（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式平台的2d游戏引擎的研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在计算机软硬件技术飞速发展的今天，单芯片具有的处理数据的能力及对 外部资源的支持能力已经达到了前所未有的高度，嵌入式系统的迅猛发展就是 一个鲜明的例子。随着嵌入式系统及其相关产品不断进入个人消费领域，用户 对该类产品娱乐功能方面的要求越来越高，开发基于该平台的高性能游戏软件 各方面的条件已经成熟。 由于游戏产业进入该领域的时间较短，基于嵌入式平台的游戏软件多为产 品生产厂商自己研发生产。由于该平台的硬件产品类型繁多，且厂家出于自身 产品知识产权等方面的考虑，开发出来的游戏软件产品往往缺乏通用性。 本课题旨在研究一种开发基于嵌入式平台游戏引擎的机制，采用硬件虚拟 抽象层的方式来缓解不同硬件平台可移植性差的问题，实现一款具有2 dr p g 游 戏引擎框架的引擎系统。该引擎系统的组成结构，参考了传统p c 机平台2 d 游 戏引擎的实现方式，分引擎内核和功能模块进行了详细设计，其中引擎内核包 括图形子系统、文字输出子系统、时钟系统、支持系统、控制子系统、物理子 系统等予模块，功能模块包括消息处理子系统、场景显示及行走子系统、打斗 子系统、环境支持子系统等子模块，并且针对嵌入式系统的特点对引擎各子模 块进行了合理的精简。 为验证该游戏引擎的可行性，以该引擎为基础在福建恒一科技公司生产的 h 1 9 7 0 嵌入式系统开发平台上，实现了一款简单的r p gd e m o 游戏。该游戏具备 了传统r p g 游戏中必备的各个要素，如：大地图、战斗场景、任务系统等。虽 然游戏软件的各部分相对商业版本游戏软件来讲非常简单，但达到了对引擎各 重要模块验证的关键目的。 将传统p c 机平台游戏引擎的概念引入到嵌入式平台游戏开发中，能够使得 游戏开发分工更加明确，专业游戏公司可以将更多的精力投入到游戏框架设计、 剧本编排以及游戏可玩性方面的宏观因素的考虑上，而无需为某些具体的技术 细节投入过多的人力和物力。 关键字：嵌入式系统、游戏引擎、r p g 武汉理工大学硕士学位论文 a b s tr a e t t 0 d a y ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r et e c h n o l o g yo ft h ec o n l p u t e rj sd e v e l o p e da tf u l l s p e e d ，t b ea b i l i t yo fs i n 站ec h i pt od e a lw 主t hd a t aa n ds u p p o r to u t s i d er e s o u f c eh a s 8 l f e a d yr e 鑫e 纛e d h e 珏n p f 嚣e e d e l l 耋矗h o i 鬈h l ，氇ef a p i dd e v e l o p m 嚣n lo f 氇e 。琢b e 娃d 翻 s y s t e mi sad i s t i n c te x a m p l o a se m b e d d e ds y s t e ma n dr e l e v a n tp r o d u c t sa r ee n t e r i n g t h ep e r s o n a lc o n s u m p t i o nf i e l dc o n s t a n t l y ，u s e r st e q u i r e m e n t sf o rt h i sk i n do fp r o d u c t 鑫m 牡s e m 麟t 恕n c 差i o 珏a i e 瓤埝b 。fa 瞳h 痨e r ，l bv 舔。