游戏软件设计

《游戏软件设计》

游戏软件运行原理

OpenGL 与DirectX 是目前开发游戏用的最多的两个API OpenGL （OpenGL:Open Graphics Library ）：具有可移植性，与硬件无关；国际公认的3D 图形工业标准；OpenGL 与窗口系统无关，不提供任何交互手段，必须由程序员自行开发；OpenGL API 是低级C 函数，不提供可重用的对象库或者应用程序框架 通常说的DirectX

有两层含义： 1.DirectX SDK(DirectX 开发工具包

)；

2.DirectX Runtime(运行时)

DirectX 由很多功能组件构成：Direct3D 、DirectInput 、DirectSound 、DirectPlay 等 Direct3D 是负责三维图形的一个组件，也是DirectX 中最重要、最复杂的组成部分 Direct3D 体系结构

Direct3D 程序基本结构

DirectX3D基本图元

?顶点集合（D3DPT_POINT）

Struct CUSTOMVERTEX

{

float x,y,z;

};

CUSTOMVERTEX Vertices[ ] =

{

{-5.0,-5.0,0.0},{0.0,5.0,0.0},{5.0,-5.0,0.0},

{10.0,5.0,0.0},{15.0,-5.0,0.0},{20.0,5.0,0.0}

};

g_pd3dDevice->DrawPrimitive(D3DPT_POINTLIST,0,6); DrawPrimitive(指定绘制图元类型，

顶点流起始位置，

指定绘制图元的数量) ?线段集合（D3DPT_LINELIST）

g_pd3dDevice->DrawPrimitive(D3DPT_LINELIST,0,3);

?线段Strip（D3DPT_LINESTRIP）

g_pd3dDevice->DrawPrimitive(D3DPT_LINESTRIP,0,5);

?三角形集合（D3DPT_TRIANGLELIST）

g_pd3dDevice->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST,0,2);

?三角形Strip（D3DPT_TRIANGLESTRIP）

g_pd3dDevice->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLESTRIP,0,4);

三角形Fan（D3DPT_TRIANGLEFAN）即三角扇形

g_pd3dDevice->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLEFAN,0,4);

顶点缓冲区(vertex buffer)是用来保存顶点数据的内存缓冲区。顶点缓冲区中的顶点可以包括顶点坐标、颜色、纹理等信息，我们可以使用灵活顶点格式（Flexible Vertex Format,FVF）进行描述和设置

如何使用顶点缓冲区：

?第一步：定义顶点结构

struct CUSTOMVERTEX

{

FLOAT x,y,z,rhw;

DWORD color;

};

?第二步：定义灵活顶点格式

#define D3DFVF_MY (D3DFVF_XYZRHW|D3DFVF_DIFFUSE)

D3DFVF_DIFFUSE:顶点数据包含漫反射颜色值

D3DFVF_XYZRHW:顶顶数据包含经过坐标变换的顶点坐标

D3DFVF_XYZ:顶点数据包含未经坐标变换的顶点坐标

D3DFVF_NORMAL:顶点数据包含法线向量

?第三步：初始化顶点

CUSTOMVERTEX vertices[ ] =

{

{50.0f,250.0f,0.5f,1.0f,0xffff0000},

{150.0f,50.0f,0.5f,1.0f,0xff00ff00},

{250.0f,250.0f,0.5f,1.0f,0xff0000ff}

};

?第四步：创建顶点缓冲区

LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9 g_pVB=NULL //顶点缓冲区接口指针

If(FAILED(g_pd3dDevice->CreateVertexBuffer(3*sizeof(CUSTOMVERTEX),0,D3DFVF_MY,D 3DPOOL_DEFAULT,&g_pVB,NULL)))

?CreateVertexBuffer：

参数1：顶点缓冲区大小

参数2：顶点缓冲区属性，

参数3：灵活顶点格式

参数4：顶点缓冲区内存类型

参数5：指向顶点缓冲区地址的指针

参数6：NULL

?第五步：填充顶点缓冲区

VOID * pVertices;

