（计算机科学与技术专业论文）3d网络教育游戏的若干技术研究与实现.pdf

3 d 网络教育游戏若干技术的分析与实现 摘要 近年来，随着网络技术的飞速发展和“寓教于乐”教育观念的普 及，在游戏中结合各类学科知识的教育网游得到了迅速的发展。然而， 教育游戏固有的单调性和传统网游的黏度性等阻碍了教育网游的进 一步发展。本文从克服上述缺陷出发，重点研究设计了一个3 d 教育网 游的信息管理系统，使得中小学生在进行游戏中不仅感到传统网络所 带来的娱乐性，也防止了他们过度地沉迷于游戏中。本文取得的研究 成果包括： 首先应用一种基于3 d 游戏引擎的脚本应用技术来完成对整个游 戏世界的构建并应用n p l 脚本语言实现了一个友好的、方便的、可视 化、可操作的用户游戏界面。其次应用n p l 语言访h s q l i t e 数据库技 术实现了游戏世界与后台数据库方便，快捷的交互功能。再次，从游 戏的平衡性出发设计了游戏系统的各类属性数据及其逻辑与数学关 系，并基于系统数据流实现了一个回合制的战斗场景。最后，在国家 防沉迷系统标准的基础上应用w i n d o w s 窗口控制技术实现了一个基于 客户端的自主控制和内嵌的基于收益机制相结合的防沉迷系统，并应 用一个改进了的m d 5 算法完成对该系统的加密功能。 本文首先从教育游戏的背景出发，介绍了教育游戏的发展现状和 国内外研究状况。然后详细分析了该系统中所采用的几项关键技术。 接着结合p a r a e n g i n e 游戏引擎重点讨论了游戏数据的管理和防沉迷系 统的设计与实现过程。 关键词：教育网游；信息管理系统；游戏引擎；n p l 脚本语言；s q l i t e 数据库；游戏平衡性；防沉迷系统 i i t h ek e yt e c h n o l o g ya n a l y s i sa n dt h e i m p l e m e n t0 ft h ei m f o r m a t i o ns y s t e mi n3 d e d u c a t i o n a lg a m e0 n l i n e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g ya n d t h ep o p u l a r i z a t i o no ft h ec o n c e p t i o nw h i c ha i ma t c o m b i n i n gt h e e d u c a t i o nw i t ht h ejo y f u lh a v er a p i d l yd e v e l o p e d w h e r e a s ，t h em o n o t o n y o ft h ee d u c a t i o n a lg a m ea n dt h ea d h e r e n c eo ft h et r a d i t i o n a lg a m eo n l i n e b a f f l e di t sd e v e l o p m e n t t h i st h e s i ss e t so u tf r o mc o n q u e r i n gt h e s e d e f e c t s ，d e s i g n e da n dr e a l i z e dai n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo ft h e 3 de d u c a t i o n a lg a m eo n l i n e n e we d u c a t i o n a lo n l i n eg a m e sa i mt o s u c c e e dt h er e c r e a t i o na n dr e d u c et h ea d h e r e n c eo ft r a d i t i o n a lo n l i n e g a m e s ，a c c o r d i n gt oc o n t r o lt h eg a m et i m eo fa d o l e s c e n tw i t hm u c h jo y 触i nt h eg a m e t h em a i n c o n t r i b u t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： f i r s t l y , a p p l i e das c r i p tt e c h n o l o g yb a s e do n3 dg a m ee n g i n et o r e a l i z et h ec o n s t r u c t i o no ft h ee n t i r ew o r l da n du s et h en p ll a n g u a g et o r e a l i z eaf r i e n d l y ，c o n v e n i e n t ，v i s u a l i z e ，o p