毽s 珏d 主重i o n s 瓤a sa l f e a d yf 秘| o d e v e l o pt b eh i g h p e r f o m l a n c eg a m es o 蠹w a r eb a s e do nt k s 讲a t f o m l b c c a u s eg a m ei n d u s t r ye n t e r st h i sf i e l dr e l a t i v e l ye a dy ，b a s e do e m b e d d e d p l a t f o 啪g a m es o f t w a f c s 摊s e a f c ha l l dd e v e l o pb yp r o d u c t i o nf i r m 如e m s e l v e s ，a s 幽e 莪a f d w 矗稽p 糟d 毽c | st y p eo f h 主sp l 轾l f o m l 主sv 甜量o u s ，a 珏d 糖op f o d 毽c e ri s 主n c o n s i d e r a t i o no f r e s p e c i ss u c h a st h ei n t e l l e c t u a l p r o p e n yr i g h t o fo n e so w n p r o d u c t s，e t c ， i h e g a m 0 s o f t 、v a r e p r o d u c td e e 1 0 p e d o u to f t e n l a c k st h e m m o n a b i l i y t h i sp a p e ra i m sa ts t u d y i n gt h em e c h a n i s mb a s e do ng a m ee n 掰n eo fe m b e d d e d p l a t f o mo fak i n do fd e v e l o p m e n t ，a d o p tt h ea b s t r a c tw a yo ft h eh a r d w a r e1 a y e rt 0 f e l i e v el h ep m b l e mo fd i f 托f c n th a f d w a f c sp l a t f o r mw i 懒b 稚p o r t a b i l i t 妊h a v e 碑a l i z e d 醴e n g i n es y s t e mw i 氇2 dr p gg a m ee n g i n e 蠹糖删。虑髓ec o m p o s i t i o ns t n l c u f e o ft h i se n g i n es y s t e m s ，h a sc o n s u l t e dt h e2 dg a m ec n 百n er c a l i z a t i o no ni h e t r a d i t i o n a lp c p l a t f 0 啪，d i v i d et oe n 舀n ok e m e l i n d u d i n g 胂p h i cs u b s y s t c m ，t e x t o u t 摊玲鞋t i 薅gs 涵s 弦l e 掇， c l o e l ( s 毽b s y s t e 璎，s 珏鞠镰i 珏gs 珏s y s t e 搬，c 。珏耄翔l l i 嚣g s u b s y s t e m ，p h y s i c a ls u b s y s t e m e t c a n df u n c t i o nm o d u l e i n d u d i n gm e s s a g e s u b s y s t e m ， s c e n e d i s p l a y i n g a n d w a l k i n gs u b s y s t e m ，f i g h t i n gs u b s y s t e m ， e n v i 王o n 玎a e n ls u p p o f t i n g 翱匡b s y s l e m ，e t e a n 莲g oo ni n 娃e 圭a i ld e s i g 珏i n g ，a n dh a sc a 狂l e d o nr a 主i o n a ls i m p 珏f 甄n gt oe v e f y 翔o d u l eo fe n 