅需关心它的静态常数、成员与成员函数、静态方法即可

编程练习 03-05，移动A到B运动：

编程要求与提示：

2、Quaternion

Quaternion 是一个四维向量，是一个结构体。它表示了一个旋转变换，有着与矩阵运算类似的计算特性，能高效完成旋转变换。

玩过抽陀螺吗？也许会更好理解四元组

Quaternion 物理意义与基础编程

物体在对象空间中旋转，事实上仅需要知道 旋转轴单位向量 e = (x,y,z) 角度 a，如下图所示。 四元素 q = ((x,y,z)sin(a/2),cos(a/2)) 。这样表示有许多好处与数学。 建议参考维基百科（复杂问题博客介绍 90% 不到位）。

【注意】 维基百科图使用的是右手坐标系！

我们先看一个特例，欧拉角（0，0，90）表示围绕 z 轴转 90度。 q = ((0,0,1)sina(45),cos(45)) ，这样我们用四个数表示了旋转矩阵。因此，我们用一些代码检验我们的想法：

操作 03-06 ，理解 Quaternion 练习：

	void Start () {
		float anyF = 2.0f;
		Vector3 e = Vector3.forward * anyF;
		Quaternion q = Quaternion.AngleAxis (90, e);
		Debug.Log (q); //(0,0,0.7,0.7) expected

		Vector3 p1 = new Vector3 (1, 0, 0);
		// maxtrix left multify to a vetcor 
		Debug.Log (q * p1); // (0,1,0) expected

		Quaternion q1 = Quaternion.AngleAxis (45, e);
		// 90 rotate around z , and then 45
		Debug.Log (q1 * q * p1); // (0.7,.7,0,0) expected

        Quaternion q2 = Quaternion.Inverse (q);
		// Quaternion.identity
		Debug.Log (q2 * q); // (0.0, 0.0, 0.0, 1.0) expected
		Debug.Log (Quaternion.identity);
	}

你完全可以将 Quaternion 看成一个非常直观的旋转矩阵，利用矩阵乘向量得到旋转后的位置，矩阵连乘得到复合旋转！

四元素一个有以下特性：

因此，我们只要将左手握住物体的旋转轴，确定角度就可以方便的旋转了！！！它是旋转运动编程的第一选择。（与菜鸟区别的标志之一）

public class RotateBeh : MonoBehaviour {

	public int speed = 20;
	public Vector3 e = Vector3.forward;

	// Update is called once per frame
	void Update () {
		Quaternion q = Quaternion.AngleAxis (speed * Time.deltaTime, e);
		transform.localRotation *= q; 
	}
}

编程练习 03-07，编写 RotateAround 运动：

编程要求与提示：

更深理解四元素

API 提供静态方法 Quaternion.Euler(x,y,z)，直观上按 z、x、y 轴旋转的一个序列。数学上就是 q = qy * qx * qz。【注意】不可交换。同样 q.eulerAngles 给出了一个四元素的欧拉角表示。

Quaternion.FromToRotation API 给了两个向量计算 q 的方法。直观上，有一个物体围绕三角型 c 点从 ca 方向转到 cb 方向，显然 e 就是三角面过 c 点的法向量， a 就是角 acb。

现在我们设想有一个物体先绕 x 轴转动，渐变到围绕 y 轴转动。似乎是 Quaternion.RotateTowards 静态方法

编程练习 03-08， 验证 RotateTowards 练习：

编程要求与提示：

思考：四元素有哪些成员函数和静态方法是比较有用的？你能让某个物体按螺旋线向外运动吗？

温馨提示：

2.4 游戏对象的空间组合

在游戏层次视图中，游戏对象按树组织似乎天经地义。事实上，游戏对象是按它的空间关系组织设计。对象设计图如下：

Transform 类能作为 Transform 类对象的容器，是典型的 组合模式！

首先，Transform 类的对象有 root，parent，childrens 的概念与相关操作。由于每个 transform 对象唯一绑定了一个 gameObject 对象，所以，直观上让使用者以为游戏对象层次是 GameObject 形成的。 使用空间树，可方便不同对象空间坐标到绝对坐标或其他对象坐标的转换，如果程序员需要经常实现两个空间的坐标的转换，直接用该树的结构构造一个变换矩阵，提升程序效率。

其次，如果你细心，你可能以发现 Component、TransForm 都没有提供公共的构造函数，则意味者 Unity 设计师不希望你构建这些对象，我们怎么办呢？按组合关系（强聚合关系）的原则，自然创建与回收 Component 的任务是由 GameObject 完成的。阅读 GameObject.AddComponent API，它只有用类型作为参数，并没有添加一个对象的方法。

再次，gameObject，transform, 和 components 是紧密耦合的，在编程中经常相互引用。因此，tranform，gameObject 等属性都是只读的，有 gameObject 管理和维护。即使不是只读的，任何修改都可能造成不可预测的结果。

