董佳駒+詹玲超+秦興杰+王坡

摘 要：DirectX庫不只是圖形的API函數(shù)，也是實現(xiàn)多用途的API函數(shù)，在此基礎(chǔ)上借鑒Unity引擎組件+對象框架的模式設(shè)計了一款基于DirectX庫的游戲引擎。該文的主要工作是引擎組件和對象的實現(xiàn)。引擎組件主要包括渲染組件、物理組件和動畫組件，其中渲染組件從變換、網(wǎng)格和材質(zhì)3個方面實現(xiàn)。引擎對象包括三大系統(tǒng)，分別是攝像機系統(tǒng)、地形系統(tǒng)和光照系統(tǒng)。這樣就實現(xiàn)了一個游戲引擎。

關(guān)鍵詞：DirextX庫 游戲引擎 組件對象

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）02（c）-0008-02

DirectX庫是微軟針對Windows操作系統(tǒng)的非實時性推出的一個開發(fā)庫，目的是讓圖形圖像、動畫、多媒體和游戲程序開發(fā)人員在Windows開發(fā)環(huán)境下很容易地編制高級程序。該游戲引擎就是基于該庫設(shè)計制造的。一個游戲就如同一輛汽車，是由一個個的零部件拼接組裝而成。而游戲引擎和游戲是部分對整體的關(guān)系，就如同汽車的發(fā)動機一樣，是一個不可或缺的載體。游戲引擎借鑒了Unity引擎組件+對象的框架模式。該框架的主要特點是用一個對象來表示三維空間中的位置。該框架的最大亮點是實現(xiàn)腳本模塊。有了這樣的框架就能進(jìn)行引擎組件和對象的實現(xiàn)。組件主要分為渲染組件、物理組件動畫組件，對象包含攝像機、地形以及光照。

1 引擎組件

引擎組件是實際功能的承載者，是整個代碼的核心。這里按照功能分類，分別為渲染組件、物理組件和動畫組件。

1.1 渲染組件

渲染組件主要由變換、網(wǎng)格和材質(zhì)來承載。在游戲里方位是一個重要的屬性，方位包含物體的位置、方向和大小，主要依靠幾何坐標(biāo)變換來實現(xiàn)，變換由平移、旋轉(zhuǎn)和縮放構(gòu)成，每一個變換可以由一個矩陣來表達(dá)和計算，這就是變換組件的實現(xiàn)。

在游戲里，物體模型是通過多邊形網(wǎng)格來逼近表示，網(wǎng)格模型文件可以將物體輪廓的頂點位置、紋理和材質(zhì)等存儲在一個外部文件中。但是網(wǎng)格模型可能包含一些冗余的數(shù)據(jù)，就有必要通過算法對網(wǎng)格模型進(jìn)行優(yōu)化，刪除一些多余的信息。從外部文件中通過網(wǎng)格組件加載并渲染該網(wǎng)格是該組件的主要作用，這就是網(wǎng)格組件的實現(xiàn)。

還有，材質(zhì)也是物體的一個重要屬性，材質(zhì)決定物體能夠反射哪些顏色的光線。在DirectX庫中有一個結(jié)構(gòu)體記錄物體表面材質(zhì)屬性，該結(jié)構(gòu)體包含4個參數(shù)，物體頂點顏色的亮度就由這4個參數(shù)來決定，其計算公式是：物體的最終顏色=物體反射環(huán)境率+物體反射漫反射率+物體反射鏡面反射率+自發(fā)光，這就是材質(zhì)組件的實現(xiàn)。

1.2 物理組件

物理組件主要是實現(xiàn)外力效果、摩擦力效果、反彈效果和碰撞等其他物理效果。在物理模塊中，通過聲明Physics Effect類作為物理組件類，其構(gòu)造函數(shù)初始化相關(guān)數(shù)據(jù)。通過該類生成很多效果函數(shù)，方便調(diào)用。

1.3 動畫組件

動畫之所以能動起來是因為有數(shù)據(jù)記錄了每個時間點物體網(wǎng)格各個頂點所在的具體位置，通過插值算法計算兩個網(wǎng)格頂點的位置，實現(xiàn)網(wǎng)格的平滑移動，在60幀及以上的幀率下就能看到一個會動的網(wǎng)格，這就是該引擎的動態(tài)顯示原理。在動畫組件中聲明Animation Effect類作為動畫組件類，其構(gòu)造函數(shù)初始化相關(guān)函數(shù)。

2 引擎對象

這里主要分為3個系統(tǒng)，分別為攝像機系統(tǒng)、地形系統(tǒng)和光照系統(tǒng)。

2.1 攝像機系統(tǒng)

在攝像機系統(tǒng)中，首先需要實現(xiàn)出取景變換矩陣。其核心思想是：確定攝像機對象的方位。根據(jù)攝像機的方位計算出其方位矩陣并通過計算來獲得取景變換矩陣。取景變換本質(zhì)是解決如何以攝像機作為新的坐標(biāo)原點來表示原來三維世界中物體坐標(biāo)的問題。換一種方式就是說坐標(biāo)系中的物體需要隨著攝像機一起進(jìn)行方位變換，來達(dá)到攝像機自身坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系完全重合的目的，如圖1所示。

2.2 地形系統(tǒng)

在三維世界里，地形是一個非常重要的元素。沒有光照，沒有大地，沒有各種生物，就不能稱之為世界。在討論地形系統(tǒng)的實現(xiàn)原理前，先看圖2的幾張圖。

可以發(fā)現(xiàn)上面這三張圖似乎存在著某種關(guān)聯(lián)。首先在圖2（a）上可以看到，一個個網(wǎng)格頂點有規(guī)律的排列著，這里每個點都可以用二維坐標(biāo)（x，y）來表示。而圖2（b）則在圖2（a）的基礎(chǔ)上增加了高度這個屬性，可以說圖2（a）是平面的，而在圖2（b）上每個點在原來的方位上有了不同的高度，這時每個點可以用三維坐標(biāo)（x，y，z）來表示，這樣就把一張二維的圖變成了一張三維的圖，地形便出來了。而圖2（c）則在第二張圖的基礎(chǔ)上添加了紋理圖片，這樣一個逼真的地形就顯示出來了。

2.3 光照系統(tǒng)

計算機所描繪的三維世界作為現(xiàn)實世界的高度逼真的模仿，必然需要光照系統(tǒng)。在光照系統(tǒng)中可以使用光照功能，只需要告訴光照系統(tǒng)需要使用什么類型的光照，而不用為物體的每個網(wǎng)格頂點都指定顏色值，然后調(diào)用DirectX庫的光照設(shè)置函數(shù)，該函數(shù)就會根據(jù)其內(nèi)置的算法計算出每個頂點的顏色值，從而產(chǎn)生出逼真的光照效果。

3 結(jié)語

游戲引擎只是游戲的一個“零部件”，是一個游戲的載體。游戲的渲染和實現(xiàn)都是基于這個載體之上。真正創(chuàng)建出一個3D游戲世界，還需要使用Windows編程編寫Windows應(yīng)用程序，讓三維世界有一個可以被呈現(xiàn)的載體。通過該游戲引擎所創(chuàng)建的三維世界，還是需要編寫簡單的代碼產(chǎn)生程序窗口，并通過該游戲引擎來創(chuàng)建一個簡單的三維世界。

參考文獻(xiàn)

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