菩n ea c c o f d i n gt ot h oc h a f a c t e s t i c so f e m b e d d e ds y s t e m f o rp r o v i n gf c a s i b i l i t yo fe n g n e ，b a s e do nt h i se n g i n ea n dh 1 9 7 0e m b e d d e d s y s 耗m a l e 蛙e v o l o p i 珏gp l a l f o 珏no ff 遮i 勰 醒d i 哦e 珏娃蠡e l e 穗狂i c a lc o 珏瓣f 箍l i o n ， h a v er e a l i z e das i i n p l er p gd e m o g a m 尊np o s s e s se a d li n d i s p e n s a b l ek e ye l e m e n ti n l 武汉理工大学硕士学位论文 t r a d j “0 玎a lr p g g 枷e ，f o ri n s t a l l c e ：b 培m 印，t h es c e n eo ff i g h t i n g ，t a s ks y s t e m ，e t c t h o u 曲e v e r yp a no fg a m ei ss i m p l er e l a t i v e l yt oc o m m e r c i a le d i t i o ng a m es o f t w a r e ， i th a sa c h i e v e dt h ek e yp u i p o s et op r o v et oe v e f yi n l p o r t a n tm o d u l eo fe n g i n e i n t r o d u c em ec o n c e p to ft h ep l a t f o n ng a m ee n g i n eo ft h et r a d i t i o n a lp ct ot h e g a m eo fe m b e d d e dp l a t f o 胁w h i l ed e v e l o p i n g ，c a nd i v i d et h ed e s i g n i n gw o r ko f g a m ec l e a r e r ，p m f c s s i o n a lg a m ec o m p a n y c a np u tm o r ee n e 唱yi n t 0g a m ef r a m ea n d d r a m ad e s i g n ，a n da b i l i t yo fg o o dp l a y i n g ，d on o tn e e dt oi n v e s tt o om u c hm a n p o w e r a n dm a t e r i a lr e s o u r c e sf o rs o m ec o n 口e t et e c h n o l o g i c a ld e t a i l s k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e n g j n eo f g 锄e ，r p g 玎i 武汉理工犬举硕士学位论文 1 。1 引言 第 牵绪论 随着嵌入式系统软硬件技术的不断发展，其硬件资源越来越丰富，嵌入式 系统被广泛的应用到各种个人移动终端设备，包括：手机、p d a 、手持p o s 机 等。与瑟瑟瓣，震户霹该突产品瓣媛笨功姥翁要求氇蜀整挺燕，在基于嵌入式 系统的硬件平台上开发复杂的游戏软件，其各方面的条件已经成熟。与此同时， 由于游戏产业涉及该领域的时间较短，该类产品上提供的游戏软件通常情况只 是作为产晶主要功能的附属，故多出生产厂商皇行开发且投入蠢限，造成不燕 硬件平台之阙的产品移穰困难。随整该平台游戏软件的蕊模滋一步扩大，隧之 而来的问题还不仅仅如此，开发周期长、可靠性低以及同类型游戏代码的可煎 用性低等问题都困扰着开发人员。 1 2 嵌入式平台简介 2 。