游戏引擎开发技术简析

２００７年第８期福建电脑

游戏引擎开发技术简析

宋宇，谭浩

（电子科技大学计算机科学与工程学院四川成都６１００５４）

【摘要】：该游戏引擎的开发技术主要使用的语言是Ｃ＋＋，结合ＤｉｒｅｃｔＸ９开发包，并综合运用软件工程思想，人工智能，计算机图形学等知识。该引擎的主要工作是在游戏中进行碰撞运算，数字建模，物体成像，玩家的角色控制等等操作，以及处理音乐音效等必要的功能。

【关键词】：游戏引擎；ＤｉｒｅｃｔＸ开发包；地图编辑器；角色扮演

１．引言

作为一种大众的娱乐方式，电脑游戏已经越来越为人们所接受。而对于电脑游戏来说，游戏引擎是用于控制游戏功能的主程序，游戏引擎和游戏之间的关系就象一部汽车和汽车引擎之间的关系。不同型号的汽车可以采用相同的引擎，不同的游戏也可以采用相同的游戏，而且汽车的外型、材料、颜色都可以不同就象不同游戏有不同的人物模型和场景一样。游戏引擎实现诸如接受玩家控制信息的输入，选择合适的声音以及合适的音量播放等。不管是２Ｄ游戏还是３Ｄ游戏，不管是什么类型的游戏（角色扮演游戏＜ＲＰＧ＞、即时战略游戏＜ＲＴＳ＞、冒险解迷游戏＜ＡＶＧ＞或是动作射击游戏＜ＳＴＧ＞）都有类似的控制作用代码。游戏引擎是整个游戏的框架，框架设计好之后，才能进行关卡设计动画设计以及建模等。

２．需求分析

经过不断的进化，如今的游戏引擎已经发展为一套由多个子系统共同构成的复杂系统，几乎涵盖了开发过程中的所有重要环节，在这个设计中主要涉及到了以下几项功能：

（１）光影处理：光影处理是用来处理游戏场景中光源对处在其中的人、物、地所影响变化的效果。

（２）碰撞检测：碰撞探测是物理系统的核心部分，它可以探测游戏中各物体的物理边缘。

（３）物理系统：用于模拟现实生活中的物体物理运动系统的一个系统。

（４）动画：如果没有动画功能，现在的游戏将会是枯燥的。

（５）渲染：渲染是引擎最重要的功能之一，渲染引擎在引擎的所有部件当中是最复杂的，它的强大与否直接决定着最终的输出质量。

（６）输入和输出：负责玩家与电脑之间的沟通，处理来自键盘、鼠标、摇杆和其它外设的信号甚至还有网络代码。

３．系统设计

３．１功能设计

作为一个游戏引擎，它必须是可用的，稳定的，可维护的。它的主要功能共有以下几点：

（１）图像处理：图像成像，曲线绘制，阴影生成，粒子效果。

（２）输入处理：鼠标和键盘数据处理，游戏文件装载，脚本读取。

（３）输出处理：游戏信息输出，玩家信息显示，游戏存档建立，音乐音效输出，图像输出。

（４）游戏逻辑设计：控制游戏剧情发展，控制人物移动，控制画面显示。

３．２结构设计

游戏引擎开发采用的是三层结构模型：

第一层是整个游戏引擎的基础，它包括图像处理系统，输入输出系统和音乐音效系统。

第二层是接口层，设定底层与上层的接口。

采用接口技术的好处是在更新底层实现的时候，只要接口不被修改，那么上层代码就不需要被改动，实现了系统层次化结构并提高了系统的可维护性和可重用性。

第三层是游戏工具库，在这里提供了游戏开发的一些辅助工具，主要是封装了一些对底层实现的操作。这些工具包括地图编辑器，脚本解析器，人物对话模块，Ｐｌａｙｅｒ类，ＮＰＣ类以及物品类等等一些在游戏中用到的模块。

３．３游戏引擎的ＩＰＯ图

图１ＩＰＯ图

图２引擎整体结构图

４．系统实现

４．１引擎开发基础和开发环境配置

４．１．１引擎开发工具的选择

在本次开发游戏的引擎的开发中，我们使用ＤｉｒｅｃｔＸＳＤＫＫｉｔ与ＶＣ＋＋６．０编译器。

４．１．２游戏开发的核心知识

游戏开发需要很多方面的知识，这包括很多计算机专业以及非计算机专业方面的知识，如编程语言，数学基础，逻辑思维，文学功底，艺术修养等等。当然，开发一个游戏引擎，最基本的数据结构的知识是必不可少的，如堆栈，队列，树，数组，链表，指针等。

