3D游戏编程与设计2——离散仿真引擎基础

2023-10-31

一、简答题

1. 解释游戏对象（GameObjects）和资源（Assets）的区别和联系。

游戏对象（GameObjects）：指的是游戏中代表人物、道具和场景的基本对象，它们直接出现在游戏场景中，是游戏场景的基本组成部分，是资源整合的具体表现。例如玩家、敌人、游戏场景、NPC等，游戏对象是一种容器。通过向其中加入不同的组件，可以获得具有不同外观和行为的游戏对象。
资源（Assests）：指的是能应用在游戏中的素材，通常包含脚本（Scripts）、预设（Prefabs）、场景（Scences）、声音等。资源可以作为模板，可实例化成游戏中具体的对象，能够被多个游戏对象使用。

2. 下载几个游戏案例，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树的层次结构）

资源的目录组织结构：主要包括游戏对象、预设、场景、脚本、声音、图像、材质等。
游戏对象树的层次结构：包含了每一个当前场景的游戏对象，类似于多个父子继承关系。当在场景中增加或删除对象，层次结构视图中相应的对象则会出现或消失。

3. 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()

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class NewBehaviourScript : MonoBehaviour
{
    void Awake()
    {
        Debug.Log("Awake!");
    }
    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        Debug.Log("Start!");
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        Debug.Log("Update!");
    }
    void FixedUpdate()
    {
        Debug.Log("FixedUpadate!");   
    }
    void LateUpdate()
    {
        Debug.Log("LateUpdate!");    
    }

    void OnGUI()
    {
        Debug.Log("OnGUI!");
    }
    void OnDisable()
    {
        Debug.Log("OnDisable!");
    }
    void OnEnable()
    {
        Debug.Log("OnEnable!");
    }
}

4. 查找脚本手册，了解 GameObject，Transform，Component 对象

① 分别翻译官方对三个对象的描述（Description）

GameObject 是 Unity 中代表人物、道具和场景的的基本对象。它们本身并没有完成多少工作，但是它们充当组件的容器，实现具体的功能。
Transform 是对象的位置、旋转和比例。场景中的每个对象都有一个变换，它用于存储和操作对象的位置、旋转和缩放。每个变换都可以有一个父类，它允许分层次地应用位置、旋转和缩放。
Component 是游戏中对象和行为的细节，是用来绑定到游戏对象上的一组相关属性。它是每个游戏对象的功能部分，本质上是一个类的实例。

② 描述下图中 table 对象（实体）的属性、table 的 Transform 的属性、table 的部件。

本题目要求是把可视化图形编程界面与 Unity API 对应起来，当你在 Inspector 面板上每一个内容，应该知道对应 API。
例如：table 的对象是 GameObject，第一个选择框是 activeSelf 属性。

table 的对象是 GameObject，第一个选择框是 activeSelf 属性，第二个文本框是对象名称，第三个选择框是 static 属性。第二行是 Tag 属性和 Layer 属性，第三行是 Prefab 属性。
Transform 属性包括 Position，Rotation，Scale 属性。Component 对象有 Transform，Cube（Mesh Filter），Box Collider，Mesh Renderer。

③ 用 UML 图描述三者的关系

在这里插入图片描述

5. 整理相关学习资料，编写简单代码验证一下技术的实现：

查找对象
通过对象名称查找：public static GameObject Find(string name)
通过标签查找单个对象：public static GameObject FindWithTag(string tag)
通过标签查找多个对象：public static GameObject[] FindGameObjectsWithTags(string tag)
添加子对象
public static GameObject CreatePrimitive(Primitive Typetype)
遍历对象树
foreach(Transform child in transform) { Debug.Log(child.gameObject); };
清除所有子对象
foreach(Transform child in transform) { Destroy(child.gameObject); }

        //查找对象
        var cube = GameObject.Find("chair1"); //通过对象名称查找
        if (cube != null)
        {
            Debug.Log("Find chair1");
        }
        var sphere = GameObject.FindWithTag("Sphere"); //通过标签查找
        if (sphere != null)
        {
            Debug.Log("Find Sphere");
        }

        //添加子对象
        GameObject cube_temp = GameObject.CreatePrimitive(PrimitiveType.Cube);
        cube_temp.transform.parent = cube.transform;
        cube_temp.transform.position = new Vector3(2, 2, 1);

        //遍历对象树
        foreach(Transform child in transform)
        {
            Debug.Log(child.gameObject);
        }

        //清除所有子对象
        foreach(Transform child in transform)
        {
            Destroy(child.gameObject);
        }