e r a b l eu s e ri n t e r f a c ef o r t h e i i i g a m e s e c o n d l y ，a p p l i e dt h et e c h n o l o g yo fu s i n gn p lt oa d d r e s st h e s q l i t ed a t a b a s et or e a l i z ear a p i d ，c o n v e n i e n tf u n c t i o no ft h ea l t e r m a t i o n i nt h eg a m ew o r l da n dt h ed a t a b a s e t h e ns e t so u tf r o mt h eb a l a n c eo f g a m ew o r l dr e a l i z e daf i g h t s c e n eo ft h e g a m e l a s t ，a p p l i e dt h e w i n d o w s c o n t r o l t e c h n o l o g y b a s e do nt h eb a s i cs t a n d a r do ft h e a n t i a d d i c ts y s t e mt oi m p l e m e n tas e l f - c o n t r o ls y s t e mb a s e do nc l i e n ts i d e t or e d u c et h ea d h e r e n c eo ft h eg a m e t h e b a c k g r o u n do ft h e e d u c a t i o n a lg a m ei sd e s c r i b e da tt h e b e g i n n i n go ft h i sp a p e r ，a n d ，t h ep r e s e n td e v e l o p m e n tc o n d i t i o na n d f u t u r eo fe d u c a t i o n a lg a m eo n l i n ea r ei n t r o d u c e d t h e n ，d i s c u s s e saf e w k e yt e c h n i q u e si nd e t a i l a tt h es a m et i m e ，d i s c u s s e st h ed e s i g na n dt h e r e a l i z a t i o no ft h eb a c kd a t aa n dt h ea n t i a d d i c ts y s t e mc o m b i n e dt h e p a r a e n g i n eg a m ee n g i n e k e y w o r d s ：e d u c a t i o n a lg a m e o n l i n e ，i n f o r m a t i o n o lm a n a g e m e n t s y s t e m ，g a m ee n g i n e , n p ls c r i p tl a n g u a g e ，s q l i t ed a t a b a s e ，t h eb a l a n c e o fg a m e ，a n t i - a d d i c ts y s t e m i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律和学术责任由本 人承担。 6 5 学位论文作者签名 日期：彤年2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得浙江工商大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 签名：么丝：昌期：y 年2 月珠日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解浙江工商大学有关保留、使用学位论文 的规定：浙江工商大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名：么扯导师签 日期： 第一章绪论弟一早硒y 匕 1 1 论文研究的背景、目的和意义 随着网络技术的不断发展，网络游戏更是凭借玩家在游戏中能够进行互动和 交流，来满足人们在现实世界中无法满足的事情这一特点迅猛发展。毫无疑问， 网络游戏已经成为现代社会的一种文化现象。然而，这种现象在教育领域中的地 位却远不如此。由于在所有网络游戏玩家的数量中，2 2 岁以下的学生占了约6 0 ， 而且学生玩网络游戏容易成瘾【l 引，结果造成逃课、盗窃、猝死、自杀等现象屡 见不鲜。种种负面影响也使老师和家长都对网络游戏持否定态度，拒之于学校大 门之外。