If(FAILED(g_pVB->Lock(0,sizeof(vertices),(void**)&pVertices,0)))

return E_FAIL;

memcpy(pVertices,vertices,sizeof(vertices));

g_pVB->Unlock();

?第六步：渲染图形

g_pd3dDevice->SetStreamSource(0,g_pVB,0,sizeof(CUSTOMVERTEX));

g_pd3dDevice->SetFVF(D3DFVF_MY);

g_pd3dDevice->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST,0,1);

?第七步：图形提交前台缓冲区显示

G_pd3dDevice->Present(NULL,NULL,NULL,NULL);

索引缓冲区绘制图形

CUSTOMVERTEX g_Vertices[] =

{

{ -1.0f,-1.0f, 0.0f, 0xffff0000, }, // A红色

{ 1.0f,-1.0f, 0.0f, 0xff0000ff, }, // B兰色

{ 1.0f, 0.0f, 0.0f, 0xff00ff00, }, // C绿色

{ 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0xffff00ff, }, // D洋红

{ -1.0f, 0.0f, 0.0f, 0xffffffff, }, // E白色

};

LPDIRECT3DINDEXBUFFER8 g_pIB = NULL; // 索引缓冲区

// 创建索引缓冲区

if( FAILED( g_pd3dDevice->CreateIndexBuffer( 6*sizeof(WORD),0, D3DFMT_INDEX16, D3DPOOL_DEFAULT, &g_pIB ) ) )

{

return E_FAIL;

}// 填充顶点缓冲区

WORD* pi;

if( FAILED( g_pIB->Lock( 0, 12, (BYTE**)&pi, 0 ) ) )

return E_FAIL;

pi[0] = 0; // A

pi[1] = 1; // B

pi[2] = 2; // C

pi[3] = 0; // A

pi[4] = 3; // D

pi[5] = 4; // E

g_pIB->Unlock();

渲染管线

世界变换

物体在三维空间的运动和变形过程称为世界变换。包括：平移、旋转、缩放等。平移

目标始点

平移矩阵

D3DXMA TRIX myWorld;

D3DXMatrixTranslation(&myWorld,2.5,0,-1.5);

G_pd3dDevice->SetTransform(D3DTS_WORLD,&myWorld);

旋转

D3DXMA TRIX matRotation;

Float fAngle=90*D3DX_PI/180.0f; //角度变弧度

D3DXMatrixRotationX(&matRotation,fAngle); //绕X轴旋转

G_pd3dDevice->SetTransform(D3DTS_WORLD,&matRotation);

实质：

旋转后矩阵=当前矩阵*旋转矩阵

旋转矩阵包括：绕X轴、绕Y轴、绕Z轴

缩放

D3DXMA TRIX matScale;

D3DXMatrixScaling(&matScale,1.0f,3.0f,1.0f);

G_pd3dDevice->SetTransform(D3DTS_WORLD,&matScale);

实质：

缩放后矩阵=当前矩阵*缩放矩阵

矩阵连接与复合变换

D3DXMA TRIX matWorld;

D3DXMA TRIX matTranlate,matRotation,matScale;

D3DXMatrixScaling(&matScale,1.0f,1.0f,5.0f);

Float fAngle=60*D3DX_PI/180f;

D3DXMatrixRotationY(&matRotation,fAngle);

D3DXMatrixMultiply(&matWorld,&matScale,&matRotation);

== matWorld=matScale*matRotation;

== 只设置一个变量，始终操作该变量

观察变换

观察变换类似与摄影中的摄像机，在三维图形显示中，需要设置一个虚拟摄像机，屏幕显示的图形就是虚拟摄像机拍摄在胶片上的景物。

D3DXVECTOR3 vEyePt (0.0f,3.0f,-5.0f);

D3DXVECTOR3 vLookatPt (0.0f,0.0f,0.0f);

