一个使用 OpenGL 以及 C++开发的三维图形游戏。实现了碰撞检测、Phong 光照模型、粒子模型等。
该项目用于中南大学地理信息系《GIS图形算法基础》课程设计，仅供学习交流使用。
该项目release版本已上传，若想测试/使用，可以下载后按提示运行。
GIS图形算法基础课程大作业
《CSU校徽收集者》3D游戏开发技术报告
班级： 地信1801
小组成员表
| 刘乐 | xxxxxxx |
|---|---|
| 孙瑞阳 | xxxxxxx |
| 杨杰 | xxxxxxx |
| 李红 | xxxxxxx |
指导： 邓 浩
2020年12月29日
目录
本游戏基于OpenGL实现。该游戏具有两个模式，分别为“收集”模式和“迷宫”模式。收集模式需控制角色前往地图中随机出现的logo进行收集，集齐5个即赢得游戏；迷宫模式需控制角色前往地图终点即可获胜。
该游戏地图可自定义，地图文件及规则存放于“resource/maps”文件夹中，玩家可按照提示通过记事本等文本编辑器对地图进行自定义。
摄像机、天空盒、自转透明光照logo、碰撞检测、
跳跃重力模拟、鹰眼地图、粒子特效。
| Platform | Windows 10 x64 |
|---|---|
| IDE | Visual Studio 2017 |
| Graphics rendering | OpenGL |
| Language | C++ |
当前项目主要使用的库如下：
| 名称 | 功能 |
|---|---|
| glfw | 创建OpenGL上下文，定义窗口参数以及处理用户输入 |
| glad | 管理OpenGL的函数指针 |
| stb_image.h | 加载纹理及现纹理映射等 |
| glm | 用于向量、矩阵运算 |
本《CSU校徽收集者》3D游戏共分为两个游戏模式：“校徽收集”模式和“迷宫”模式。玩家进入运行主界面后可以自由通过键盘按键选择游戏模式。
**“收集”模式中，**玩家需通过键盘按键控制角色方向及跳跃等动作，使得玩家能够前往地图中随机出现的CSU校徽logo处，通过触碰CSU校徽logo进行收集，在此游戏模式下，若玩家集齐5个CSU校徽logo即赢得游戏，当前已收集校徽显示在左上角。具体操作如下表格所示：
| 角色向前：W键 角色向后：A键 角色向左：S键 角色向右：D键 角色跳跃：空格键 返回主界面：Esc键 鼠标脱离\捕获:Tab | |
|---|---|
 |
**“迷宫”模式中，**玩家需通过键盘按键控制角色前进方向，在右上角鹰眼地图中玩家可以查看整个游戏世界平面地图、当前角色所在位置以及终点位置，控制角色前往地图终点即可获胜，具体操作如下表格所示：
| 角色向前：W键 角色向后：A键 角色向左：S键 角色向右：D键 角色跳跃：空格键 返回主界面：Esc键 鼠标脱离\捕获:Tab | |
|---|---|
 |
| 类名称 | 主要功能 |
|---|---|
| 立方体类Cube | 该类主要用于绘制地图方块以及天空盒 |
| 校徽logo类CSUlogo | 该类用于绘制各类和logo相关的图案 |
| 方形类Square | 该类主要用于绘制鹰眼地图 |
| 资源管理类resource_manager | 该类主要对纹理、游戏地图、着色器进行统一管理 |
| 纹理工具类Texture | 该类用于读取2D纹理、立方体贴图纹理 |
| 着色器类shader | 该类用于读取构造着色器 |
| 摄像机类camera | 该类用于控制视点移动 |
| 物理引擎类PhysicsEngine | 该类实现碰撞检测以及模拟物理跳跃及重力 |
| 游戏地图类GameMap | 该类用于读取地图数组以及其他地图相关功能 |
| 游戏场景绘制类GameSceneRender | 该类对游戏场景绘制进行统一管理控制 |
| 粒子系统类ParticleSystem | 该类模拟了粒子系统并产生粒子数组 |
本游戏所实现碰撞检测及处理机制在AABB 碰撞的基础上针对问题特点进行了特殊化。因为本游戏将世界抽象成离散立方体，立方体边长为1，且中心都处于整数格点上。
（1**）粗略脚定位**
首先获取角色的脚所在方格，可以简单地通过对坐标四舍五入取整得到。
（2**）邻域可进入性判断**
然后判断当前方格的八邻域内，哪些可进入，即八邻域的方块哪些比脚所在方块矮。将结果存储在bool数组里。
（3**）精细脚定位**
将XZ平面上的每个方格都可再划分为8个区域，中间区域是0.6*0.6的正方形。该划分是为了解决视点太过贴近障碍物以及偶现的穿模问题。当前方不可进入时，则1000，1001，1010的区域均不可进入，以此类推。
（4**）XZ****平面碰撞判断及处理**
依据之前的精定位以及对邻域的可进入性的判断，对XZ平面上的碰撞进行检测及处理。当边领域不可进入时，对应的精定位的边同样不可进入，若进入，则将其移到0x00区域的边缘。对待角邻域的处理则还需判断当前X、Z哪一分量更大，然后对较小分量进行处理。
（5**）Y****方向碰撞判断及处理**
由于角色需要跳跃，并且受到重力作用，即考虑到角色的三维运动。因此还需对Y方向进行碰撞检测。该过程较简单，仅需要判断角色的脚的高度是否高于地面高度即可。若小于地面高度，则将其Y方向速度重置为0，并取消跳跃状态。
（6**）跳跃及重力模拟**
模拟重力，只需要每一帧对角色的Y方向速度及Y位置进行更新即可。模拟跳跃，即在跳跃的瞬间给角色一向上的初速度即可实现。