数学建模既是数学上的术语同时也是计算机游戏的术语。通常情况下游戏中的每个对象，人物、动物、房屋、植物包括水，光线，气体等都要进行建模。

４．２引擎图像子系统的实现

４．２．１可以采用图片拼接的方式来编辑地图，把待绘制页面

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划分为ｎ个单元格，在每个单元格中贴入我们需要的对象部分，并在贴入后设置该图块的属性。

４．２．２图像子系统的功能分析

需求：实现地图合成，２Ｄ贴图，序列动画，屏幕渲染，画面显示，基本图形图像绘制以及粒子系统。

４．３引擎的输入输出子系统与声音控制子系统

４．３．１输入输出方式

Ｗｉｎｄｏｗｓ中是使用消息方式来获取键盘和鼠标消息的。当然，在游戏中也是使用消息方式来获取键盘和鼠标消息。因为在有的游戏中，游戏的输入不仅由用户来提供操作键盘和鼠标消息，在剧情发展的时候需要虚拟键盘和鼠标消息来自动化游戏的进行，有时我们要对键盘和鼠标的消息进行处理来实现一些效果，比如当鼠标移动到屏幕的边缘时，要滚动地图。这样就必需实时的截获鼠标和键盘消息，然后处理。

４．３．２输入输出子系统的实现过程

在这里使用的是ＤｉｒｅｃｔＸ９的ＤｉｒｅｃｔＩｎｐｕｔ库来完成输入消息截取的。游戏的运行过程大致过程可以分为擦除、移动、等待、重复这几个步骤。

确定了在什么位置获取输入以后，接下来就是具体的实现过程了。ＤｉｒｅｃｔＩｎｐｕｔ和ＤｉｒｅｃｔＤｒａｗ同样是虚拟设备，也就是说不管底层的硬件是如何实现的，只要是符合标准的接口，都可以通过ＤｉｒｅｃｔＩｎｐｕｔ来获取输入。ＤｉｒｅｃｔＩｎｐｕｔ的实现过程是Ｗｉｎ３２应用程序àＤｉｒｅｃｔＸ输入àＨＥＬ（硬件仿真层）或者是ＨＡＬ（硬件抽象层）à硬件驱动设备à设备。理论上ＤｉｒｅｃｔＩｎｐｕｔ可以支持所有的输入设备比如鼠标、键盘、游戏手柄、方向盘、踏板等，但在本文中用到的只有键盘和鼠标，所以只要获取鼠标和键盘消息就可以了。

以下是设置ＤｉｒｅｃｔＩｎｐｕｔ的基本过程：

（１）通过调用ＤｉｒｅｃｔＩｎｐｕｔ９Ｃｒｅａｔｅ（）来创建ＩＤｉｒｅｃｔＩｎｐｕｔ接口，返回值是ＩＤｉｒｅｃｔＩｎｐｕｔ９接口。

（２）查询设备的ＧＵＩＤ。

（３）调用ＣｒｅａｔｅＤｅｖｉｃｅ（）来传递一个ＧＵＩＤ：ＧＵＩＤ＿ＳｙｓＫｅｙ－Ｂｏａｒｄ主键盘的ＧＵＩＤ，ＧＵＩＤ＿ＳｙｓＭｏｕｓｅ主鼠标的ＧＵＩＤ。

（４）调用ＩＤｉｒｅｃｔＩｎｐｕｔＤｅｖｉｃｅ９：：ＳｅｔＣｏｏｐｅｒａｔｉｖｅＬｅｖｅｌ（）来完成设备的协作等级的设置。

（５）调用ＳｅｔＤａｔａＦｏｒｍａｔ（）来设置每一个设备的数据格式。

（６）使用ＩＤｉｒｅｃｔＩｎｐｕｔＤｅｖｉｃｅ９：：ＳｅｔＰｒｏｐｅｒｔｙ（）来设置你想要的任何设备的性能。

（７）调用ＩＤｉｒｅｃｔＩｎｐｕｔＤｅｖｉｃｅ９：：Ａｃｑｕｉｒｅ（）来获取设备，即与设备关联。

（８）调用ＩＤｉｒｅｃｔＩｎｐｕｔＤｅｖｉｃｅ９：：ＧｅｔＤｅｖｉｃｅＳｔａｔｅ（）来获取设备的数据，有两种方式来实现数据采集，一是直接模式，二是间接模式。

４．３．３声音子系统实现的步骤

实现音乐和音效处理，我们用到的是ＤｉｒｅｃｔＸ中的Ｄｉｒｅｃｔ－Ｍｕｓｉｃ和ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ库，ＤｉｒｅｃｔＭｕｓｉｃ是控制音乐播放的，Ｄｉｒｅｃｔ－Ｓｏｕｎｄ是控制音效的，它是一种新的基于ＤＬＳ数据的实时音乐编排和回访技术。