D3DXVECTOR3 vUpVec (0.0f,1.0f,0.0f);

D3DXMA TRIX matView;

D3DXMatrixLookAtLH(&matView, &vEyePt, &vLookatPt, &vUpVec);

G_pd3dDevice->SetTransform(D3DTS_VIEW, &matView);

透视投影

D3DXMatrixPerspectiveFovLH

{ D3DXMA TRIX *pOut, //产生的投影矩阵

FLOAT fovY, //与Y轴成像角度

FLOAT Aspect, // 纵横比

FLOAT znear, //近平面距离

FLOAT zfar //远平面距离

}

视区变换

RECT rect;

GetClientRect(g_Wnd,&rect);

D3DVIEWPORT9 vp;

vp.x=0;

vp.y=0;

vp.Width=rect.right;

vp.Height=rect.bottom;

vp.MinZ=0.0f;

vp.MaxZ=1.0f;

g_pd3dDevice->SetViewprot(&vp);

物体自旋转：物体位于世界坐标原点

D3DXMA TRIX matWorld;

UINT iTime = timeGetTime()%1000;

FLOAT angle=iTime*(2.0f*D3X_PI)/1000.0f;

D3DXMatrixIdentity(&matWorld);

D3DXMatrixRotationX(&matWorld,angle);

g_pd3dDevice->SetTransform(D3DTS_WORLD,&matWorld);

物体位于世界坐标非原点

D3DXMA TRIX matWorld;

D3DXMA TRIX mat;

D3DXMatrixIdentity( &matWorld );

D3DXMatrixTranslation(&matWorld,2.0f,0.0f,5.0f);

UINT iTime =timeGetTime()%1000;

FLOAT fAngle=iTime*(2.0f*D3DX_PI)/1000.0f;

D3DXMatrixRotationX( &mat, fAngle );

matWorld=mat*matWorld; //左乘（右乘会怎样？）

g_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLD, &matWorld );

现实世界中物体定位：物体位置坐标x,y,z(世界坐标系) 偏航角（物体绕自身y轴旋转）Yaw 俯仰角（物体绕自身x轴旋转）Pitch 侧倾角（物体绕自身z轴旋转）Roll 通过矩阵实现模型旋转

分析示例程序，掌握：

1.D3DXMatrixRotationAxis()

2.D3DXVec3TransformCoord()

通过四元数实现模型旋转

?分析示例程序，掌握：1.D3DXQuaternionRotationYawPitchRoll()

2.D3DXMatrixRotationQuaternion()

简单的上下左右键移动：有旋转的漫游

D3DXVECTOR3 Camera(0,0,-10);//全局变量，确定眼睛位置

float speed=2.0f;

if((GetAsyncKeyState(VK_UP) & 0x8000) == 0x8000)

Camera.x+=speed;

if((GetAsyncKeyState(VK_DOWN) & 0x8000) == 0x8000)

Camera.x-=speed;

……….

D3DXMA TRIX matView;

D3DXMA TRIX matTrans;

D3DXMatrixTranslation(&matTrans,Camera.x,Camera.y, Camera.z);

D3DXMatrixIdentity(&matView);

matView=matView*matTrans;

pd3dDevice->SetTransform(D3DTS_VIEW, &matView);

D3DXVECTOR3 Camera(0,0,-10);//全局变量，确定眼睛位置

D3DXVECTOR3 Lookat(0,0,0);

float angle;

float speed=2.0f;

if((GetAsyncKeyState(VK_LEFT) & 0x8000) == 0x8000)

angle+=2*speed*D3DX_PI/180;

if((GetAsyncKeyState(VK_UP) & 0x8000) == 0x8000)

{

Camera.x+=speed*cos(angle);

Camera.z+=speed*sin(angle); }

if((GetAsyncKeyState(VK_DOWN) & 0x8000) == 0x8000) {

Camera.x- =speed*cos(angle); Camera.z- =speed*sin(angle); }

Lookat.x=Camera.x+100*cos(angle); //重新调整观察位置 Lookat.z=Camera.z+100*sin(angle); ……….

