Xcode与C++之游戏开发：Pong游戏
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接下来在前两天游戏骨架的基础上实现一个经典的乒乓球(Pong)游戏。游戏是这样的，一个球在屏幕上移动，玩家控制球拍来击打球。可以说乒乓球游戏是游戏开发者的 “Hello World” 项目。
绘制游戏中的物体
乒乓球球拍我们使用矩形来表示。绘制填充矩形，SDL 有 SDL_RenderFillRect 函数，它接受一个 SDL_Rect 代表的填充矩形，而矩形颜色由当前的绘图颜色决定。换句说，现在我们不改变绘图颜色，它默认就会使用那个幸福浪漫的蒂芙尼蓝。当然，颜色一摸一样，我们是看不见的。为了看得出矩形，将它修改成蓝色。
在 Game::GenerateOutput() 交换缓冲区之前写入：
// 设置绘制颜色
SDL_SetRenderDrawColor(mRenderer, 0, 0, 255, 255);
要绘制矩形，需要指定一个 SDL_Rect 结构体。这个结构体有4个参数，左上角的点x/y坐标，还有矩形的高和宽度。在绝大多数的图形库中，包括 SDL，窗口左上角的点的坐标是(0, 0)，x正半轴是向右，y正半轴是向下的（和数学上的相反）。
假设我们要在屏幕上方绘制矩形作为游戏的墙，可以使用下面的 SDL_Rect 的定义：
// 顶部墙的参数
SDL_Rect wall {
0, // 左上 x 坐标
0, // 左上 y 坐标
1024, // 宽度
kThickness // 高度
};
宽度被硬编码成1024，一般来说这需要根据窗口尺寸自动修正，后面会考虑修正这个问题。kThickness 是一个 const int 常量，被设置成15，这是为了方便调整墙的厚度。
C++ 不推荐使用
#define宏预定义，更推荐使用const
在头文件声明之后加入：
const int kThickness = 15;
最后，用 SDL_RenderFillRect 绘制矩形，传入 SDL_Rect 指针：
SDL_RenderFillRect(mRenderer, &wall);
这样游戏窗口上面多了一道墙，类似的，可以画出底部的墙和右边的墙，只需要通过改变 SDL_Rect 的参数。比如，下面那道墙左上角的 y 坐标就是 768 - kThickness（因为窗口初始化时高度被初始化为768）。
// 绘制底部墙
wall.y = 768 - kThickness;
SDL_RenderFillRect(mRenderer, &wall);
// 绘制右边的墙
wall = {
1024 - kThickness,
0,
kThickness,
1024
};
SDL_RenderFillRect(mRenderer, &wall);
左边的墙呢？留着给玩家打乒乓球。
墙硬编码可能问题不大，乒乓球球和球拍就不能硬编码了。随着游戏循环，球拍是要会动的。实际游戏编程中，球和球拍应该抽象成类，但是现在我们姑且先用变量代替一下硬编码。
首先，先定义一个 Vector2 结构体来存储 x 和 y 坐标。这个定义放到 Game.hpp 之中：
// Vector2 结构体仅存储 x 和 y 坐标
struct Vector2
{
float x;
float y;
};
接着添加两个 Vector2 的成员变量到 Game 类中，一个作为球拍 mPaddlePos，一个作为球 mBallPos。
// 球拍位置
Vector2 mPaddlePos;
// 球的位置
Vector2 mBallPos;
之后在初始化时 Game::Initialize() 赋予一个合理的初始值。
// 初始化球拍和球的坐标
mPaddlePos.x = 10.0f;
mPaddlePos.y = 768.0f / 2.0f;
mBallPos.x = 1024.0f / 2.0f;
mBallPos.y = 768.0f / 2.0f;
x和y在这里是中心坐标，不符合 SDL_Rect 的要求。因此要先把x和y坐标转换成左上角的点。
// 绘制球拍
SDL_Rect paddle {
static_cast<int>(mPaddlePos.x),
static_cast<int>(mPaddlePos.y - kPaddleH / 2),
kThickness,
static_cast<int>(kPaddleH)
};
SDL_RenderFillRect(mRenderer, &paddle);
// 绘制球
SDL_Rect ball {
static_cast<int>(mBallPos.x - kThickness / 2),
static_cast<int>(mBallPos.y - kThickness / 2),
