一个基于组合模式的游戏地图系统

-潘宏

-2012年12月

-本人水平有限，疏忽错误在所难免，还请各位高手不吝赐教

-email: [email protected]

-weibo.com/panhong101

地图系统

地图系统是游戏开发永恒不变的一个主题。在大多数游戏开发中，我们都需要和地图打交道。不同的游戏可能采用不同的地图系统，比如对于2D游戏来说，可能的地图类型包括：

1）Rectangular tile，即矩形tile。

2）Isometric，即等测地图。

3）Hexagonal tile，即六边形tile。

等等。

而对于3D游戏来说，一般包括两种主要类型：

1）基于3D空间的2D地图

2）完全3D空间地图

对于第一种类型，实际上是2D地图系统的一种3D推广，游戏中的地图还是在一个2D平面上，但是在3D空间的一个平面上。场景中的游戏对象可以都是3D模型。但地图本身仍然通过2D地图的方式进行处理。

第二种一般在3D图形学中叫做场景管理（Scene Management）。这是对真3D场景的一种处理方式：地图信息不再处于某个平面上，而是具有任意的3D几何信息。对于处理这种非规则的3D几何地图系统，我们一般采用分类的方式进行单独处理，比如：

1）室外地形系统

2）室内地图系统

3）基于portal的系统

等等。针对不同的类型，3D场景系统一般采用不同的管理方法，比如quadtree、octree、bsp、portal等等场景管理方式。可以说这个领域很广泛、也很复杂。

我们当然不可能具体地讨论所有这些地图系统。那么我们讨论什么呢？我们将讨论一种思想，这种思想贯穿于所有的这些地图管理方法之中，以提供一种健壮、合理、便利的代码结构。而这种结构不论是在游戏产品还是在开发工具中，都扮演着举足轻重的作用。这就是层次体结构。

层次体结构

对于复杂的问题以及结构，我们都倾向于一种称为“分治法”的方式进行处理。层次体结构实际上就是一种分治法，它通过一种树形结构来表示“整体－部分”的层次概念。基于这种方法，开发者可以很容易地对系统进行不同等级的灵活控制，同时获得一种复用性优势。

我们来举一个简单例子，来让大家更好地理解这些抽象概念。对于最简单的2D矩形tile引擎来说，开发者们经常会把场景分成多个层（layer）和一个根（root），如下图所示：

这就是一个最简单的层次体结构。它表明了一种整体和局部的从属关系：root可以看作这个地图本身，它代表整体。而它的子结点，则看作是这个地图的每个层，他们代表局部，属于整体。我们再具体一点，假设我们把地图分成了3层：

Layer 1 - 地面层

Layer 2 - 中间层

Layer 3 - 天空层

地面层是永远处于”最下面“的层，地图上的任何东西都会处于它的上面，这一层包括普通土地、草坪、沙土地、公路等类型的tile。中间层就是地图上的对象层，它永远处于地面层之上，这一层包括：房子、树木、玩家角色、NPC等活动对象，这些对象之间的位置关系会随时变化，因此互相遮挡的关系也会变化，需要实时进行排序。天空层包括天上飞的鸟、飘浮的云朵等对象，它们永远处于地面层之上。

更进一步地，我们可以在每个layer上再增加子layer——这可以根据具体游戏对象的类型，比如把所有沙土地对象，都放到一个layer上，当玩家走到上面的时候，会减慢速度。如下图所示：

如我们所看到的，对这些对象进行3个layer分类，我们获得了很多好处：

1）分区渲染－渲染的顺序可以通过layer自然的处理：地面、中间、天空，这样的顺序保证了渲染结果的可视关系的正确。

2）分区更新－只有中间层的对象需要实时排序，这避免了对无需排序对象进行排序的无效计算。另外，可以直接用沙土层和玩家做碰撞检测——避免了不必要的计算。

3）总体控制－在对地图进行编辑的时候，我们可以非常方便地显示、隐藏、移动、删除不同的层。被操作的每个层上的对象都得到统一的处理。

而这些好处也不仅仅局限于矩形2D tile地图，任何地图系统都可以从中得到这样的好处。比如在3D的场景管理中，quadtree、octree、bsp本身就是一种层次体结构。它们通过树形结构对场景进行划分，从而以一定的规则将场景中的多边形安排到树中。另外，对于3D的所谓保留模式（Retained Mode）渲染，实际上就是通过把场景安排成一颗场景树来进行处理。系统一般会提供一个类似这样的接口：

void GraphicsEngine::render( SceneNode& sceneTreeRoot );

sceneTreeRoot就是场景树的根结点，从该结点向下就可以遍历整个树形结构，并进行任何你希望的操作——这当然以渲染为主。

在一些支持保留模式渲染的引擎中，一般设计师或美工会通过一些所见即所得的工具进行场景编辑，放置模型，虚拟物体，架设相机等等。最后导出一个文件，供引擎使用。而导出的往往就是一颗场景树，连相机都会作为一个结点存在于该结构中。