但是，网络游戏作为一种新颖的休闲娱乐方式，其虚拟性、互动性是其 他娱乐方式无法比拟的，对青少年更是有着强大的吸引力家长、老师的喊打、 围追堵截是无法根本解决矛盾的。教育工作者这时应该直面电脑游戏，主动出击， 变堵为疏。游戏和网络本身没有过错，有错的是目前制作的很多游戏内容不利于 孩子的身心健康发展，解决之道就是遵循自然规律，教育工作者应进入网络游戏 的研究之中，把网络游戏跟教育结合起来，开发各种适合孩子们玩的网络教育游 戏【8 】【1 2 l ，去抢占滩头阵地。只有因势利导，才能获得理想的效果。 寓教于乐u z j 这个提法虽然已经提了很长时间了，但是在国内的教育领域仍 然发展缓慢，普遍的看法，教育是严肃的、是严谨的、是一板一眼的，与娱乐似 乎有些格格不入。 也有很多老师在不断的尝试用游戏的方式来进行教学，并取 得了很好的效果。但是，其课堂化、难重复性限制了这类方式的推广和受众人群 的最大化。而网络游戏模式可以很好的解决这些问题。因此，教育与网络游戏 两者相结合，即以教育为目的的网络游戏( 简称教育网游) ，在几年内迅速的发 展起来。教育网游是以软件为依托，涉及的知识面比游戏化教学广泛，不局限 于课本需掌握的知识。利用时间没有限定，2 4 小时均可。学生没有老师的引导， 通过教育网游自主学习。一款优秀的教育网游能很好的解决教育与游戏结合的难 题，它采取了科学、有效的模式将中小学的学科学习、百科知识、智力开发、休 闲娱乐与网络游戏相结合，真正达到寓教于乐的目的。 在崇尚自由与个性的网络时空里，对网络游戏不应该也不可能做到令行禁 止。应该放弃偏见，将其融进网络教育中。“知之者不如好之者，好之者不如 乐之者。玩游戏本身就是一个学习过程，一个由好奇心驱动的探索过程，一个 高度互动的交流过程，而这些正是我们的教育苦心孤诣所追求的。海纳百川，有 容乃大，围追堵截注定是违背人性和网络精神的，熟视无睹也是一种浪费，而 容纳、引导、利用才是根本所在。目前，教育游戏在国外无论是内容还是种类都 比我国要丰富得多。教育游戏己经开始应用于基础教育的各个学科之中，并取得 了一定的成绩。而在国内对教育游戏研究还处于起步阶段，教育游戏在学科教学 中的应用也只限于数学、英语、历史等几门学科，但缺乏较为系统的理论指导。 因此这应是一个急待研究的课题。同时，本课题也具有一定的实践意义。本课题 期望改变人们对教育游戏的观念。以“教育游戏为载体，试图对电脑游戏中的 教育功能进行挖掘，再与传统的教育进行优化整合，以实现优势互补，使游戏更 符合信息技术教学中的认知规律，从而引导学生正确认识各种教育游戏p j 。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 国外的研究现状 国外尤以西方在游戏进入教育的路上已经走得比较远，这与他们对游戏本身 的研究起步较早是分不开的。上世纪7 0 年代，国际上游戏的研究也开始步入高潮。 教育游戏产业化己形成规模。 1 ) 关于游戏理论的研究 教育游戏理论的研究起源于西欧，历史悠久。从柏拉图、亚里士多德到康德、 席勒到皮亚杰和胡伊青加等学者的理论研究大致可分为三个流派；一是以皮亚杰 为代表的心理学、教育学派，从教育心理学的角度来探求游戏与儿章心理发展的 关系，认为游戏是儿童认知发展的动力；二是以胡伊青加为代表的从社会文化学 的角度探索游戏与文化艺术的关联，认为游戏是自愿、紧张、愉快的情感以及它 “不同于日常生活 的意识；三是以伽达默尔为代表的从现象学阐释学的角度探 索游戏与行为的关系。认为游戏的主体是游戏自身，游戏的存在方式就是自我表 现。 2 ) 教育游戏的开发专业化 在国外，已经有了专门从事教育游戏开发的公司，比如，前身为迪斯尼互动 游戏开发部门的e n l i g h te n t e r t a i n m e n t 【钳】( 用娱乐开启智慧) 公司。他们开发出来 的游戏内容和设计都很成熟，切实体现了本国学生和学校教学的需要。用于早期 教育的教育游戏题材大多选题自由，比如让翩翩绅士的米老鼠和他的女朋友米妮 教你说英文，和跳跳虎、小猪们一起玩几何拼图。后期教育则与具体学科结合较 紧密，比如，美国麻省理工学院h e n r y j e n k i n s 教授1 9 9 9 年曾主持开发出一款用于 历史学习的教育游戏c i v i l i z a t i o n ( 文明) 4 4 1 ，给学习者提供历史进程的发展图景， 帮助人们了解当前选择如何影响到未来发生的事情。 3 ) 教育游戏运作流程市场化、产业化 他们的运作流程很正规，相当的市场化和产业化。运作的第一步是先与教育 专家合作，开发后直接作为教育产品由代理商发行。管理方面，由于电脑游戏在 发达国家已经有较长的发展时间，所以多数发达国家都有针对性地设置了一些电 2 脑游戏的分级管理制度。这种分级制度的设置对我国的教育游戏应用有重要的借 鉴意义。比如，欧洲现行的游戏分级制度p e g i ( p a ne u r o p e a ng a m e si n f o r m a t i o n ) ， 该制度适用于欧洲1 6 个国家，分为年龄种类和内容类型两部分。