D3DXMA TRIX matView;

D3DXMatrixLookAtLH(&matView,&Camera,&Lookat,&Up); g_pd3dDevice->SetTransform(D3DTS_VIEW,&matView); 光照计算模型 环境光：在场景中设置一个基准光亮度，模拟一种从不同物体表面所产生的反射光的统一照明。环境光没有位置或方向上的特征，只有一个颜色亮度值，而且不会衰减。 g_pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_AMBINET,0xff00ff) 漫反射

K ：物体表面材质反射系数；I （light ）:灯光颜色； I(diffuse)：漫反射颜色值 镜面反射

KS 和n 为物体表面材质的镜面反射系数

自发光：使用材质的自发光属性实现发光的对象，不用在场景中添加灯光。 注：用自发光属性创建的材质并不发射出能被场景内其它对象发射的光。 光源

光照计算模型说明图形系统以什么样的方法计算灯光照射在物体上的颜色值，它是一种就算方法，而不是具体的灯光。本章具体介绍D3D 中的光源，即发光体。 请牢记：光照的实现=光照计算模型+光源+材质 点光源有颜色和位置，但没有方向（为什么？）；光的强度虽距离物体的远近而衰减；电灯泡是点光源的一个例子。

方向光有颜色和方向，没有位置；可以把方向光想象成无穷远处的一个光源；太阳发出的光可以看做方向光。

聚光灯有颜色、位置和方向；类似于探照灯

cos ()diffuse light diffuse light I k I I k I L N θ

== (cos )

()

n

specular s light n

s light

I K I

K I V R φ==

?D3D计算聚光灯方向向量L于光源到顶点的向量D的点积，也就是之间夹角的余弦。

?将该值于角度Theta和Phi的余弦比较

?如果小于或等于外锥体角的余弦，该点超出了外锥体，不受光照

?若大于内锥体角的余弦，则该点在内锥体内，受到光照总量最多

光源属性

typedef struct D3DLIGHT9{

D3DLIGHTTYPE Type;

D3DCOLORV ALUE diffuse;

D3DCOLORV ALUE specular;

D3DCOLORV ALUE Ambient;

D3DVECTOR position;

D3DVECTOR direction;

float Range;

float Falloff;

float Attenuation0 ~2;

float Theta;

float Phi;

} D3DLIGHT9,*LPD3DLIGHT;

材质

?光照计算模型考虑的是如何计算灯光照射在物体上的颜色；

?光源考虑在不同光照模型下光源的基本属性，如颜色、位置等；

?材质决定了它能反射什么颜色的光线以及能反射多少。

typedef struct D3DMA TERIAL9{

D3DCOLORVALUE diffuse;

D3DCOLORVALUE ambient;

D3DCOLORVALUE specular;

D3DCOLORVALUE Emissive;

float power;

} D3DMATERIAL9,*LPD3DMATERIAL9;

总结编程步骤

?设置材质

D3DMATERIAL9 mtrl;

它是一个结构体，里边有Diffuse,Ambient,Specular,Emissive等

设置完成后用SetMaterial(&mtrl);

?设置光照

D3DLIGHT9 light;

light.Type = 光照类型;

light.Diffuse.r/g/b;

light.Rang = 光照范围（如果有）;

light.Position= D3DXVECTOR3(1,2,3)

………………..