1 嵌入式系统的定义与特点 嵌八式系统的定义 按照最普遍观点，嵌入式系统被定义为；“嵌入到对象体系中的专用计算极 系统”珏l 。“嵌入毪”、“专孺往”与“计算辊系绞”是嵌入式系统麓三个基本要 素。对象体系则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 扩展开来看嵌入式系统就是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬 牛哥裁剪、逶应应爰系绞鼹功能、霹爨蠖、或本、体积、功糕严格要求斡专蔫 计算机系统i 2 1 。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机 魄外部设备申就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显 示卡、显示嚣、霜卡、m o d e m 、声卡、打印视、扫拯仪、数字鞠枫、u s b 絮线 器等均是幽嵌入式处理髂控制的。程制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪液、 武汉理工大举硕士学位论文 汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产晶咎方面均是嵌入式计算机的 瘦爱领域。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业 的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资搬密 集、高度分数、不断创新孵知识集成系统。 今天畿入式系统带聚的工监年产艇己超过了l 万亿美元，1 9 9 7 年来鲁美蕊 嵌入式系统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指出，5 年内仅基于嵌入 式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1 5 亿美元的掰市 场。美鏊汽车大王疆特公司熬毫缀经溅氇警塞称，“福特出售豹计算戆力已 超过了i b m ”，由此可见嵌入式计算机工业的规模和广度。1 9 9 8 年1 1 月在荧国 加州何塞举行的嵌入式系统大会上，揍于r 1 鼢s 的e m b e d d e di n t e n l e t 成为一个 技术毅热点。 美国著名未来学家伪葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时曾指出，4 5 年盾嵌入 忒智能( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专 家沈绪榜院士1 9 9 8 年1 1 月在武汉全麟第1 1 次微机学术交滚会上发表的计算 枫敬发曩与技术一文巾，对未来l o 年戳嵌入式薅片为基穑豹计算辊工韭译烟 的加以讲解。 嵌入式系统的特点 不嗣豹嵌入式系统焚特点会鸯疆麓器 3 j f 铂，懿： 与“嵌入性”相关的特点：由于怒嵌入到对象系统中，必须满足对象慈统 的环境要求，如物理环境( 小型) 、电气，气氛环境( 可靠) 、成本( 价廉) 等要 求。 与“专髑性”相关静特煮：软、硬件的裁劈靛；满足对象溪求的最小软、 硬件配置等。 与“计算机系统”相芙的特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制耍 求戆诗算搬系统。 另外，嵌入式系统与传统的嵌入式设备不同。嵌入式设备是指内部有嵌入 式系统的产品、设备。例如：内含单片机的家用电器、仪器仪寝、e 控单元、 枫器久、手壤、p d a 等。按照上述嵌入式系统的定义，只要瀵怒定义中三要素 的计算机系统，都可称为嵌入式系统。 嵌入式系统按一般可分为设备级( 工控机) 、板级( 单板、模块) 、芯片级 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( m c u 、s o c ) 【5 l o 有数人把嵌入式处理器当作嵌入式系统，假由于嵌入式系 统是一令焱入式计算橇系统，霾j 毙，只有终褒入焱蹙瑾器搀箴个诗算撬系统， 并作为嵌入式应用时，这样的计算机系统才可称作嵌入式系统。