Flappybird（基于Unity）修改与完善

项目分析

在引擎中运行原游戏

这是一个经典的游戏Flappy Bird。在游戏中，我们需要点击空格键来使角色向上飞行来避开管道（障碍物），而不让小鸟碰到这些障碍物或飞出屏幕。

游戏实现原理分析

在Flappy Bird游戏中，有多种判定需要实现，包括小鸟和障碍物的碰撞判定、小鸟飞出屏幕的判定以及得分的计算判定。

通过阅读源代码，我分析出游戏中各项主要判定的实现方式如下：

1. 小鸟和障碍物的碰撞判定：该判定需要检测小鸟是否与障碍物发生碰撞。实现方法是使用矩形碰撞检测。具体来说，将小鸟和障碍物分别添加矩形碰撞箱，并检测它们是否有重叠部分。如果有重叠部分，则判定为碰撞发生。
2. 小鸟飞出屏幕的判定：该判定需要检测小鸟是否已经飞出了屏幕。实现方法是检测小鸟的纵坐标是否超出了屏幕的上下边界。
3. 得分的计算判定：该判定需要检测小鸟是否成功通过了一组障碍物，并进行得分的计算。在此，游戏在管道中单独添加了无实体的碰撞箱，小鸟的碰撞体积与该碰撞箱接触后，通过Logic Manger使得分计数器加一。

探索可能的问题

问题1：帧率判定问题

问题1概述

首先，在我调试游戏时，我发现游戏并没有设定运行帧数的限制，而在这样简单的游戏中，unity引擎往往会以很高的帧率来运行它。查看game status，发现果然如此。FPS数值在400-1200间波动。

在Unity中，所有的Update脚本都是按帧运行的。因此，如果帧率极高而且不稳定，游戏中的变化将非常快，而且没有固定的时间间隔。这使得我们难以与游戏进行交互。

这里有一个简单的验证，加入我们把movespeed调成引擎中常规的数值（比如5这样的个位数），我们可以发现在极短的时间内，游戏中管道就已经移到x轴的-10000左右的位置，完全没有反应时间，游戏就已经失败了。

原游戏中为了使游戏运行起来，只能将movespeed设定为一个极低的数据，才使得游戏能正常运行（玩家能看见管道缓慢移动）。

这或许是最简单的解决方法，但它是极不合理的。通常Unity中的数据有一个较为统一的范围，使得每个数据都能和其他数据互动、运算、判定。这样极小的数据显然可互动性极差，导致后续设及移动有关的数据都需要做预处理。

这还会导致一个更为严重的问题，也是在其他项目中实际出现过的问题，“帧数跳过”（Frame Skipping）。具体而言，当游戏运行在高帧数（例如120帧每秒）或者帧数不稳定时，游戏伤害判定数值会有多次浮动。这是因为游戏的代码基于帧判定，确并没有运行在一个相对稳定的帧数、也没有对代码进行限制，导致游戏引擎快速跳过了一些帧，使得碰撞被多次判定。

游戏引擎使用的是时间步长（Time Step）机制来控制游戏中的时间流逝。时间步长是指游戏引擎在每一帧中处理游戏逻辑的时间长度，例如，如果时间步长为0.016秒，那么游戏引擎每16毫秒处理一次游戏逻辑。

在游戏中，许多动作都是基于时间步长来计算的，例如角色移动、怪物攻击等。当游戏引擎的帧率很低（例如30帧每秒）时，时间步长会相应地增加，以确保游戏逻辑在一定时间内得到处理。而当游戏引擎的帧率很高（例如120帧每秒）时，时间步长会相应地减少，以确保游戏逻辑能够在更短的时间内得到处理。

问题1的解决

这里，我选择了引入Time.deltaTime 来解决这个问题。通过查阅Unity引擎开发文档中时间和帧速率管理，我找到了这个解决方案。在Unity引擎中，DeltaTime是一个代表自上一帧（Frame）到当前帧所花费的时间的变量。它通常被用于控制游戏对象的移动速度、动画、物理模拟等。如果deltaTime的值在一帧之内非常小，那么游戏对象的移动速度将减慢，从而使游戏变得更加平稳。优化游戏的帧率和交互性是非常重要的，这样玩家才能够享受到游戏的乐趣并获得更好的游戏体验。

间而言之，从上一帧到当前帧的间隔Unity 可能每帧多次调用它。而deltaTime函数能使脚本基于具体时间判定而非帧。

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原代码如下：

// Update is called once per frame
    void Update()
    {
        transform.position = transform.position + (Vector3.left * moveSpeed);
        
    }

修改后代码如下：

public class PipeMoveScript : MonoBehaviour
{
    public float moveSpeed = 5;
    public float deadZone = -45;