美国的娱乐软 件分级部i - j ( e n t e r t a i n m e n ts o f t w a r er a t i n gb o a r d ) 也制定7 本国的e s r b 2 7 1 ，该分 级也包括两个部分：一个是位于游戏包装正面的等级标志，用来标记游戏适合的 6 个等级的年龄段，另一部分是位于游戏包装背面的内容描述，用特定的词组描 述了游戏画面所涉及的内容。其他国家如韩国、日本等都对本国内的教育游戏有 相应的分级归类。这一点对于开发商甚而对于整个产业，以及消费群体都将起到 方向性的作用。 4 ) 教育游戏与学校教育紧密结合 在很多欧美国家，教育类、休闲益智类的游戏开发比较早，而且已经很好地 与学校教育、家庭教育结合在一起。在一些国外在线教育游戏网站，无论是语言 学习、数学运算、虚拟实验、在线地图、思维训练、治疗诊断、决策判断，还是 各种个别化问题应用都非常广泛，如休闲益智类教学抑或是在线情景模拟培训都 非等其他相关游戏网站就是如此。目前，美国微软公司研究部门等机构正式开 始游戏化学习研究，这些研究机构力图建立一个学生练习、教师教授内容的环境。 美国麻省理工学院比较媒体研究所和微软公司联手推出的g a m e s - t o t e a c h p r o j e c t ( 教学游戏项目) ，旨在探究游戏对支持学习的潜在作用，发展出一些原型， 帮助探究游戏是如何丰富高中和大学初级阶段的科学、工程学和数学教学的不同 模式。德克萨斯大学i c 2 学院的数字媒体实验室也正在做着这方面的努力，该学 院与一些公共和私人机构合作开发可以应用于教学、商务和政府工作的计算机游 戏。欧洲委员会资助的u n i g a m e 项引卅( 英国、瑞典、意大利、希腊四国成员参与 是致力于研究和推广基于游戏学习的理念和实践。 1 2 2 国内的研究现状 近年来，国内关于电脑游戏有许多有价值的探讨，在电脑游戏的教育应用上 也有许多有意义的探索，但总体处于起步水平【1 2 】【1 6 】【1 7 】： 1 ) 关于传统游戏和电脑游戏本质与意义的探讨 这一层面的探讨有两个分支，其一是对传统游戏进行追根溯源的研究，进 而指出游戏是人们生活的内在藉要，是人类的存在方式。其二是电子游戏的艺术 形式论。有学者认为电子游戏是一种新的艺术形式，并认为电子游戏在人类艺术 发展史里，是继文学、戏剧、绘画、音乐、舞蹈、建筑、电影和电视之后的“第 九艺术 。 2 ) 关于电脑游戏教育价值的研究 电脑游戏作为信息时代新的游戏形式，对人们尤其是青少年的影响是人们事 先所未曾预料到的，也导致了人们对它认识上的分裂，持否定态度的人视之为洪 水猛兽，认为它严重的影响了学生们正常的学习：但有许多人对之热情不减，他 们往往以电脑游戏的优势来反观教学方式和教学内容中存在的诸如单调、乏味甚 至僵化等弱点，倡导在教育中借鉴电脑游戏中快乐、成功的积极因素。 3 ) 教育游戏及其应用的实践探索 其一，教育游戏有了产业化发展的趋势。近年来，国内已有一些企业己经或 正在携带资本进入教育游戏这块新领地，这些企业目前还比较少，比较知名的只 有几家，但是已有迅速增长之势。已经有教育游戏产品、进入推广阶段的企业有 珠海奥卓尔软件有限公司、显泉信息技术( 上海) 有限公司、创新未来电脑有限 公司等：已经宣布进军教育游戏产业、处于产品研发阶段的有三辰网龙有限公司 等；正准备进入的公司有北京时空动力有限公司、一起乐乐网络技术有限公司等。 目前出现的教育游戏一般可分为r p g 游戏和f l a s h 游戏，从游戏内容和适用对象 来看我国的教育游戏均不约而同的将游戏用户定位于小学生，涉及的学科有小学 数学( 一至六年级) 、小学语文( 一年级) 、小学英语单词、信息技术，另外还有制 作游戏课件的“数学游乐园 、“快乐教师，可供教师在一定范围内制作出新的 教学游戏课件。现有的教育游戏更多的集中在语文、数学、英语科目上，而科学、 历史、地理、物理、化学、生物、思想品德、信息技术等科目的教育游戏非常少 见。其二，一些专门研发教育游戏的公司和教育专家联手开发。例如，奥先游戏 化学习研究中心就是由珠海奥卓尔软件公司和华南师范大学未来教育研究中心 联手组成，致力于研究和开发教育游戏软件。奥卓尔“游戏化教学 软件面向中 小学生和学龄前儿章，“游戏化教育 软件面向学校教师及家长。该公司也积极 地在当地小学进行推广试验，获得了较高的评价。最近，f l q k l 2 p l a y 快乐教育世 界与三辰卡通企业集团等联手，在北京师范大学等科研所众多教育技术专家的指 导下，组织大批中小学特、高级等游戏开发人才，以国家“十五”教育科学规划 重点科研课题为依托，将中小学的学科学习、百科知识、智力开发等与游戏相结 合，开发运营国内第一个大型网络教育互动平台一一k 1 2 p l a y 快乐教育世界已经 成为中小学生学习、娱乐、交流的网络家园，其注册用户已超过1 万。 4 ) 教育游戏已经参与课程改革试验之中 由上海师范大学与上海市闽行区教育局合作进行的中小学信息技术教育创 新研究，下在进行基于项目的学习、基于游戏的学习和基于故事的学习的课程改 革试验。他们用儿童的视角来设计小学生的信息技术学习方式，以科幻故事、寓 言故事等游戏化情景为主线，将信息技术的学习融入到游戏和故事当中。游戏化 的教材已经初步形成。 