Geomystery（几何迷城）的游戏引擎设计与实现

Posted 2020-10-04

 在这里介绍Geomystery（几何迷城）的游戏引擎设计与实现。

 

业务逻辑：
引擎采用模块化的MVC（Model模型，View视图，Controller控制）设计方式，这样有助于运用多种设计模式，便于日后的修改与维护。

M模型坐标系中的模型是被操作的对象，模型坐标系是被“显示坐标系”显示的单位。

V视图（显示坐标系）是模型在用户屏幕的一个投影，这也和显卡、显示器的工作原理有关。

C控制器操作某个逻辑坐标系模型A，或者每次操作后由控制器直接通知视图（显示坐标系）刷新模型A的投影a，或者由“监听器”（监听者模式）发现模型A被“更新（改变）”，之后通知视图（显示坐标系）刷新a。

 

显卡和显示器：

WIN2D封装了DirectX，在屏幕上一个区域（DC）显示一些静态内容，或者每隔一段时间（一般是1／60s，即60fps）在屏幕上的一个区域刷新显示一些内容。所以每次刷新，只需要遍历V视图（显示坐标系），把其中的内容呈现给用户，这样用户画线时的动态过程就可以被看到，同时用户改变程序窗口大小（刷新显示区DC）的操作也不会清空屏幕。

M	逻辑坐标系，系统坐标系
V	显示坐标系，视图坐标系，用户坐标系，用户屏幕
C	用户控制器，操纵杆

“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。不识庐山真面目，只缘身在此山中。”庐山只有一座，而在同一时刻，不同的人看庐山，能看到不同的庐山。所以对于一个“逻辑的”坐标系M，可能对应多个“显示的”坐标系V1V2V3V4，每个显示坐标系Vn都有自己的“操纵杆”Cn与控制器相连，他们都可以通过自己的操纵杆Cx操作自己看到的（其实是同一个）逻辑坐标系。于是，如果多个用户同时操作，就可能有冲突，需要使用操作系统学到的同步互斥方法，由于这次生产实习时间有限，所以这里简化一下，只有一个控制器，有一个主“屏幕”（视图显示坐标系），其他屏幕都是副屏幕，只能观察，没有操作功能。一个娃娃机有前后左右四块玻璃观察窗，但是只有一套操纵杆。

逻辑坐标系中的元素：

0，几何元素Geometry。几何元素有一个坐标系内唯一的编号（id），记录了自己的投影（们），记录了自己受谁影响rely，记录了自己影响谁influence。

几何元素分为点Point和点集合PointSet。

1，点就是一个逻辑点，关键属性是逻辑坐标XY。

2，点集是一个接口（interface），因为这款游戏是尺规作图，所以点集只分线（Line）和圆（Circle）

（为什么是Circle而不是Ellipse，因为圆规只能画圆，这里涉及到圆的定义方式，所以只提供圆工具，椭圆工具可以后续添加）

点集接口有一个交点List<Point2> IPointSet.Intersection(IPointSet another)函数需要后续实现

3，线分为线段射线直线，所以我们需要一个LineType来记录线的线型

 1 public enum LineType
 2     {
 3         //
 4         // 摘要:
 5         //     直线
 6         Straight = 0,
 7         //
 8         // 摘要:
 9         //     射线
10         Ray = 1,
11         //
12         // 摘要:
13         //     线段
14         Line = 2
15     }

public enum LineType

但是两点的定义方式并不够，（p1是第一个点，p2是第二个点），如果用户是过线（含延长线）和一点做的垂线，这个逻辑也需要体现，

所以我们需要一个LineRely来记录线的构造（生成）方式

 1 public enum LineRely
 2     {
 3         //
 4         // 摘要:
 5         //     常规方式，p1,p2两点确定一条直线
 6         Normal = 0,
 7         //
 8         // 摘要:
 9         //     垂线，依赖列表的一条线加上线上或者线外点p1，过p1作依赖点的垂线
10         Perpendicular = 1,
11         //
12         // 摘要:
13         //     垂直平分线，p1,p2两点连线的中垂线
14         PerpendicularBisector = 2,
15         //
16         // 摘要:
17         //     垂直平分线，p1,p2两点连线的中垂线
18         AngleBisector = 3,
19     }

public enum LineRely

与构造方式LineRely配套的需要一些属性（字段），比如垂线构造（三个点，一点一线），中垂线构造（两个点，一个线段），角平分线构造（三个点，两条射线）等方式

4，圆的构造就容易很多

两个点，一个是圆心，另一个是圆上的一点

（为什么不用半径，因为用户依靠鼠标的点击生成圆周上的点，而且这个点是圆的重要的控制点，所以后续半径需要计算生成）

 

视图坐标系中的元素：

一条逻辑线在一个坐标系中有几个像？是一个吗？不是。

在这个引擎中，视图坐标系中的元素是可以直接显示的，如果你画的线是一个线段（或者是一条射线），一条逻辑线就会有两个视图线，一条实线，一条虚线，先画虚线（延长线），在画实线。

