游戏离散仿真基础

3D游戏与编程（离散仿真基础）

游戏引擎

游戏引擎是一个专门设计给人们用来制作游戏的软件的开发环境，是一组游戏运行部件以及软件工具的集合。

游戏引擎的架构：

分为两个层次：

• 1. 游戏内容层 ：一组工具管理游戏需要的数据
• 2. 游戏引擎层 : 一组游戏运行部件，支撑游戏的运行和人机交互

现代游戏都是数据驱动的架构，即 游戏代码工作量一般不太大，游戏的行为、规则主要由数据驱动。

模板方法模式

模板方法（Template Method）:定义一个操作中的算法骨架，而将算法的一些步骤延迟到子类中，使得子类可以不改变该算法结构的
情况下重定义该算法的某些特定步骤。

游戏的循环实现非常复杂，而模板方法使得程序员在一般情况下仅仅需要关注游戏的对象Update即可。

游戏循环与多线程

游戏循环能且只能单线程完成，单CPU能力与GPU能力对游戏软件最重要。因为：

1. 窗口设备相关句柄不是多线程安全的。

2. 数据依赖关系的约束使得游戏资源创建、修改、渲染、卸载必须有序执行，例如Draw阶段被Draw的对象的属性
不能改变，即与Update阶段不能同时进行。

离散仿真与离散事件仿真

系统状态变化可能是离散的、也可能是连续的，
但游戏程序只能在离散的点上计算游戏对象

离散仿真

为了研究系统动态，事件被分成若干小的时间片，系统状态被这段时间内发生的系列活动而改变。

- 时间轴
为了解释或预测系统变化的规律，必须选择合适的时间轴并在上选择一组点观察或记录系统状态。
1. 游戏时间-虚拟世界的时间系统，如：石器时代、铁器时代、火器时代、太空时代。
2. 渲染时间-游戏引擎的时间系统，通常用Tick表示从游戏开始游戏循环的次数。

- FPS（Frames PerSecond） 视频游戏最重要的概念
它是每秒钟游戏循环执行DrawGameObjects的次数。如果低于30次/s，玩家会感觉明显的动作不流畅。
- 在特定性能机器上，它是评价游戏优化的指标
- 在不同机器上，它是机器游戏性能的综合指标
- 系统状态
某一时刻，系统中所有对象、及其属性与关联

- 问题：

• 跳帧。 UpdateGameObjects或DrawGameObjects花费的时间过多，就会产生帧间隔超出给定时间的问题。

• 穿越。 可能失去两次计算之间的存在的重要的状态。

离散事件仿真（Discrete Event Simulation，缩写为DES）

为了研究系统动态，系统中对象处理在内部（如对象状态改变产生时间）、外部事件、并在事件
处理过程中进一步引发系统状态改变产生系统事件。与离散仿真不同，我们是在特定事件中观察并改变系统状态。

作业内容

1. 简答题

- 解释游戏对象（GameObjects）和资源（Assets）的区别与联系。

基本概念：

• 游戏对象（GameObjects）,游戏程序空间中的事物，可能是Empty（空，最有用的事物）、2D、3D、光线、摄像机等

  • GameObject： Unity场景中所有实体的基类
  • Component：能附加到游戏对象的部件的基类
  • Componet的各种子类。包括空间与变换部件Transform、各种渲染部件Reander，脚本部件MonoBehaviour的子类等等。

  

  游戏对象一般不能被继承且组合优于继承

• 游戏资源（Assets），构造游戏对象、装饰游戏对象、配置游戏的物体和数据。即序列化的或存储格式的游戏对象或数据

两者之间的联系：

对象一般是一些资源的集合体，是资源整合的具体表示。资源可以被多个对象使用。资源可以作为模板，实例化游戏对象。
例如游戏对象可以为玩家、敌人和环境等等，而资源可组成游戏中所有的对象，一般包括声音，脚本和材质等。