操作ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ：

（１）初始化ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ声明ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ对象调用Ｄｉｒｅｃｔ－ＳｏｕｎｄＣｒｅａｔｅ（）创建ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ（）对象。

（２）设定协作等级，调用ＳｅｔＣｏｏｐｅｒａｔｉｖｅＬｅｖｅｌ（）函数，Ｄｉｒｅｃｔ－Ｓｏｕｎｄ一共有四个协作等级：普通级、优先级、排他级和Ｗｈｉｔｅ＿Ｐｒｉｍａｒｙ级。

（３）建立缓冲，声明ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ缓冲，调ＣｒｅａｔｅＳｏｕｎｄＢｕｆｆｅｒ（）来创建缓冲对象。

（４）把声音写入缓冲，锁定（Ｌｏｃｋ（））、写入、解锁（Ｕｎｌｏｃｋ（））。

（５）控制声音播放：播放声音，调用ｐｌａｙ（）函数；停止播放声音，调用ｓｔｏｐ（）函数；控制音量，调用ＳｅｔＶｏｌｕｍｅ（）函数；调整频率，调用ＳｅｔＦｒｅｑｕｅｎｃｙ（）函数；改变声道平衡，调用ＳｅｔＰａｎ（）函数。

４．４游戏工具库开发

４．４．１地图编辑器与脚本解析器的概述

地图编辑器和脚本解析器是游戏开发中的重要工具，它们综合利用底层的操作来实现游戏开发过程中比较高级的功能。４．４．２地图编辑器的作用与功能介绍

地图编辑器，顾名思义，就是用来编辑地图的工具，它的主要功能就是创建、编辑和保存游戏场景地图文件。一般游戏场景地图分为三层结构，地面层、物体层、天空层。地面层是用来贴入游戏场景的最底层图片的，如土地，沙漠，草地等都可以归结到地面层；物体层在这里不单单是一层，物体层可分为上层和下层，上层的物体可以遮挡人物，下层的物体可以阻挡人物，所以在设计中把人物定位在物体的下层；天空层是用来做效果处理的，如想实现天黑效果，你不得不在物体层的上面加上一张黑色图片。创建一张游戏场景地图主要有以下几个步骤：（１）装载进背景图；（２）显示背景图；（３）在图上画出格子；（４）在某一格子贴入确定的景物；（５）设置景物属性；（６）保存地图。

４．４．３脚本编辑器的作用与功能介绍

我们为什么要进行脚本解析器设计呢？其目的主要是解决外挂通用性的问题，我们知道有些游戏运行商时常会调整或扩增其游戏中的一些数据。如果我们把这些信息硬编码在程序中，那么游戏运行商每修改一次数据，我们就要重新更改与编译外挂一次，这为外挂的推广使用带来了极大的不便。另外，脚本解析器也是作为智能ＡＩ处理的一个部分，游戏行为的实现很大一部分依赖于脚本代码的书写。因此设计脚本解析器与游戏脚本指令体系是十分重要的，其中脚本指令体系更为重要。

５．测试

在游戏引擎开发完成以后，游戏的创作就由设计师和美工来完成。首先，创作游戏剧本，确定了剧本之后，我们就要对剧本进行分镜处理，确定在什么场景出现什么人物，和什么样的人物有什么样的对话；其次，使用地图编辑器来制作游戏场景地图；最后，编写游戏的脚本文件，编写时要确定关卡和时间发生地点，人物对话就按分镜处理后的剧本就可以了。

６．结论

综上完成了一个通用的２ＤＲＰＧ游戏引擎的基本功能，该引擎的主要特点是采用了模块化设计思想来构建引擎的底层程序，因此该引擎具有较强的扩展性和可维护性。该引擎的工具库具有高度的可重用性，只需要经过少许的改动就可以适应新格式地图的编辑。该游戏引擎是按照网络游戏引擎设计的，所以游戏引擎可以进一步的升级为一个网络游戏的引擎，用于网络游戏客户端程序的开发。如果对引擎的底层图形系统进行优化，可以将引擎升级为２．５Ｄ的引擎。本文限于篇幅有限，部分程序代码没有给出。

参考文献：

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