复用性

层次体结构的另一个巨大优势在于复用性，而这往往体现在设计和实现两个层面上。想象我们在地图里面将几块石头摆放成了一种特殊形状，这种形状暗示了某种游戏中的宗教意义。而根据设计需求，该形状可能会摆在地图中的很多位置。由于整个地图通过组合模式被建立成了一棵场景树，我们则可以把这个形状的几个石头，单独的做成一个子layer。然后在不同的地方（结点）放置这些子layer。而在代码级别上，这些layer中的石头实际上是通过类对象指针保存的，因此存放开销完全可以接受。所以，我们每次给一个结点增加一个这样的layer，就添加了这些石头所组成的一个形状——我们实际上是通过一种组合的方式进行特定结构的复用。请注意，这些复用是可以嵌套的！这意味着你可以用这些子layer再组合更复杂的层，然后服用这些更复杂的layer。这种复用带来的威力是巨大的，在两方面提供优势：

1）设计开销 －通过定义一个子layer，我们可以反复使用该layer，还可以嵌套！

2）内存开销 －只通过指针存储对象，实际对象内存只有一份。

这种复用性带来的利益驱使我们开发了一套2D动画系统——用场景树的方式组织动画。允许对不同复杂组件（可以看作这里的layer）的嵌套。以后如果条件允许，我会写一篇关于该系统的文章，帮助一下初学游戏开发的朋友理解2D动画系统。

层次体的简单实现

层次体结构实际上是一种组合（Composite）模式。根据GoF的著作《设计模式》所描述：组合模式通过一种树形结构来体现一种“整体和部分”的观念，从而让处理单一对象和对象聚合存在一种统一的形式。下图所示即组合模式：

Leaf是单一对象，composite是组合对象，也就是一个对象聚合体。它们都继承自component类，拥有相同的操作方式Operation——这是关键，也是组合模式的核心思想：在客户（client）看来，操作一个leaf和一个composite没什么区别，都调用它的Operation，但composite是个聚合体，它会在自己的Operation中调用每一个聚合对象的Operation。

这里单一对象就可以理解为地图中的一个具体对象（树木、房子、NPC等等），而组合对象则可以看成是地图的一个layer——它聚合其它对象（树木、房子、NPC，或者是另一个layer）。

下面我们实现一个简单的层次体结构，从代码级别来深入认识该系统：

class MapNode
{
public:
	virtual ~MapNode() {}

	virtual void cycle() = 0;
	virtual void draw( GraphicsContext& g ) = 0;
};

class Node_Layer : public MapNode
{
public:

	void addChild( SceneNode* child )
	{
		m_children.push_back( child );
	}

	void removeChild( SceneNode* child )
	{
		for( std::vector< SceneNode* >::iterator it = m_children.begin();
			it != m_children.end(); ++it )
		{
			if( *it == child )
			{
				m_children.erase( it );
				break;
			}
		}
	}

	virtual void cycle()
	{
		for( int i = 0; i < m_children.size(); ++i )
		{
			m_children[i]->cycle();
		}
	}

	virtual void draw( GraphicsContext& g )
	{
		for( int i = 0; i < m_children.size(); ++i )
		{
			m_children[i]->draw( g );
		}
	}


protected:
	std::vector< SceneNode* > m_children;
};

class Node_Tree : public MapNode
{
public:

	virtual void cycle()
	{
		Update the state of the tree...
	}

	virtual void draw( GraphicsContext& g )
	{
		Draw the tree via g...
	}
};

以上是一个非常简单的组合代码结构。 MapNode是地图结点基类，我们用它的指针或引用来操作整个系统。它提供两个抽象方法

void MapNode::cycle

void MapNode::draw

分别用来进行帧更新和渲染，具体实现由子类决定。Node_Layer就是地图层类，它就是所谓的聚合体。Node_Tree是一个单一对象，它表示地图上的树这种对象。可以看到它们对具体操作的实现清晰地表达了整体－部分的思路：Node_Layer把操作分散到各个子对象中，而Node_Tree则是老老实实作自己的事情。这便是一个最简单的层次体结构实现。一个简单的游戏和可能会如此使用上述代码：

class Node_Root : public Node_Layer {};

class Node_Player : public MapNode
{
public:

	virtual void cycle()
	{
		Update the state of the player...
	}

	virtual void draw( GraphicsContext& g )
	{
		Draw the player via g...
	}
};

Node_Root root;
Node_Player player;
Node_Tree tree;

root.addChild( &player );
root.addChild( &tree );

for(;;)
{
	root.cycle();
	root.draw( g );
}

我们建立了一个root类作为世界的根结点。然后生成了一个玩家和一棵树，都放进了场景里，接着进入了我们的游戏循环。还有比这更简单的么？

以该结构作为一个开始，开发者可以进行扩展。包括加入MapNode的共性成员：

位置

可见性标志

等等。对于非聚合类型的MapNode子类的设计，那就和你的游戏相关了。比如对于Node_Player来说，可以增加移动控制、生命、动画等等。这里提供的只是一种设计上的思路，而经过开发者的细节设计和扩展，该系统将发挥实际功效。

总结

上面我们介绍了层次体概念以及该结构的简单实现。它是一种优秀的地图系统、场景管理方法。不论是在2D还是3D中，都可以发挥巨大的威力。不论对于游戏开发初学者还是专家，在实际的游戏代码中你都会看到它的影子。因此，独立地考察和分析该系统对于开发者来说都是有很必要的。