5 ) 对游戏与教育相结合的层次问题研究 4 教育与游戏的融合大致分为三个层面，从技术角度讲，三个层面的应用水平 是依次提升的。 第一，感性认知层面。游戏中不会表现强烈的教育目的，但由于产品本身蕴 涵着积极的正面的内容，体现了民族的、科学的、文化的内涵，使用者受到潜移 默化的影响，感性上产生认知，形成积极的价值观和世界观。第二，理性接受层 面。作品中出现直观的学习内容，但通过设计人员的整合融汇，学习内容与游戏 天然合一、浑然一体，用户在游戏的过程中因为兴趣、成就感等因素自主完成学 习内容，游戏和学习互为手段和目的。第三，过程主导层面。将教育游戏应用于 课堂教学环境，由教师来引导或是主导学生完成相应的游戏并因此完成授课计 划。前两个层面主要应用于学生辅助学习或课外学习娱乐，当游戏进入课堂后， 就变成了教学的一种手段，并因此大大提高学生学习的兴趣，大大提高学习效率 从而使教育的方式产生变革。而目前，我们对教育游戏的应用基本还处于理性接 受层面，对于教育游戏应用于课堂教学环境虽然开始了不少的教学实践和优秀的 案例，但是总体还是处于起步水平憎。 1 3 问题的提出 从传统的网络游戏来看，网络教育游戏似乎有些不伦不类，大多数网络游戏， 对玩家的粘度很大，网络游戏的运营者，希望玩家能够更长时间的呆在游戏中， 从而获得更多的利益。而网络游戏对于青少年的最大的负面影响就是容易让青少 年痴迷于游戏，拿得起，却放不下。所以，作为以教育为目的的教育网游，粘度 需要大大降低， 不希望玩家长时间呆在游戏里，因此网络游戏通用的收费模式 “按照在线时间收费”很难应用在网络教育游戏中。再有，教育的目的性在一定程 度上限制了网络教育游戏的设计方向。在一般人看来，游戏通常是以娱乐为目的 的，而在教育的大框架下，娱乐模式的选择和创新比普通的网络游戏更有难度。 而我们如何在网络教育游戏中体现应有的娱乐性，并且降低其粘度呢? 1 4 主要研究内容 本文针对上面提出的问题，主要做了以下几个方面的研究：首先分析了游戏 引擎和脚本语言并应用一种基于3 d 游戏引擎的脚本应用技术来完成对整个游戏 世界的构建。其次提出了一种n p l 语言访问s q l i t e 数据库的方法，实现了游戏世 界与后台数据库方便，快捷的交互功能。再次，从游戏的平衡性出发设计了游戏 系统的各类属性数据及其逻辑与数学关系，并基于系统数据流实现了一个回合制 的战斗场景。最后，在国家防沉迷系统标准的基础上应用w i n d o w s 窗口控制技术 实现了一个基于客户端的自主控制和内嵌的基于收益机制相结合的防沉迷系统， 并应用一个改进了的m d 5 算法完成对该系统的加密功能。 全文共分五章，第二章介绍了整个系统设计实现中所应用到的技术；包括了 基于3 d 网络游戏的脚本开发技术，基于w i n d o w s 的应用程序控制技术，基于s q l i t e 的数据库技术，基于m d 5 算法的数据加密技术。第三章给出了基于3 d 教育网游 的游戏数据及场景设计；首先分析了后台数据的生成以及相互之间的逻辑和数学 关系，然后给出了整个数据库的构建过程，最后结合了数据流和用户界面给出了 一个打斗场景。第四章描述了防沉迷系统所应用到的技术及应用，第五章给出了 打斗场以及防沉迷系统的具体实现过程。第六章结束语部分是对研究工作的总 结，以及对系统的展望。 6 第二章基于网络游戏的若干关键技术分析 2 1 基于3 d 网络游戏引擎的脚本应用技术 2 1 1 电子游戏的组成要素 电子游戏是一种以电子平台为媒介并按照某种特定的规则条件进行的娱乐 活动，其中电子平台分为计算机和电视游戏机，以下简称游戏。当今比较流行的 游戏机有微软的x b o x 、索尼的p l a y s t a t i o n 2 3 3 】游戏的制作不同于其它应用系统的 开发、任天堂的g a m e c u b e 等。，它涉及到许多的方面，其中有四个极为重要的要 素，也是制作过程中人员分工的依据，分别是“策划”、“程序、“美术 、“音乐 ， 它们彼此的关系图2 1 所示： 图2 1 游戏的组成要素 策划就是要求设计人员把游戏从其他的创造性媒介( 如艺术、电影、音乐和 书等) 中分离出，并在玩家与游戏的交互中褥到体现。它是整个游戏的灵魂，控 制着控制着游戏的规划、流程和系统等所有的方面。策划人员要做的工作有【3 8 】： 1 ) 游戏规划：游戏制作前的资料收集与环境规划。 2 ) 架构设计：设计游戏主要架构与主题定义。 3 ) 流程剧情：绘制游戏流程与故事情节。 4 ) 人物场景：设置人物属性，规划场景。 程序是用来升华游戏灵魂的一种技术性工具。在策划人员凭空想象的策划书 中，必须利用程序将设计转化成一种成像的画面和功能。程序设计人员在理解了 游戏策划之后，要将其分解为众多小的游戏功能分配给其他人员编写，最后再把 它们整合为一，达到策划的要求。程序设计人员所要做的工作有1 3 9 】： 7 引擎制作：引擎是游戏的核心，它要能够足以应付游戏中发生的事件和图形 图像管理等。 人工智能：设计游戏中非玩家人物的行为方式。 技术支持：配合策划人员并提供技术支持，以达到最佳的显示效果。 美术是玩家首先接触到的就是游戏中的画面，在玩家尚未真正操作游戏的时 候，可能会先被绚丽的画面所吸引，进而动心去玩这个游戏，因此优秀的美术人 员是不可缺少的。