SetLight(0,&light);

纹理映射基础为了使渲染的图形看起来更加真实，Direct3D提供了在物体表面绘制纹理的功能。纹理是表示物体表面细节的一幅或几幅二维图形，也称纹理贴图（texture）

纹理位图：用来表示物体表面图案的二维数组，数组的每个元素都存储有一个颜色值，称为纹理元素（texel）。常见的后缀名为bmp、jpg的图形文件都可以作为纹理位图。

纹理对象要对物体表面进行纹理映射，首先需要创建纹理对象，创建时需要指定纹理的宽度、高度、格式等属性，然后还需要将图形文件加载到纹理对象中。

辅助函数D3DXCreateTextureFromFile()可以直接方便地从磁盘上的图形文件中创建纹理对象。

纹理相当于一幅位图，纹理位图是一个二维数组，数组的每一个元素称为纹理元素，它存储颜色值。纹理元素在位图中的二维坐标（对应的行列值）称为纹理坐标，一般以(u,v)表示，也叫实际纹理坐标。

假设位图的宽、高分别为w、h，显然有：

0≤u

当一幅纹理应用于三维空间的一个图元时，纹理元素的坐标必须和图元顶点位置坐标相对应，我们通常采用相对纹理坐标。

(u’,v’)表示相对纹理坐标，它们是u，v所占宽、高的百分比：

u’=u/w , v’=v/h

例如在宽、高分别是100、80像素的位图中，第5列、第4行的纹理元素坐标P的实际纹理坐标和相对纹理坐标如下：

(u,v)=(5,4) (u’,v’)=(5/100,4/800)=(0.05,0.05)

映射纹理元素到屏幕空间

对于屏幕空间的每个像素，计算其在纹理空间中的纹理元素的位置，然后采样该点或该点附近的纹理颜色。

例子：在一个矩形表面应用纹理

关键点：1.为顶点添加纹理坐标；2.创建纹理对象；3.加载图形文件；4.设置当前渲染纹理

5.设置纹理相关状态

为顶点添加纹理坐标

struct CUSTOMEVERTEX

{

FLOAT x,y,z;

FLOAT u,v;

};

#define D3DFVF_MY(D3DFVF_XYZ|

D3DFVF_TEX1)

创建纹理对象

CreateTexture

{

UINT Width, //宽（像素为单位）

UINT Height, //高

DWORD Usage,// 纹理使用方法

D3DFORMAT Format,//像素格式

D3DPOOL pool,//内存池类型

IDirect3DTexture9** ppTexture,

HANDLE* pSharedHandle

};

创建纹理并载入纹理

D3DCreateTextureFromFile

{

LPDIRECT3DDEVICE9 pDevice,

LPCTSTR pSrcFile,

LPDIRECT3DTEXTURE9 *ppTexture

};

1.指向创建纹理的设备对象接口

2.指向用来创建纹理的图片文件名字符串

3.返回生成的纹理对象的接口指针地址

设置当前纹理

SetTexture(DWORD Stage,

IDirect3DBaseTexture9 *pTexture);

Stage:关联的纹理层序号，0表示第一层

设置纹理相关状态

纹理相关状态包括纹理过滤方式、纹理寻址模式、纹理阶段混合状态。

D3D支持8层纹理贴图，所以最多存在8个纹理阶段。

思考

当一个纹理位图的大小小于我们的模型时，我们要将这个纹理贴到模型上会出现什么情况？纹理坐标值总是在[0,1]，我们的例子是将图元的四个顶点的纹理坐标设置为它的极限值，即(0,0)(0,1)(1,1)(1,0)。如果我们不这么设置，而是分别设置到(0,0)(0,0.5)(0.5,0.5)(0.5,0)会出现什么情况？

纹理过滤：在渲染一个图元时，必须将它通过坐标变换映射到二维屏幕上。如果图元有纹理，就需要用纹理来产生图元的二维渲染图像上每个像素的颜色。对于图元在二维屏幕上图像的每个像素来说，都必须从纹理中获得一个颜色，从纹理中为每个像素获取颜色的过程称为纹理过滤（texture filtering）。