视图坐标系中的元素都是几何体吗？不是。（注释和标签，待实现）

视图坐标系中可以放置OutputText

 1 /// <summary>
 2     /// 屏幕上的提示文本，或者是屏幕上元素的“名字标签”
 3     /// </summary>
 4     public class OutputText : ICanOutput
 5     {
 6         /// <summary>
 7         /// 文本内容
 8         /// </summary>
 9         public string text { get; set; }
10 
11         /// <summary>
12         /// 在屏幕上的窗体（canva）中，这个文本“写”在哪里
13         /// </summary>
14         public Vector2 viewPoint { get; set; }
15 
16         /// <summary>
17         /// 文字颜色
18         /// </summary>
19         public Color fontColor { get; set; }
20 
21         /// <summary>
22         /// 文字格式
23         /// </summary>
24         public CanvasTextFormat format { get; set; }
25 
26         /// <summary>
27         /// 这个文字是否是某个几何体的标签（名字）
28         /// </summary>
29         public Models.Geometry.Geometry rely { get; set; }
30     }

OutputText

文本没有”原像”（借用数学中函数的概念），但是有依赖，比如这个文本是一个点的标签，依赖保证了文本的坐标始终围绕在这个点一定范围周边，不能被拖动太远

 

两个方向的映射：逻辑到显示，显示到逻辑。

M逻辑坐标系是一张无限大的白纸

V视图坐标系是白纸上的一个矩形框，V中有两个关键的属性，向量vector，单位长度unitlength，

v是这样一个向量，由逻辑坐标系指向视图（现实）坐标系的“中心”

ul是逻辑坐标系的1单位长度相当于多少 DIP（DIP代表“器件独立像素”。这是可以与物理像素相同，大于或小于的虚拟化单元。）

 

映射有两种方式，

“左上角投影”：视图（现实）坐标系的“中心”在“屏幕”左上角，不关心屏幕的长宽

 1 // <summary>
 2         /// 逻辑坐标系到屏幕显示坐标系的转换（左上角模式）
 3         /// </summary>
 4         /// <param name="p2"></param>
 5         /// <returns>v2</returns>
 6         public Vector2 ToVector2Upper_Left_Corner(Point2 p2)
 7         {
 8             float x = p2.X - vector.X;
 9             float y = p2.Y - vector.Y;
10             x = x / unitLength;
11             y = -y / unitLength;
12             Vector2 v2 = new Vector2(x,y);
13             return v2;
14         }
15         /// <summary>
16         /// 屏幕显示坐标系到逻辑坐标的转换（左上角模式）
17         /// </summary>
18         /// <param name="v2"></param>
19         /// <returns>Point2 p2</returns>
20         public Point2 ToPoint2Upper_Left_Corner(Vector2 v2)
21         { 
22             Point2 p2 = new Point2() { X = (v2.X*unitLength+vector.X), Y = -(v2.Y*unitLength+vector.Y) };
23             return p2;
24         }

左上角是中心

 

“中心投影”：视图（现实）坐标系的“中心”在“屏幕”中心，需要知道屏幕的长和宽，然后减半

 1 /// <summary>
 2         /// 逻辑坐标系到屏幕显示坐标系的转换（中心模式）
 3         /// </summary>
 4         /// <param name="p2"></param>
 5         /// <returns>屏幕上的点</returns>
 6         public Vector2 ToVector2(Point2 p2)
 7         {
 8             Vector2 vop = new Vector2() { X = p2.X - vector.X, Y = vector.Y - p2.Y };
 9             //if (WindowHeight <= 0 || WindowWidth <= 0) throw new Exception("中心构造方式需要了解canvas画布的actual宽和高");
10             Vector2 half = new Vector2() { X = WindowWidth / 2, Y = WindowHeight / 2 };
11             Vector2 result = half + vop * unitLength;
12             return result;
13         }
14         /// <summary>
15         /// 屏幕显示坐标系到逻辑坐标的转换（中心模式）
16         /// </summary>
17         /// <param name="v2"></param>
18         /// <returns>逻辑坐标系中的点</returns>
19         public Point2 ToPoint2(Vector2 v2)
20         {
21             if (WindowHeight <= 0 || WindowWidth <= 0) throw new Exception("中心构造方式需要了解canvas画布的actual宽和高");
22             Vector2 half = new Vector2() { X = WindowWidth / 2, Y = WindowHeight / 2 };
23             Vector2 vop = (v2 - half) / unitLength;
24             Point2 p2 = new Point2() { X = (vop.X + vector.X), Y = -vop.Y + vector.Y };
25             return p2;
26         }

屏幕中心是中心

四种操作，“增删改查”：用户可能对一个几何体有定义（创建），移动，变形，删除等操作，这些操作都会被记录在操作栈中，这样用户可以撤销重做。查询操作主要包含在代码逻辑中，也是必不可少的。

“繁琐”的“绑定”：对于一个引擎的每一个“零件”，都应该记录丰富的信息，这种丰富可能是繁琐多余的，但是会给操作带来方便。
逻辑坐标系知道有多少用户在看自己（逻辑坐标系绑定显示坐标系（们）），显示坐标系知道自己看的是谁（显示坐标系绑定逻辑坐标系），逻辑坐标系知道自己里面有多少逻辑几何元素，每个逻辑几何元素知道自己在哪个逻辑坐标系中，视图坐标系知道自己里面有多少视图几何元素或其他，每个视图几何元素知道自己位于哪个视图坐标系中，每个逻辑几何元素知道自己有多少个视图几何元素，每个视图几何元素知道自己是哪个逻辑几何元素的“投影像”。