美术人员所要做的工作有： 人物：设计与绘制游戏中所有需要的登场人物。 场景：绘制场景对象，以提供地图编辑人员使用。 界面：绘制玩家与引擎做直接沟通的用户画面。 动画：为游戏中的人物行为制作动画，以避免出现僵硬的动作。 音乐制作人员要在了解游戏故事的整个剧情发展后，做出与游戏中情节氛围 相适应的音效与相关的背景音乐。 2 1 2 引擎的原理 在现实生活中，“引擎 是一种牵引汽车的一个重要机械装置。引擎可以称 得上是汽车的心脏，决定着汽车的性能和稳定性、速度、操纵感等都是建立在引 擎的基础土的。在游戏中，引擎的地位也是如此，玩家所体验到的剧情、关卡、 美工、音乐、操作等内容都是由游戏的引擎直接控制的，所以游戏引擎可以说是 在游戏中扮演着发动机的角色，把游戏中的所有元素捆绑在一起，在后台指挥它 们同时、有序地工作。 游戏引擎的主要工作【3 3 】是进行游戏中的物理演算、碰撞运算、物体成像、 输入控制，以及播放正确的音量和声音输出等必要的功能。其实不管是在2 d 或 3 d 的游戏上，还是角色扮演、实时战略、冒险解谜、动作射击等不同类型的游 戏上，它们都必须通过这种控制作用的程序代码才能运作，而这些程序代码则是 游戏引擎的主要核心。 可以说，游戏引擎是一个有许多子系统所共同构成的复杂框架系统，其系统 包括建立模型、画面成像、行为动画、光影处理、分子特效、位置计算、碰撞检 测、数据管理、网络联机，以及其它专业的地图编辑器、脚本编译器等，它涵盖 了整个开发过程中所有的重要环节。 在游戏产业发展初期，对于游戏开发产商而言，他们几乎都只关心如何尽量 多的开发出新的游戏，然后投放大量的广告把这些游戏推销给玩家。尽管当时的 游戏大多显得简单粗糙，但每款游戏的平均开发周期至少也要达n 8 n l o 个月以 上，这一方面是由于显卡在硬件上的支持而限制了的图形图像在技术上的发展， 另一方面则是因为几乎每款游戏几乎都要从头编写程序代码，造成了大量的重复 劳动。 在游戏的发展过程中，一些有经验的开发者总结出一些代码复用的方法，那 就是保留一款类似题材游戏中的部分代码，并把它们作为新游戏的基本框架，以 节省开发时间和成本。这部分代码就被称之为引擎，游戏引擎的概念就是在这种 软件工程化的背景下诞生的。 引擎的发展在硬件技术的不断提高和游戏产业的日益壮大的推动下，已取得 了惊人的进步。除了在游戏中可以看到精致的建筑物之外，还可以欣赏到许多华 丽的特效，例如宽广的场景、美丽的天空、荡漾的水波、逼真的火焰、朦胧的烟 雾和物理力场等效果。 一些商业引擎( 如u n r e a l i ；i 擎) 的应用范围没有被限制在游戏的制作上，曾有 国外的公司采用它开发了一套建筑设计软件用在房地产上的演示，还有用来做过 空手道选手的武术训练软件。一个好的引擎可以应用于娱乐、建筑、教育等其它 专业的3 d 成像领域。 如今，引擎的发展已经日益成熟，游戏的画面达到了一个瓶颈的高度了，引 擎以后的发展方向难以朝着图形图像的改良而进行下去了。然而，引擎的作用并 不仅仅只被局限在游戏画面中，它会直接影响到游戏的整体风格。例如，利用相 同的引擎所制作出来的游戏，无论是其内容还是情节设定上，都有着相似的地方， 玩家逐渐的开始对端着枪跑来跑去的单调模式感到厌倦，所以游戏开发者不得不 从其它方面寻求突破，日前业界主要在关注以下两个领域【3 8 】： 1 ) 在引擎中引入脚本的技术，这种技术可以让游戏以合理的故事来触动 游戏整体架构上的变化，使得玩家可以真实的体验到游戏情节的发展，尤 其对于第一人称的3 d 射击游戏是一个伟大的突破。 2 ) 在人工智能算法上的改进，在游戏中，敌人的行动与以前相类似的游戏 来看，他们明显有了更多狡猾的行为，而不再只是单纯的冲向玩家所在的位置。 这两方面的特点明显的突破了以往的引擎架构。现在越来越多的游戏开发者 开始将游戏中的重点有单纯的视觉效果逐渐的转变成具有更丰富变化性的游戏 内容，这也成功的说明了故事内容与人工智能对于游戏的重要性是否能够支持。 更好的游戏故事内涵和敌人的反映特性己成为衡量引擎优劣的另一项标准。 在程序结构上，任何一个游戏引擎都有如图2 。2 的主循环事件： 9 图2 2 引擎的主循环结构 引擎运行的过程通常有下面的几个步骤： 1 ) 首先执行标准的初始化操作，如内存分配、资源采集、数据装载等。 2 ) 程序运行到主循环体内部，各种操作开始进行并持续到用户退出主循环 为止。 3 ) 处理外部的输入信息( 键盘、鼠标、操纵杆等) ，以备下一步的游戏逻辑的 演算使用。 4 ) 进行游戏逻辑的演算，这一步是引擎代码的主体部分，包括人工智能、 物理系统、碰撞检测、光影计算等。 5 ) 用游戏逻辑执行的结果渲染下一帧图像，这个图像通常放在不可见的缓 存区内，屏幕上不会出现逐渐被渲染的过程，随后该图像被迅速复制到显示存储 器中并显示出来。 6 ) 使用定时功能和等待函数，把游戏按照某个最大的帧速率同步运行。由 于游戏复杂程度的不同，运行的速度会时快时慢，从而游戏的画面刷新率( 帧速 率，f r a m e p e r s e c o n d ) 也会时高时低，因此要维持游戏的同步运行。 