6. 资源预设（Prefabs）与对象克隆（clone）

预设（Prefabs）有什么好处？
资源预设能够预制好包含完整组件和属性的游戏对象，相当于一个类模板。预设使对象和资源能够重复利用，能够提高效率，方便迅速创建大量相同属性的对象，降低出错的概率。
预设与对象克隆（clone or copy or Instantiate of Unity Object）关系？
修改预设，所有通过预设实例化的游戏对象会发生相应的变化；而对象克隆只是对对象的复制，新对象与克隆本体之间没有关联，不会相互影响。
制作 table 预制，写一段代码将 table 预制资源实例化成游戏对象

    void Start()
    {
        GameObject objPrefab = (GameObject)Resources.Load("table");
        Instantiate(objPrefab);
        objPrefab.transform.position = new Vector3(3, 3, 3);
    }

二、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

项目地址
完成效果图
实现过程

成员变量：

    private int turn = 1; //记录是谁的回合，turn为1是圈的回合，-1是叉的回合
    private int result = 0; //游戏进行中为0，圈赢为1，叉赢为2，平局为3
    private int[,] state = new int[3, 3]; 
    //0代表未下棋，1代表格子里是圈，2代表格子里是叉

    public Texture2D img;
    public Texture2D img1;
    public Texture2D img2;

声明三个私有变量，turn 记录是谁的回合，result 记录游戏结果，state 记录井字棋状态。img 为背景图片，img1 代表圈，img2 代表叉。

初始化：

    void Reset()
    {
        turn = 1;
        result = 0;
        for(int i = 0; i < 3; i++)
        {
            for(int j = 0; j < 3; j++)
            {
                state[i, j] = 0;
            }
        }
        Debug.Log("Reset");
    }

显示井字棋和下棋的逻辑实现：

        for(int i = 0; i < 3; i++)
        {
            for(int j = 0; j < 3; j++)
            {
                if (state[i, j] == 1) //圈
                {
                    GUI.Button(new Rect(200 + i * 50, 170 + j * 50, 50, 50), img1);
                }
                else if (state[i, j] == 2) //叉
                {
                    GUI.Button(new Rect(200 + i * 50, 170 + j * 50, 50, 50), img2);
                }
                if(GUI.Button(new Rect(200 + i * 50, 170 + j * 50, 50, 50), ""))
                {
                    if(result == 0) //游戏进行中
                    {
                        if (turn == 1) //圈的回合
                        {
                            state[i, j] = 1;
                        }
                        else //叉的回合
                        {
                            state[i, j] = 2;
                        }
                        turn = -turn;
                    }
                }
            }
        }

通过 OnGUI 的方法生成井字棋。圈下棋的位置 state[i][j] 值为1，叉下棋的位置 state[i][j] 值为2。游戏进行中，state[i][j] 值为0且按钮被点击时，就将对应的值赋为1或2。

判断游戏结果：

    int check()
    {
        //横向连线
        for(int i = 0; i < 3; i++)
        {
            if (state[i, 0] != 0 && state[i, 0] == state[i, 1] && state[i, 1] == state[i, 2])
            {
                return state[i, 0];
            }
        }

        //纵向连线
        for(int j = 0; j < 3; j++)
        {
            if (state[0, j] != 0 && state[0, j] == state[1, j] && state[1, j] == state[2, j])
            {
                return state[0, j];
            }
        }

        //斜向连线
        if(state[1, 1] != 0 &&
            state[0, 0] == state[1, 1] && state[1, 1] == state[2,2] ||
            state[0, 2] == state[1, 1] && state[1, 1] == state[2, 0])
        {
            return state[1, 1];
        }

        for(int i = 0; i < 3; i++)
        {
            for(int j = 0; j < 3; j++)
            {
                if (state[i, j] == 0)
                {
                    return 0;
                }
            }
        }

        return 3;
    }

检查是否游戏结束，若返回0则代表游戏仍在进行中，返回1则表示圈赢，返回2则表示叉赢，返回3则表示平局。
4. 完整代码

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class TicTacToe : MonoBehaviour
{
    private int turn = 1; //记录是谁的回合，turn为1是圈的回合，-1是叉的回合
    private int result = 0; //游戏进行中为0，圈赢为1，叉赢为2，平局为3
    private int[,] state = new int[3, 3]; 
    //0代表未下棋，1代表格子里是圈，2代表格子里是叉

    public Texture2D img;
    public Texture2D img1;
    public Texture2D img2;

    void Start()
    {
        Reset(); //初始化
    }

    void OnGUI()
    {
        GUIStyle fontStyle = new GUIStyle();
        fontStyle.normal.background = img; //设置背景图片

        //Welcome style
        GUIStyle fontStyle1 = new GUIStyle();
        fontStyle1.normal.textColor = new Color(1, 1, 0); //设置字体颜色
        fontStyle1.fontSize = 40; //设置字体大小

        //result style
        GUIStyle fontStyle2 = new GUIStyle();
        fontStyle2.normal.textColor = new Color(1, 0, 1);
        fontStyle2.fontSize = 40;