为什么引入纹理过滤

图形大小与纹理位图大小可能不相同，纹理可能会映射到一个比它大或比它小的图元的图像上，纹理会被放大或缩小。

纹理放大：产生色块的感觉

纹理缩小：一个像素被映射到许多纹理元素上

为了解决这些问题，可以将相关纹理元素的颜色融合到一个像素上，如果融合取决于纹理过滤方式。

四种纹理过滤方式

?最近点采样（nearest-point sampling）

图元的纹理地址通常是一个浮点值，不是整数，当使用最近点采样时，D3D会复制与这个浮点值地址最接近的整数地址的纹理元素的颜色

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_MAGFILTER,D3DTEXF_POINT);

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_MINFILTER,D3DTEXF_POINT);

//第一个参数：0~7纹理层

第二个参数：放大、缩小过滤器

第三个参数：设置为最近点采样

?线性纹理过滤（linear texture filtering）

线性纹理过滤取得与计算得到的纹理元素的浮点地址最接近的上、下、左、右4个纹理元素，对这4个纹理元素进行加权平均，得到最终显示的颜色值。

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_MAGFILTER,D3DTEXF_LINEAR);

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_MINFILTER,D3DTEXF_LINEAR);

//第一个参数：0~7纹理层

第二个参数：放大、缩小过滤器

第三个参数：设置为最近点采样

各向异性纹理过滤

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_MAGFILTER,D3DTEXF_ANISOTROPIC);

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_MINFILTER,D3DTEXF_ANISOTROPIC);

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_MAXANISOTROPY,4);

//第一个参数：0~7纹理层

第二、三个参数：最大各向异性程度值，1表示禁用

多级渐进纹理过滤

?由一组分辨率逐渐降低的纹理序列组成，每一级纹理宽度和高度都是上一级纹理宽度和高度的一半。

?D3D自动选择一幅与物体大小最接近的纹理进行渲染。当物体离投影平面远时，选择尺寸小，分辨率低的；近时相反。

?当要显示的图形大小间于两级之间时，可取得两级纹理相应元素进行混合后显示。

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_MIPFITER,D3DTEXF_LINEAR);

// 第三个参数：若为D3DTEXF_NONE一直使用最高一级纹理

若为D3DTEXF_POINT只使用与图元大小最匹配的一级纹理

若为D3DTEXF_LINEAR与图元大小最匹配的两级纹理以线性方式混合为什么引入纹理寻址

通常纹理坐标范围在[0,1]，如果超过这个范围可以得到纹理映射的特殊效果。

纹理寻址用来处理纹理坐标超过[0,1]范围的纹理映射方法。

四种纹理寻址方法

重叠纹理寻址（wrap）

像贴瓷砖一样进行复制。

假设4个顶点的纹理坐标是(0,0)(0,3)(3,3)(3,0),可见超过了1.所以在各个方向将纹理贴图复制3次。

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_ADDRESSU,D3DADDRESS_WRAP);

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_ADDRESSV,D3DADDRESS_WRAP);

//第一个参数：0~7纹理层

镜像纹理寻址（mirror）

在每个整数纹理坐标连接处自动复制并翻转纹理。

假设4个顶点的纹理坐标是(0,0)(0,3)(3,3)(3,0),可见超过了1.

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_ADDRESSU,D3DADDRESS_MIRROR);

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_ADDRESSV,D3DADDRESS_MIRROR);

//第一个参数：0~7纹理层

夹取纹理寻址（clamp）

将纹理坐标夹取在[0,1]范围内，超出部分用纹理边缘颜色延伸。

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_ADDRESSU,D3DADDRESS_CLAMP);

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_ADDRESSV,D3DADDRESS_CLAMP);

//第一个参数：0~7纹理层

边框颜色纹理寻址（border color）

当超过[0,1]时，用边框颜色代替纹理颜色。

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_BODERCOLOR,0XFFFF0000);

g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_ADDRESSU,D3DADDRESS_BODER); g_pd3dDevice->SetSamplerState(0,D3DSAMP_ADDRESSV,D3DADDRESS_BODER); //第一个参数：0~7纹理层