7 ) 返回到游戏循环的入1 3 并重新执行上述全部步骤，完成一次循环的时间 1 0 就是一帧的过程。 8 ) 退出主循环结构，关闭所有占用的资源，并退回到操作系统。所有游戏 循环或多或少地都是按照这个结构设计的。 2 1 3 脚本在游戏引擎中的作用 脚本语言【3 6 1 是一种具有高度抽象性的编程语言其目的是为了更加简便、直 观、清楚和准确的完成某一件事情。 脚本在现代游戏中的应用非常广泛，能够起到游戏灵魂的作用，由于剧情是 在脚本中安排的，人物的属性是在脚本中设定的，武器的攻击力是在脚本中设定 的大部分事件的运作都是建立在脚本的基础上的，比如在什么条件下执行什 么动作，屏幕上出现什么，消失什么，人物的状态( 位置、攻击力、生命值) 发生 了改变等等，都需要在脚本中详细说明，与一部电影脚本的区别在于，游戏脚本 使用的是符号化的语言。如果把游戏引擎比作是一部电脑，脚本则是电脑的软件， 起着驱动整个游戏进程的作用。 可以说，游戏脚本是一种解释类的人工智能。人工智能，简称m 。描述的是 用计算机模拟人的思维和决策。将m 技术应用于游戏中。就会是玩家感到他所面 对的敌人如同现实中一样拥有智能。利用脚本语言的高抽象性，能够方便的描述 游戏中的智能行为。 举一个简单的例子，要实现一个游戏中的敌人( e n e m y ) 要追踪玩家( p l a y e r ) 的 模型，游戏者的对手和游戏者的角色都有一个对坐标，指出它们各处于游戏中的 位置，如图2 3 所示： 图2 3 敌人追踪玩家 考虑下面的算法： 己知：( p x ，p y ) 玩家角色的位w ，( e x ，e y ) - 对手的位置 b e g i n d ox tr a c k i n g i f ( p x e x ) t h e ne x + + ； e l s ei f ( p x e y ) t h e ne y + + ； e l s ei f ( p y e y ) e y - - ； e n d 由于引擎能获得敌人和玩家的位置，就可以使用这一信息为敌人的移动计算 一个方向，无论玩家向哪个方向移动，敌人总会以最短的距离的方向跟踪而来， 使玩家感觉到敌人一直在紧追着自己。 但此算法在经过儿次测试之后，会发现当玩家在某处停止不动时，敌人会一 直移动到玩家的正上方时才停下来，这显然是不合理的。需要做出进一步的改进， 可以增加如下的逻辑前提：当敌人在追赶玩家时，肯定是要先看到玩家。换句话 说，他们肯定在一定范围之内。在这种情况时，考虑使用一个能见半径，敌人在 每次移动之前，先计算与玩家的距离，若在射程范围之内就会开枪。考虑上述代 码的改进算法： b e g 矾 f fd i s t a n c e ( e x ，e y , p x ，p y ) e x ) t h e ne x + + ； e l s ei f ( p x e y ) t h e ne y + + ； e l s ei f ( p y ( o ，2 ) ( 1 ，国( 1 ，1 )l ，2 )( 1 ，3 ) ( 2 ，o )( 2 ：1 )( 2 ，) l 强琏触：5 习om 或e 琏 麟e p o s x ：1 t i l e p o g y - 3 t b e a c m a lt i l ep o 瘟i o mi , s ： o x s o o , 3 1 5 0 0 ) t ( 5 0 0 , 1 5 0 0 ) 口豫瓶如a lt i l es i z ei s5 0 0l n e t e 髂 s a m p l e 烈u m p l e _ i _ 3l u a ：al o j 撼l n gg 嘲f i l e 钕( 1 ，3 ) 图2 1 0 基于网格的虚拟世界分块图 因为所创建的3 d 虚拟世界是静态的，我们必须首先利用3 d m a x l 建一些可视 化的模型，再利用脚本自动调用这些模型到3 d 虚拟世界中。下面简单介绍了如 何利用脚本创建一个3 d 场景【4 3 1 。 ( 1 0 t so fc o d eo m i t t e d ) l o c a la s s e t = p a r a a s s e t l o a d s t a t i c m e s h ( , s a m p l e t r e e t r e e l x ，) l o c a l p l a y e r = p a r a s c e n e c r e a t m e s h p h y s i c s o b j e c t ( “ , a s s e t ，l ，1 ，1 ，t u r e , 0 19 3 2 9 ，0 ， 0 , 0 ，0 18 7 0 3 2 ，0 0 4 8 8 0 7 8 ，0 ，0 ，0 0 4 8 8 0 7 8 ，0 18 7 0 3 2 ，0 ，0 ，0 ) ； p l a y e r ：s e t p o s i t o n ( 1 4 8 ，1 2 0 ，1 5 6 ，9 5 ) ；p l a y e r ：s e t f a c i n g ( 0 ) ；s c e n e l o a d e r ：a d d c h i l d ( p l a y e r ) o o t so fc o d eo m i t t e d ) 应用上述脚本文件后所构建的3 d 虚拟世界如图2 1 l 所示： 图2i i 脚本构建的3 d 世界 2 2 基于w in d o w sa p l 的应用程序控制技术 在进行应用系统集成时，经常需要将不同应用软件集成起来，如果这些软件 是自己设计的集成起来当然很方便，然而对于购买的一些商业软件，如果没有开 发商的配合集成起来就会有一定的困难，本文所要讨论的另一种技术便是，如何 在没有支持的情况下，用v c 编写的程序控制其他软件的启动、关闭、定时及强 制应用程序窗口弹出消息框，从而实现软件的集成pj 。 