- 下载几个游戏案列，分别总结资源、对象组织的结构（指资源的目录组织结构与游戏对象书的层次结构）

资源的目录组织结构主要文件、材质、模型、预制、场景、脚本、标准资源（图片、游戏需要用到的音乐等等）这几个部分。游戏对象树就如同Windows的文件资源管理一样，树目录结构：一个游戏对象（文件夹）包含多个子对象（子文件夹），子对象（子文件夹）又可以继续包含多个子对象（子文件夹）。

    
    

- 编写一个代码，使用debug语句来验证MonoBehaviour基本行为或事件触发的条件

• 基本行为包括Awake() Start() Update() FixedUpdate() LateUpdate()
• 常用事件包括OnGUI() OnDisable() OnEnable()

      

Awake()：当前控制的脚本实例被装载的时候调用。在测试中只调用了一次。一般用于初始化整个实例。

Start():当前的控制脚本第一次执行Update之前调用。

Update():每帧都执行一次，是最常用的事件函数。

FixedUpdat()：每固定帧绘制时执行一次，和Update不同的时FixedUpdate是渲染帧执行，如果你的渲染效率低下的时候FixedUpdate的调用次数就会减少。

LateUpdate()：在每帧执行完毕后调用，并且在所有Update结束后调用。

OnEnale():当对象变为可用或激活状态时此函数被调用。

OnDisable():当对象变为不可用或非激活状态时此函数被调用。当物体被销毁时它被调用，并且可用于清理任意代码。

OnGUI():绘制GUI时触发，一般在这个函数里绘制GUI菜单。

- 查找脚本手册，了解GameObject，Transform，Component对象

• 分别翻译官方对三个对象的描述（Description）

  GameObject

  

  • 翻译：Unity场景中所有实体的基类

  Transform

  

  • 翻译：一个对象的位置，是否旋转和它的规模

  Component

  

  • 翻译：一切附加到游戏物体的基类

- 描述下图中table对象（实体）的属性、table的Transform属性、table部件

      

1. 第一个选择框是activeSelf：可以定义对象的名称，动静态等属性
2. 第二个选择框是Transform：可以定义对象的位置、面向方向、大小
3. 第三个选择框是Box Collider：可以调整坐标系的位置、大小
4. 第四个选择框是Component：可以给对象增加行动

• 用UML图描述三者的关系（请使用UMLet 14.1.1 stand-alone版本出图）
  

- 资源预设（Prefabs）与对象克隆（clone）

• 预设（Prefabs）有什么好处？

预设可以提前将游戏设计中所需要的游戏对象进行设计打包，成为一个模板。在设计过程中，随时可以直接从Assets当中加载，成为一个游戏对象。
预设的存在，方便了面向对象思想的应用，方便我们在设计游戏中更加便捷。预设可以放入到多个场景中，而且在每个场景中能够使用多次。
所有预设实例都会链接到原始的预设，实质上是原始预设的克隆。

• 预设与对象克隆(clone or copy or Instantiate of Unity Object)关系？

在Unity3D中。主要有两种方法快速复制出游戏对象

1. 克隆游戏对象
2. 创建预制

两者的区别：

1. 克隆游戏对象需要当前场景中存在被克隆的对象，而创建预制秩序事先创建预制即可，即允许场景中一开始不存在该游戏对象。
2. 克隆出来的游戏对象并不会随着被克隆体的变化而变化。但是由于所有预设实例都会连接到原始的预设，使用预设创建出啦的对象会随着预设的改变而发生改变。

• 制作table预制，写一段代码将table预制资源实例化成游戏对象

脚本挂载到空对象上后，产生了table(clone)

2.编程实践，小游戏

• 游戏内容： 井字棋 或 贷款计算器 或 简单计算器 等等
• 技术限制： 仅允许使用 IMGUI 构建 UI
• 作业目的：
  • 了解 OnGUI() 事件，提升 debug 能力
  • 提升阅读 API 文档能力

井字棋

• 脚本的结构：

• 游戏效果：

• 脚本传送门