        GUI.Label(new Rect(0, 0, Screen.width, Screen.height), "", fontStyle);//background
        GUI.Label(new Rect(100, 100, 100, 100), "Welcome to Tic Tac Toe!", fontStyle1);
        GUI.Label(new Rect(50, 150, 200, 100), img1);
        GUI.Label(new Rect(400, 150, 200, 100), img2);

        if (GUI.Button(new Rect(220, 335, 100, 50), "RESET"))
        {
            Reset();
        }

        result = check(); //检查哪一方胜利
        if (result == 1)
        {
            GUI.Label(new Rect(400, 250, 100, 50), "Mario wins!", fontStyle2);
        }
        else if (result == 2)
        {
            GUI.Label(new Rect(400, 250, 100, 50), "Mushroom wins!", fontStyle2);
        }
        else if (result == 3)
        {
            GUI.Label(new Rect(400, 300, 100, 50), "Tied!", fontStyle2);
        }
        for(int i = 0; i < 3; i++)
        {
            for(int j = 0; j < 3; j++)
            {
                if (state[i, j] == 1) //圈
                {
                    GUI.Button(new Rect(200 + i * 50, 170 + j * 50, 50, 50), img1);
                }
                else if (state[i, j] == 2) //叉
                {
                    GUI.Button(new Rect(200 + i * 50, 170 + j * 50, 50, 50), img2);
                }
                if(GUI.Button(new Rect(200 + i * 50, 170 + j * 50, 50, 50), ""))
                {
                    if(result == 0) //游戏进行中
                    {
                        if (turn == 1) //圈的回合
                        {
                            state[i, j] = 1;
                        }
                        else //叉的回合
                        {
                            state[i, j] = 2;
                        }
                        turn = -turn;
                    }
                }
            }
        }
    }

    void Reset()
    {
        turn = 1;
        result = 0;
        for(int i = 0; i < 3; i++)
        {
            for(int j = 0; j < 3; j++)
            {
                state[i, j] = 0;
            }
        }
        Debug.Log("Reset");
    }
    
    int check()
    {
        //横向连线
        for(int i = 0; i < 3; i++)
        {
            if (state[i, 0] != 0 && state[i, 0] == state[i, 1] && state[i, 1] == state[i, 2])
            {
                return state[i, 0];
            }
        }

        //纵向连线
        for(int j = 0; j < 3; j++)
        {
            if (state[0, j] != 0 && state[0, j] == state[1, j] && state[1, j] == state[2, j])
            {
                return state[0, j];
            }
        }

        //斜向连线
        if(state[1, 1] != 0 &&
            state[0, 0] == state[1, 1] && state[1, 1] == state[2,2] ||
            state[0, 2] == state[1, 1] && state[1, 1] == state[2, 0])
        {
            return state[1, 1];
        }

        for(int i = 0; i < 3; i++)
        {
            for(int j = 0; j < 3; j++)
            {
                if (state[i, j] == 0)
                {
                    return 0;
                }
            }
        }

        return 3;
    }

    void Update()
    {
        
    }
}

演示视频

三、思考题【选做】

微软 XNA 引擎的 Game 对象屏蔽了游戏循环的细节，并使用一组虚方法让继承者们完成它们，我们称这种设计为“模板方法模式”。

为什么是“模板方法”模式而不是“策略模式”呢?
在模板方法模式（Template Pattern）中，一个抽象类公开定义了执行它的方法的方式/模板。它的子类可以按需要重写方法实现，但调用将以抽象类中定义的方式进行。在策略模式（Strategy Pattern）中，一个类的行为或其算法可以在运行时更改。
微软 XNA 引擎的 Game 对象使用虚方法让子类完成游戏循环的细节，不必更改类的算法，大大提高了代码的可复用性，更加符合模板方法的定义，故称这种设计为模板方法模式。

将游戏对象组成树型结构，每个节点都是游戏对象（或数）。

尝试解释组合模式（Composite Pattern / 一种设计模式）。
组合模式（Composite Pattern），又叫部分整体模式，是用于把一组相似的对象当作一个单一的对象。组合模式依据树形结构来组合对象，用来表示部分以及整体层次。这种类型的设计模式属于结构型模式，它创建了对象组的树形结构。这种模式创建了一个包含自己对象组的类。该类提供了修改相同对象组的方式。
使用 BroadcastMessage() 方法，向子对象发送消息。你能写出 Broadcast Message() 的伪代码吗？
父对象：

void Start()
{
    this.BroadcastMessage("test");
}

子对象：

void test()
{
    Debug.Log("Child!");
}

一个游戏对象用许多部件描述不同方面的特征。我们设计坦克（Tank）游戏对象不是继承于 GameObject 对象，而是 GameObject 添加一组行为部件（Component）。

这是什么设计模式？
装饰器模式（Decorator Pattern）。
为什么不用继承设计特殊的游戏对象？
如果使用继承方法设计特殊的游戏对象，由于继承为类引入静态特征，并且随着扩展功能的增多，子类会膨胀，代码会变得十分复杂。而装饰器模式（Decorator Pattern）允许向一个现有的对象添加新的功能，同时又不改变其结构。这种模式创建了一个装饰类，用来包装原有的类，并在保持类方法签名完整性的前提下，提供了额外的功能。

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