1 、应用程序启动 w i n d o ws d k 中提供两个函数可供外部程序启动： ( 1 ) w i n e x e c ( 1 p s z c m d l i n e ，f u c m d s h o w ) ； l p s z c m d l i n e 命令行字串指针口】，指向一个以n u l l 结束的字符串，这个 字符串含有将要运行的应用程序命令行，如果字符串中不舍有路径m i j w n d o w s 以 下面的顺序搜索目录： 1 1 当前目录 2 1 w i n d o w s 目录( 含有w c o m 的目录) 3 1 w i n d o w s 系统目录( 台有诸如g d i 。e x e 等系统文件的目录) 4 ) 含有当前可执行文件的目录。 5 ) 环境变量p a t h 中列出的目录。 f u c m d s h o w 将启动的新应用程序的窗口格式。其具体数值可查参考文献 1 】。 f 2 1l o a d m o d u l e ( 1 p s z m o d u l c n a m e 。i p v p a r a m e t s r b l o c k ) ； l d s z m o d u l c n a m e ：要装载的文件名地址； l p v p a r a m e t e r b l o c k ：用于新模块的参数结构地址，指向自定义的 l o a d p a r m s 结构关于结构的具体定义请参阅参考文献2 1 ， 2 、应用程序的关闭 利用s d k i 丞i 数t e r m i n a t e a p p ( h t a s kh t a s k ，w o r dw f l a g s ) ；可以关闭应用程 序，其中h t a s k 是将要被结束运行的任务句柄；w f l a g s 表示如何结束任务。该参数 可以是下述值之一，v a e b o x 出现a p p l i c a t i o ne r r o r 消息框，然后结束任务， n ou a eb o x 结束任务但不出现消息框。 为了使用函数还必须得到打算关闭的任务的句柄，有两种方法可以得到一 个窗口的句柄： ( 1 ) 查找与指定任务窗口，可以用w i n d o w ss d k 提供的函数： h w n df i n d w i n d o w ( l p t rl p s z c l a s s n a m e ，l p s t rl p s z w i n d o w ) ，该函数可 用于查找指定类名，窗口名匹配的窗口句柄，返回值即运行任务的句柄。 ( 2 ) 搜索任务队列，获取进程句柄。w i n d o w s 提供了二个函数来实现任务队 列的搜索，即：b o o lt a s k f i r s t ( t a s k e n t r yf a r * l p t e ) ；函数t a s k f i r s t 用任务 队列中第一个任务的有关信息填写指定的结构；b o o lt a s k n e x t ( t a s k e n t r y f a r 聿l p t e ) ；函数t a s k n e x t 用任务队列中下一个任务的有关信息填写指定的结构。 3 、应用程序的定时 v c + + 中提供了很多关于时间操作的函数，利用它们控制程序能够精确地完 成定时和计时操作。v c 抖中的w mt i m e r 消息映射能进行简单的时间控制。首 先调用函数s e t t i m e r 0 设置定时间隔，5 1 s e t t i m e r ( 0 ，2 0 0 ，n u l l ) 即为设置2 0 0 m s 的时间间隔。然后在应用程序中增加定时响应函数o n t i m e r ( ) ，并在该函数中添 加响应的处理语句，用来完成到达定时时间的操作。这种定时方法非常简单，但 其定时功能如i - 8 s l e e p ( ) i 函数的延时功能一样，精度非常低，只可以用来实现诸如 位图的动态显示等对定时精度要求不高的情况【l o 】。 在精度要求较高的情况下，如要求误差不大于l m s 时，可以利用 g e t t i e k c o u n t 0 函数。该函数的返回值是d w o r d 型，表示以m s 为单位的计算机 启动后经历的时间间隔。下列的代码可以实现5 0 m s 的精确定时，其误差小于l m s 。 起始值和终止值 d w o r d d w s t a r