kThickness,
kThickness
};
SDL_RenderFillRect(mRenderer, &ball);
其中，kPaddleH 也是个 const int 常量，用来控制球拍的长度(可控制难度)，将其设置为 100.0f。
const float kPaddleH = 100.0f;
这样乒乓球的所需要物体，或者说简陋的素材就完成了。看看效果。
接下来，就要把静态变成动态，完成游戏循环和交互逻辑的编写。
更新游戏
在编写游戏循环的时候，有一点是值得特别关注的，就是时间。务必记住一点，游戏循环不是连续的，它只是刷新频率带来的错觉。游戏中的时间和现实的物理时间也未必一样。这是开发的时候需要特别注意的。
由时间引出了刷新频率的问题，假如最早的游戏在 8MHz 的处理器下运行，有这样的代码：
// x 坐标更新五个像素
enemy.mPosition.x += 5;
那么，如果在 16MHz 的处理器上运行呢？刷新的速率翻了一倍，会导致游戏速度快了一倍。游戏的难度陡然上升，完全有可能将困难的挑战变成不可能。为了解决这个问题，游戏将使用增量时间(delta time)——上一帧到现在的时间流逝长度。
要采用增量时间，就需要转换思考的角度，从每帧移动的像素数量转变成每秒移动的像素数量。所以，我们把速度调整为150每秒，采用增量时间，这样更加灵活：
// 每秒更新150个像素
enemy.mPosition.x += 150 * deltaTime;
现在，代码与帧速无关了，无论是 30 FPS 还是 60 FPS，都能照常运行。实际游戏编程时，大部分都需要采用增量时间。
为了计算增量时间，SDL 提供了 SDL_GetTicks 函数返回从 SDL_Init 调用以来的毫秒数。通过存储上一帧的 SDL_GetTicks 的结果在成员变量里，就可以使用现在的值来计算增量时间。
首先，声明一个 mTicksCount 作为 Game 的成员变量，并在构造函数中初始化为0。
在 Game.hpp 的 Game 中增加代码：
// 记录运行时间
Uint32 mTicksCount;
构造函数中初始化为0：
Game::Game()
:mWindow(nullptr)
,mRenderer(nullptr)
,mIsRunning(true)
,mTicksCount(0)
{
}
使用 SDL_GetTicks 的代码在 Game::UpdateGame 中实现：
void Game::UpdateGame()
{
// 增量时间是上一帧到现在的时间差
// (转换成秒)
float deltaTime = (SDL_GetTicks() - mTicksCount) / 1000.0f;
// 更新运行时间(为下一帧)
mTicksCount = SDL_GetTicks();
}
仔细想想，这代码还是有问题的。有一些依赖于物理的游戏（比如平台跳跃类），行为会根据帧速率而有所不同。最简单的解决方案就是限制速度，强制游戏循环需要等到一个增量时间。例如，目标帧速 60 FPS，一帧完成仅需要 15ms，则强制附加 1.6ms。
SDL 已经为我们提供了限制帧速的方法。例如，要限制至少帧与帧之间间隔 16ms，可以在 UpdateGame 一开始附加上代码：
void Game::UpdateGame()
{
// 等到与上一帧间隔 16ms
while (!SDL_TICKS_PASSED(SDL_GetTicks(), mTicksCount + 16))
;
// 增量时间是上一帧到现在的时间差
// (转换成秒)
float deltaTime = (SDL_GetTicks() - mTicksCount) / 1000.0f;
// 更新运行时间(为下一帧)
mTicksCount = SDL_GetTicks();
}
除了关注最短间隔，我们也应该关注最长间隔。例如，在调试的时候中断了游戏，那么一段时间之后恢复运行，游戏将产生一个突跃。为了解决这个问题，只需要设定一个增量时间的最大值。
// 固定增量时间最大值
if (deltaTime > 0.05f)
{
deltaTime = 0.05f;
}
球拍位置
在乒乓球游戏中，我们可以通过键盘输入 W 向上移动球拍，S 向下移动球拍。可以定义一个 mPaddleDir 表示方向，-1 表示球拍向上(负y)，1 表示球拍向下移动。
// 球拍方向
int mPaddleDir;
记得在构造函数中初始化，
Game::Game()
:mWindow(nullptr)
,mRenderer(nullptr)
,mIsRunning(true)
,mTicksCount(0)
,mPaddleDir(0)
{
}