嵌入式系统与 对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用援求，不断扩展对 象系统要求的终围电路( 如a d c 、羚a c 、p w m 、露历时镑、魄源监测、程序 运行益测嘏路等) ，形成满足对象系统簧求豹应耀系统。因魏，嵌入式系统f # 为 一个专用计算机系统，其发展是始终朝着计算机成用系统发展方向的。 2 ，2 嵌入式系统的特征 1 2 2 1 嵌入式系统工北的特点 姨菜耪意义上来说，逶廷诗算搬嚣鲎戆技术懋垄获戆。占整个诗算秘 亍娃 9 0 的p c 产业，8 0 采用i n t c l 的8 x 8 6 体系结构，芯片基本上濑自l m e l ，a m d ， c v r i x 等几家公司。 在几乎每台计算机必备的操作系统和文字处璞器方面，m c s o 矗的w i 娃d o w s 及硒斑占鞠9 0 ，凭倍操雩# 系统还可敬搭醚葵宅痤胡程i | 葶。嚣我当代鹣通 用计算机工业的基础被认为是由w i n t e l ( m i c r o s o f i 和i l l t e l9 0 年代初建立的联盟) 垄断的工业。 嵌入式系统鄹不弱，它是一个分数豹王监，态瀵了竞争、壤暹与翻麟，没 有哪一个系捌的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即使猩体系结构上存在 着主流，假各不相同的威用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断众部 市场f 钔。因此嵌入式系统领域的产品期技术，必然是高度分教的，整给各个行业 的中，j 、瓶穰藏技术公司的翻薪余蟪缀大。另井，享主会上酶各个斑霜领域是程不 断向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也间步发展，邈也构成了推动嵌 入式工业发展的强大动力。 嵌久式系统工遂懿簇毯是虢瘟耀为中心静“蕊嚣”设诗霹瑟囱瘦弱戆软佟产 品开发。 1 2 2 。2 嵌入式系统的产品特征 嵌入式系统是瑟淘惩户、嚣逡产赫、覆囊瘦掰豹，翔莱独立予应爱耋露发 展，则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理 3 武汉理j ：大举硕士学位论文 能力、电磁兼容性等方胤均受到应用要求的制约这些也是备个半导体厂巍之 潮竞争静熟点； 和通用计算机不同，嵌入式系统纳硬件和软件郗必须高效率地设计，避体 裁衣、去除冗余，力争程同样的硅片圈积上实现更高的性能，遮样才能在舆体 凌逶黯处理器鹣速择瑟静燹其有竞争力。嵌入式处理器要镑辩髑户懿其俸器忒， 对葱黄饔己鼗避霉亍裁剪藕添翱才能达蓟毽愆豹蝗能；襁嗣对还受精户订费耋的镑 豹。因此不同的处理器面向的用户是不一样的，可能是一般用户，行业用户戚 单一用户。 巍天式琴统囊翼俸应耀寿氛蘧络含在起，它翡蠢豢抉代瞧是窝吴钵产品 同步进行，阂此嵌入式系统产品一凰进入市场，媳有较长的，主命周期。嵌入式 系统中的软件+ 一般都尉化在只读存储器中，而不是以磁盘为簸体，可以随意 烫换，所戳嵌入式系统浆瘫熏较 牛玺命震麓氆稻嵌入式产鑫榉长。是菸，备 个行擅秘斑潮系统帮产潞，和通用诗舞钒较佟不同，很少发生突然性豹虢跃， 嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发餍比较稳定。 嵌入式处瑗器鲍发展媳体现出稳定性，一个体暴一般要存在8 l l o 年敬时阕。 令薄系缝鞠及其籀关的姥上舞设、开发王其、摩游数、嵌入式痘委产菇是 套复杂的知识系统，用户和半导体厂商都不会轻翁地放弃一种她理器。 1 2 2 3 嵌入式系统软l 牛的特征 嵌入式处理嚣燕蠹露较 孛是实飘嵌入式系统臻戆静关毽，对鼗a 式楚缮器 系统软件和j ：藏用软件的袋求也和通用计算机有所不同【6 】。 ( 1 ) 软件娶求固态化存储 隽了掇巅撬嚣邃凄窬系统可靠瞧，褒天式系绫孛戆蓑锌一般熬霞诧在誊德 器芯片或单片机本身中，丽不是存贮予磁盘等载体中。 f 2 ) 软件代码高质量、高可靠性 尽管半导俸技术酌发髓使处理嚣逡度不錾提熹、片上存键嚣容量不薮增翔， 但在大多数液惩中，存储空嗣仍然建塞贵鞠，还存在实辩毪豹蓊求。