    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        transform.position = transform.position + (Vector3.left * moveSpeed)*Time.deltaTime;
        
    }
}

💡 上述代码中，我们在每一帧更新游戏对象的位置，使其向右移动speed个单位，并乘以DeltaTime以确保游戏对象移动的速度相对于帧率是恒定的。

解决方式检验

我们可以看到，即使movespeed常规设定，管道移动速度也变得合理。

问题2：资源占用问题

问题2概述

在运行游戏时，我们可以发现左侧场景栏中的游戏对象（Game Object）会随着时间的推移不断增多，逐渐占用硬件资源，而且这个过程是无限的。也就是说，当游戏进行到一定时间后，必然因场景内资源堆积过多而卡顿，然后崩溃。

在Unity中，当不再需要一个GameObject或其他资源时，它们通常会保留在内存中，这会占用计算机的资源并可能导致应用程序性能下降。因此，需要主动删除这些废弃资源，保证程序可运行性。

问题2的解决

而在实际的游戏过程中，我们只需要显示在屏幕范围内的管道存在即可。阅读游戏代码可发现，管道的产生原理是在屏幕右边生成然后向左边移动。也就是说，如果想要解决资源占用问题，我们只需要销毁已经从左侧移出画面的管道即可。

查阅Unity开发文档，我发现有两种销毁资源的方式，手动删除或是使用Unity的垃圾回收机制来自动销毁它们。

💡 Unity的垃圾回收机制会自动处理一些废弃资源，如未使用的材质、纹理、音频和视频剪辑等。但是，一些资源，如未使用的游戏对象、未释放的内存、未关闭的文件句柄等，需要你手动销毁。

对于本项目中的管道对象，由于此处判定过的管道不存在复用的可能，我选择使用Destory函数，在帧结束后销毁游戏对象。在产生管道的代码中，将每个管道对象添加到一个列表中，并在管道移动到屏幕左侧时，将其标记为一次性资源并设置销毁时间。这样，我们就可以避免不必要的资源占用并保证游戏的性能和稳定性。

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原代码如下：

public class PipeMoveScript : MonoBehaviour
{
    public float moveSpeed = 5;

    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        transform.position = transform.position + (Vector3.left * moveSpeed)*Time.deltaTime;
    }
}

修改后代码如下：

public class PipeMoveScript : MonoBehaviour
{
    public float moveSpeed = 5;
    public float deleteSpace = -45;

    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        transform.position = transform.position + (Vector3.left * moveSpeed)*Time.deltaTime;
        
        if (transform.position.x<deleteSpace)
        {
            Destroy(gameObject);
        }
    }
}

解决方式检验

在删除函数中加入Debug语句。这样一来，我们可以清楚的看到超过一定范围的管道被销毁了，管道数量稳定在个位数。

总结

以上，就是我游玩了Github上开源的FlappyBird游戏，并结合源代码找到的两个问题：帧率同步和资源占用，以及解决方案。我总共做了这些：

1. 通过多次游玩原游戏来测试，搞清楚游戏的运行机制与判定方法，同时通过以往的游戏经验来思考可能存在的问题。
2. 查看游戏在Unity引擎中的运行状态以及源代码，确定具体问题。
3. 翻阅Unity开发文档，浏览开发者社区，寻找可行的解决问题方向。

在探索软件缺陷与二次开发的过程中，我具体使用了以下解决方案：

1. 针对Unity中Update脚本的运行机制，我引入了Time.deltaTime来解决，这个变量代表自上一帧到当前帧所花费的时间，可以用于控制游戏对象的移动速度、动画、物理模拟等。
2. 针对游戏对象会随着时间的推移不断增多，逐渐占用硬件资源问题，我选择了自动销毁已经从左侧移出画面的管道，以保证游戏的性能和稳定性。

当然，如果要实际完善这款游戏到可发行的程度，它还有许多地方可以修改。这次实践，我主要是为了探索与思考寻找软件缺陷与尝试二次开发的流程。我修改了原游戏中较为严重的问题，使游戏更有可玩性和流畅运行。在此过程中，我学习了软件开发的有效流程，并实际解决了问题，总而言之，收获颇丰。

参考资料：

原Unity程序：https://github.com/Britishgaming/GMTK-Unity-Tutorial
Unity开发文档参考部分：https://docs.unity3d.com/ScriptReference/Time-deltaTime.html
Debug：https://docs.unity3d.com/ScriptReference/Debug.html
参考书籍：Level Up! The Guide to Great Video Game Design
Frame Skipping在NVIDIA社区中：https://www.nvidia.com/en-us/geforce/forums/gaming-pcs/8/274795/frame-skipping-on-good-computer/