你必须知道的 TransForm 属性与方法：

思考题：构建一个矩阵实现两个对象空间坐标的转换；

3、课堂实验（模拟太阳系）

任务结果要求：

编程练习 03-09， 简单太阳系练习：

编程要求与提示：

思考题：太阳系中对象是否要组成空间树呢？例如：地球在太阳的空间中，月球在地球的空间中。请给出你的理由

4、面向对象的游戏编程

既然 Unity 引擎的设计中到处都是设计模式，现在我们也期望我们的游戏满满有设计感！

本节介绍的游戏编程框架将贯穿整个教程。本节仅是一个基础结构，随着课程进展，将有越来越多部件加入该框架，以适应越来越复杂的游戏。也许开始你会觉得痛苦，因为这么简单的事情用这么复杂的代码。师兄、师姐的经验会告诉你，这付出绝对值得，因为你也能一周出品一个有相当代码量的游戏了！不是因为我编程速度快，而是前期的许多类一直在重复使用。

具体程序代码：motion

4.1 游戏编程的挑战

现代游戏引擎非常好使用，已不需要你做管理游戏等基础工作。但是，随着游戏规模增加（游戏对象多），游戏对象、行为和事件的管理越来越难。因此，需要按一定的规则有效的组织起来。

对于游戏编程新手来说，以下挑战尤其突出：

4.2 基于职责的设计与游戏的MVC总体框架

面向对象设计的核心：基于职责的设计

即：模拟人类组织管理社会的方法，根据不同人拥有资源、知识与技能的不同，赋予不同人（或对象）特定的职责。再按一定结构（如设计模式），将它们组织起来。

先直接给出游戏框架设计：

为什么有这个图呢？按 Cocos 2d 的设计理念，设计一个游戏如同组织一场话剧。既然要搞话剧或游戏，就至少需要以下角色：

似乎不错的样子！

4.3 框架核心代码与设计解读

1、组织游戏资源

Unity 项目视图设计器已经给出了推荐组织方案：

一般小游戏就一个场景。请严格按以下目录组织：

2、创建场景启动对象和控制器

启动时，游戏就一个对象有代码。

3、Director（导演）对象与单实例模式

创建 SSDirector 类，其职责大致如下：

【注】职责定义见参见 《Learn cocos2D Game Development with iOS 5》

要点：面向对象设计核心就是基于职责的设计

大致代码如下：

要点：

4、SceneController（场记）

创建 XXXSceneController 类，例如 FirstSceneController，其职责大致如下：

大致代码如下：

要点：

5、接口

在面向对象程序设计中，接口（Interface）概念至关重要。接口可以这样描述与理解：

从编程角度，接口就是数据类型，它定义了一组操作。例如：ISceneController 前面的前缀 I 表示接口类型。具体定义如下：

为什么要定义这样接口呢？这个案例中

总之，通过 ISceneController 多态实现，场记和导演之间关系变松弛了。导演不需要知道场记是张三、李四，仅需要知道这个人穿了件带场记标记（接口）的衣服，就可执行导演的指挥任务。

6、门面（Fasàde）模式与交互行为设计

门面（Fasàde）模式的概念概念

对于游戏设计，用户的交互行为是非常少的。以 tic-tac-toe 为例，交互的行为包括：

一个游戏，这样的交互行为通常只有十几个。如果你发现需要几百个，这游戏可能不是人能玩的了。

我们仔细分析这些交互行为，它与游戏规则密切相关。如果，我们把规则中用户行为列个表

动作 参数 结果
启动游戏   游戏初始界面
显示游戏方   0/1
放置棋子 位置 结束/未结束

显然，这个表就是人机交互与游戏控制之间的接口。玩家并不关心游戏程序得到结果的过程，而仅关注能做什么。这样，游戏交互管理程序与游戏控制程序通过这个接口实现相互独立的开发。用专业一些的词汇，两个对象实现了解耦合。

定义一个用户动作接口，这样就实现了用户行为与游戏系统规则计算的分离。优势是显而易见的，例如：用户行为编程人员可以选择菜单、键盘、或组合实现用户交互行为，而模型处理人员可以自由定义游戏规则。

因而，我们称这个接口就是游戏逻辑与用户之间交互的门面（Fasàde）。代码示例如图所示：

太简单了，用户只能结束游戏。

结束的逻辑是什么？所以，FirstSceneController 必须实现 IUserAction 接口;

用户界面程序只要把 FirstSceneController 作为 IUserAction，用它就 OK 了。具体代码示例：

课程讨论：神一般的类型转换，它对吗？

尽管这个代码只能做一个动作，退出游戏。

4.4 MVC架构

MVC是界面人机交互程序设计的一种架构模式。它把程序分为三个部分：

要点：回到 4.2 节框架图，M、V、C 在游戏框架各是哪些类？这些类如何有效的组织起来呢？

5、小结

6、作业与练习

c# 自学

搜素 “c# 集合类型”， 了解以下类型的使用。 不知道使用，自己复习 C++ 模板库。

不负责任的链接： http://blog.csdn.net/ceclar123/article/details/8655853

作业内容

1、简答并用程序验证【建议做】

2、编程实践

Priests and Devils

Priests and Devils is a puzzle game in which you will help the Priests and Devils to cross the river within the time limit. There are 3 priests and 3 devils at one side of the river. They all want to get to the other side of this river, but there is only one boat and this boat can only carry two persons each time. And there must be one person steering the boat from one side to the other side. In the flash game, you can click on them to move them and click the go button to move the boat to the other direction. If the priests are out numbered by the devils on either side of the river, they get killed and the game is over. You can try it in many > ways. Keep all priests alive! Good luck!

程序需要满足的要求：

3、思考题【选做】

作业提交要求

 

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