为魏蘩求 程序编写和编译工具的质鬣要高，以减少程序二避制代码长度、提高执行遴艘。 ( 3 ) 系缆软件( o s ) 蛉离实时眭是荟本要求 在多强务联a 式系统孛，对重要蠼备不稳嚣翡谨务透霉统筹蔻颞翡台壤镶 度是保证每个任务及时执行的关键，蚺纯通过提商处理器速度怒无法完成翱没 鑫 武汉理工大学硕士学位论文 有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的 裹实雾雩瞧楚蒸零要求。 f 4 ) 多任务操作系统怒知识集成的平台和走向工业标准化邋路的基础。 1 2 2 4 嵌入式产品的市场总体特征 2 3 霉，中螯嵌入式操终系统赘场娃子获遴增羲霹麓。嵌入式豢 睾系统熬 总体销售额将超过r m b6 5 0 0 万，相对于2 0 0 2 年，整个嵌入式操作系统市保 持了快速的增长。在未来的几年内，嵌入式系统的发展将为几乎所有的电予设 签注入赣鹣活力，由于逐速发震豹l 舭撼e l 帮j 鬻纛徐懿徽鲶溪嚣酌基瑗，嵌 入式系统将在我们的日常生活里形成个更大的成用领域。消费电子、交通运 输汽车、电信服务网络工业都表现出对这个市场的关注，嵌入式操作系统将继 续保持迅速的增长。 飘嵌入式搡痒系统未来豹技术演变趋势来看，嵌入式襟稼系统在逶讽，汽 车，医疗，安全方面有比较有广泛的应用。同时在消费类的电予产品中，嵌入 式操作系统也显示了较强的增长力。移动终端设备p d a ，手机簿移动终端设备 懿快速增长，大大缆遗了嵌入式搽终系统熬发震。在竞争激爨瓣嵌入式操传系 统市场中，备个嵌入式操作系统厂商依靠不同的产品定位在篓赢市场上拥静着 自己的优势。w i n d r i v e r 和m o n t av j s t a 在通讯，医疗等垂赢市场中拥有自融的 优势，并且农操作系统犟鞋开发工具上蠢鑫己的客户醛。微软，p 蜒m ，s y m b i a 棘和 l i n 珏x 簿营娜在清费类电子等领域确立了自己鹃俊势。信惠产娩都有关部融我国 嵌入技术的开发和应用给予了一贯的赢持，无论从芯片研发、嵌入式操作系统、 嵌入式数据库到应用系统研发乃至推广应用，在政策导向、标准制定、电予生 产发震基龛立顼，售增诗刘款矮鹜黪麓怠等，露嵌入技零及黎瘦弱，都给予了 力所能及的支持。2 0 0 4 年3 月1 1 日，中国信怠产业部与微软公司在北京熬署 合作备忘泶，双方同意合作共建国家软件与集成电路产业公共服务平台的栩关 实验室，微软壤与国晦外双舍俸饮传一道，共嗣建设基予w i n d o w 姝e t 的平 台软件及嵌入式软件实验室。这些举措预示着2 0 0 4 年我国将加快包括嵌入式 软件在内的软件和集成电路产业的发展。到2 0 0 3 年截止，中网嵌入式操作系 统的主要客户分布在电偿，医疗，汽车，安全和消费类等行业。同时，来沫的 嵌入式搽露系统豹主要懿璞长动力采巍滂费类等行建。笳年，誓鑫u x 翡支密 在各个行北的分布比较平均，其中电信占5 0 ，蹶疗2 0 ，汽车1 5 ，工业 5 武汉理工夫学硕士学位论文 控制1 5 ，消费类电子2 0 。虽然j 膛几年嵌入式操作系统得到了快速的发腠 毽嵌入式厂商靛爵茇入掇遥远不麓满蹩侠逮发矮纳南臻羲嚣求，咫令丈麴嵌入 式厂商都稀编缺乏研发人员韵困境。 其它软件产品一样，嵌入式操作添统的厂商也受盗版软件的影响，不能够 大量验卖绘宙需求懿终端黑户，扶禚影噙了嵌入姣厂意熬生夺舔境。涎羲整个 嵌天式隶爨豹侠遮藏长，趸多蕊开发人员需要厂商豹支持，灏入式厂巍魂舔滔 着技术支持和服务能力的压力。国家政策的支持将推动我国软件产业和集成电 路产业的发展，增加信息产业仓4 新能力和国际竞争力，带动传统产业改造秘产 鑫嚣缀按找，避一多键遂霪爨经济持续、糗邃、壤康茇曩；透过竣蒙弓l 髻，鼓 励资金、人才等资源投向软件产业和熊成电路产妣，迸一步促进我国信息产：业 快速发展，力争到2 0 1 0 年使我国软件产业研究开发和生产能力达到或接邋国 际先进承乎，著健我国熊成电路产照成建世器主要开发鞫生产基逋之一。数聚 嚣两金韭充分黎霜餐舔、瀚内两释资源，努力开掰掰个市场。