控制游戏的位置通过键盘输入，因此代码放到 ProcessInput 中。
// 通过 W/S 更新球拍位置
mPaddleDir = 0;
if (state[SDL_SCANCODE_W])
{
mPaddleDir -= 1;
}
if (state[SDL_SCANCODE_S])
{
mPaddleDir += 1;
}
注意这里是加上和减去，而不是采取直接赋值为 -1 和 1，因为这样才能确保玩家同时按两个键时mPaddleDir 是0。接下来，在 UpdateGame 中根据增量时间和方向，更新球拍位置。除此之外，还需要防止球拍超出窗口，必须限制在有效范围内。
// 根据方向更新球拍位置
if (mPaddleDir != 0)
{
mPaddlePos.y += mPaddleDir * 300.0f * deltaTime;
// 确保球拍不能移出窗口
if (mPaddlePos.y < (kPaddleH / 2.0f + kThickness))
{
mPaddlePos.y = kPaddleH / 2.0f + kThickness;
} else if (mPaddlePos.y > (768.0 - kPaddleH / 2.0f - kThickness))
{
mPaddlePos.y = 768.0f - kPaddleH / 2.0f - kThickness;
}
}
在这里，速度是300个像素每秒。现在，可以编译运行一下看看了。
更新球的位置
更新球的位置就有一点点复杂了。球拍仅仅在一维(y)上运动，而乒乓球可是在二维平面上运动。另外，球碰到墙和球拍会反弹，从而改变它的方向。因此，需要使用球的速度和对它进行碰撞检测。
由于球在二维平面上运动，因此对速度的表示采用的是矢量分解。添加一个 Vector2 成员变量 mBallVel，初始化成 (-200.0f, 235.0f)，代表一开始球向x负方向以每秒200像素移动，同时向下每秒移动235像素。换句话说，向左下移动。
// 球的速度
Vector2 mBallVel;
在 Game::Initialize() 中进行初始化：
mBallVel = {-200.0f, 235.0f};
接下来，需要编写能够将球从墙上弹回的代码。用于确定球是否与墙壁碰撞的代码类似于检查球拍是否在屏幕外。如果球的y位置小于或等于球的高度，则球与顶壁碰撞。一个问题是，碰撞之后怎么运动。
应该不难想到，假如球从上到下，那么碰到底部的墙将反弹向上。类型的，碰撞到右边，则反弹向左。基于矢量的原理，仅仅只需要在相应的分量上乘以 -1，改变方向即可。
// 球是否和顶部墙相碰
if (mBallPos.y <= kThickness && mBallVel.y < 0.0f)
{
mBallVel.y *= -1;
}
else if (mBallPos.y >= (768 - kThickness) && mBallVel.y > 0.0f)
{
// 球和底部墙相碰
mBallVel.y *= -1;
}
对速度进行校验是有必要的，否则可能导致球粘在墙上。
球与墙的碰撞稍微简单一点，与球拍的碰撞就比较复杂了。
- 如果球在球拍的正上方和正下方，这就是没碰撞了；(球的y坐标和球拍的y坐标差值大于球拍的高度的一半）
- 检查球的x坐标是否和球拍一致，并且球不处于远离状态。
// 是否和球拍相交
float diff = mPaddlePos.y - mBallPos.y;
// 取绝对值
diff = (diff > 0.0f) ? diff : -diff;
if (
// y分量差距足够小
diff <= kPaddleH / 2.0f &&
// 球拍的x范围内
mBallPos.x <= 25.0f && mBallPos.x >= 20.0f &&
// 球正向左运动
mBallVel.x < 0.0f
)
{
mBallVel.x *= -1.0f;
}
// 如果球出了窗口，结束游戏
else if (mBallPos.x <= 0.0f)
{
mIsRunning = false;
}
// 如果球碰到右边的墙，则反弹
else if(mBallPos.x >= (1024.0f - kThickness) && mBallVel.x > 0.0f)
{
mBallVel.x *= -1.0f;
}
最终
这样，游戏届的“Hello World”的Pong游戏就编写完成了，最后，改一下窗口标题，换成 Pong，就可以了。但是，我们把 Pong 游戏的各个游戏对象都放到了 Game 中，这不利于扩展。这就是我们之后将进一步讨论的游戏对象。
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