为了在收集到图标时，给玩家视觉反馈，我们在玩家收集到校徽后在校徽的位置生成若干随机方向的小校徽，随后，这些校徽做斜上抛运动四散开来，并随着时间流逝消亡。特效如图。
（1**）定义粒子属性**
首先需要定义粒子的结构体。粒子有其位置、速度、大小、旋转角度、寿命、年龄等等，但其中每个粒子有差异的是位置、速度、旋转角度、寿命。因此只需要存储这些属性以节省空间。
（2**）初始化参数并产生随机粒子**
随机产生指定数量的随机方向、随机寿命以及随机角度的的粒子，然后使用动态数组进行保存。
（3**）每帧更新粒子状态**
每一帧需要对粒子的位置、速度、旋转角度、年龄进行更新，并将消亡的粒子从粒子数组中移除。
由于迷宫具有一定难度，如若没有地图指示，很难走出迷宫。因此需要绘制鹰眼地图，降低玩家的通关难度，提升游戏体验。
（1**）构建正方形类**
首先需要构造一个能绘制正方形的类，该类存储正方形的顶点，并生成顶点缓存对象。该部分代码见项目Square.h。
（2**）根据传入位置绘制小方块**
先对其进行平移，确定根据地图的XZ坐标确定每个正方形的相对位置，再缩放使其能显示在窗口中，再进行整体平移，将小地图平移到左上角。由于旋转，平移，缩放等变换都为左乘，所以代码顺序应当为整体平移，再缩放，再相对平移。为了防止正方形边界连在一起，实际上在着色器里还有一个缩放变换。
（3**）循环遍历绘制**
首先循环遍历绘制地图方块，然后绘制目标和当前位置。在绘制时为了保证小地图不会被深度测试剔除，将深度测试方法设置为“GL_ALWAYS”。
（1**）透明的实现**
首先需要加载RGBA图片透明纹理，在加载纹理时需要将其设置为“GL_RGBA”。然后在着色器中忽略透明像素的渲染即可。也可开启透明测试，但需要保证透明的物体最后绘制。
（2**）自转的实现**
首先应当设定一个随时间自增的旋转角度，然后对图形进行一个按y轴进行旋转的几何变换即可。
（3**）光照的实现**
由于在一个广阔环境中，为了增加真实感，本光照将实验中所用点光源改为平行光源。为了保证两面相同（不考虑背面不受光），可以对点乘结果取绝对值。
为了更方便地对立方体不同面进行纹理映射，OpenGL提供了CUBE_MAP纹理对象。
（1**）读取CUBE_MAP****纹理对象。**
（2**）绘制天空盒**
天空盒实际就是将视点置身于一个带有纹理贴图的立方体之中。为了防止在深度测试时，该立方体遮挡其他图案，修改深度测试函数为“GL_LEQUAL”；为了让天空盒以玩家为中心的，使得不论玩家移动了多远，天空盒都不会变近，让玩家产生周围环境非常大的印象，将其观察矩阵中的位移部分去除。
实际开发中遇到很多问题，无法一一列举，在此选取部分问题。
l 仅使用粗定位进行碰撞检测时，出现对角线穿模、“看穿”模型等bug
**解决方法：**在粗定位的基础上，模仿图形算法所学Cohen-Sutherland的编码规则，将角色所在方格进行精定位，并根据邻域可进入性确定禁区，从而达到更好的碰撞检测效果。
l 加载四通道RGBA格式图片作为纹理时，会出现像素错乱。
**解决方法：**在调用glTexImage2D时，设置图片格式为GL_RGBA。
1. glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, Image_Format, Width, Height, 0, Image_Format, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
l 绘制小地图时，无法保证小地图始终出现在最前方。
**解决方法：**绘制小地图前，将深度测试函数修改为“GL_ALWAYS”，即可使其在深度测试时始终绘制。
l 程序运行后窗口位置随机，有时不能居中；并且弹出控制台窗口，影响美观。
解决方法：
可以使用以下代码设置窗口居中
弹出控制台窗口是因为建立的项目为win32控制台程序。可以将release版本的项目设置为窗口，这样相当于切换为win32程序，相应的，程序的入口也要进行修改。
本游戏实际上是实现了一个较为通用的框架，后续可以在这个框架中加入其它模式，或是借鉴本游戏中源码，开发其它游戏。
以下是一些未实现的想法：
加入射击模式：
首先设置枪械和手臂的贴图，使其深度测试函数设置为“GL_ALWAYS”;
然后当鼠标点击时，通过摄像机方向和视点位置反推出鼠标点击处的目标，对目标进行相应处理。
地图编辑模式：
玩家在游戏中可类似于《我的世界》那样对地图方块进行放置和销毁，修改后的地图还可再进行保存到文件。
根据DEM****栅格数据生成地图：
当前版本的地图通过读取txt文本文件生成，玩家可以按照格式进行地图的自定义。后续可以考虑读取DEM栅格数据来生成地图。但这样会造成地图过大、高程太大影响性能。地图太大，可以在绘制时只绘制近处且在当前视角范围内的地图；高程太大可以只绘制某地块比地块邻域高的那一部分，从而减少绘制地块的数量。
迷宫模式改进：
当前的迷宫模式中，由于鹰眼地图的存在大大减小了迷宫的难度。后续可考虑增加鹰眼地图的迷雾显示，甚至不显示，只显示玩家的方向，并给玩家几个可以“贴”在地面上的logo，玩家通过自己“贴”的logo来判断是否到过此处。
一三人称视角切换：
当前游戏为第一人称视角，视野受到较大的限制，后续可以模拟出角色实体，从而开启第三人称模式、上帝模式等等。