经遥5 到l o 年 的努力，国产软件产品熊够满足国内市场大部分需对乏，并有大凝出口：国产集 成电路产晶蟹满足嚣内市场大部分蕊泉，并有定数量的避路，露对遂一步 镶枣与菱这溪家在开获秘生产技零上熬差鞭。 消费粪电子产品，手机，p d a 的快速发展会攘渤嵌入式产晶的快速发腿，预 计在未来的几年内，我嘲将成为世界上最大的消赞淡电子产晶的使用国，邋也 羰示萋滔赞类电子产晶辩于嵌灭式揉恪系统预示蛰隧夫麓商掇嘲。嵌灭式软锋霹 疆彳年都有蘸好豹发震翁潦，特裂是在醋形显示弱关的游戏等领域。 1 3 游戏弓l 擎简奔 1 + 3 1 什么是引擎 我餐可馘恕游蓑辩举；擎浇终赛攀懿零| 擎，雩 攀跫赛车貉，黢，凌定誊燮车 的性能和稳滋性，赛车的速度、操纵感这些直接与车手相关的指标都建立梅引 攀的基础上。游戏也是血【) 此，玩家所体验到的剧情、关卡、荑工、音乐、操作 等瘫枣都是出游戏数弓 擎褒接控制静，它扮演赘串甥发魂税的角色，把游戏中 静辑毒元素捆绑在趣，在后台据簿它们丽薅、有黟穗工 萋强 无论是2 d 游戏还媳0 d 游戏。凇谂是角色扮濑游戏、即时策略游戏、冒险 武汉理工火学硕士学位论文 解谜游戏或是动作射击游戏，哪怕是一个只有l 兆的小游戏，都有这样一段起 控制作用的代码。经过不断的进化，如今的游戏引擎已经发展为一套由多个子 系统共同构成的复杂系统，从建模、动画到光影、粒子特效，从物理系统、碰 撞检测到文件管理、网络特性，还有专业的编辑工具和插件，几乎涵盖了开发 过程中的所有重要环节【8 1 ，以下就对引擎的一些关键部件作一个简单的介绍。 首先是光影效果，即场景中的光源对处于其中的人和物的影响方式。游戏 的光影效果完全是由引擎控制的，折射、反射等基本的光学原理以及动态光源、 彩色光源等高级效果都是通过引擎的不同编程技术实现的。 其次是动画，目前游戏所采用的动画系统可以分为两种：一是骨骼动画系 统，一是模型动画系统，前者用内置的骨骼带动物体产生运动，比较常见，后 者则是在模型的基础上直接进行变形。引擎把这两种动画系统预先植入游戏， 方便动画师为角色设计丰富的动作造型。 引擎的另一重要功能是提供物理系统，这可以使物体的运动遵循固定的规 律，例如，当角色跳起的时候，系统内定的重力值将决定他能跳多高，以及下 落的速度有多快，子弹的飞行轨迹、车辆的颠簸方式也都是由物理系统决定的。 碰撞探测是物理系统的核心部分，它可以探测游戏中各物体的物理边缘。 当两个3 d 物体撞在一起的时候，这种技术可以防止它们相互穿过，这就确保了 当你撞在墙上的时候，不会穿墙而过，也不会把墙撞倒，因为碰撞探测会根据 你和墙之间的特性确定两者的位置和相互的作用关系。 演染是引擎最重要的功能之一，当3 d 模型制作完毕之后，美工会按照不同 的面把材质贴图赋予模型，这相当于为骨骼蒙上皮肤，最后再通过渲染引擎把 模型、动画、光影、特效等所有效果实时计算出来并展示在屏幕上。渲染引擎 在引擎的所有部件当中是最复杂的，它的强大与否直接决定着最终的输出质量。 引擎还有一个重要的职责就是负责玩家与电脑之间的沟通，处理来自键盘、 鼠标、摇杆和其它外设的信号。如果游戏支持联网特性的话，网络代码也会被 集成在引擎中，用于管理客户端与服务器之间的通信。 引擎相当于游戏的框架，框架打好后，关卡设计师、建模师、动画师只要 往里填充内容就可以了。因此，在3 d 游戏的开发过程中，引擎的制作往往会占 用非常多的时间，正是出于节约成本、缩短周期和降低风险这三方面的考虑， 越来越多的开发者倾向于使用第三方的现成引擎制作自己的游戏，个庞大的 引擎授权市场己经形成。 武汉理工大学砸士学位论烹 1 3 。2 弓l 攀的发展箍史 曾经有一段时期，游戏开发者关心的只是如何爆量多地歼缴出新的游戏并 把它们推销绘玩家。尽管那时的游戏大多简单粗糙，但每款游戏的平均开发周 辎遵要达妥8 爨l o 令爨以上，这一方露是由于按米的熏嚣，受方瑟黧是疆巍 凡乎每款游戏都要献头编秘代码，造成了大量的整复劳动。渐渐地，些肖经 验的开发者摸索出了一种方法，他们借用上一款熬似题材的游戏中的部分代碣 俺先毅游戏鲍蒸本框架，以节省开发毽孪藏帮开发赞鼹，雩l 擎的概念戆是在这耪 枫器蘧嚣鼗瓣耱景下诞生躺拶 。 每一款游戏都有自融的引擎，倦黛砸能获得他人认可并成为标准的引紫并 不多。纵观游戏引擎的发殿历程，可以嚣出引擎最大的驱动力来趣子3 d 游戏， 茏其是3 d 射蠢游戏。毽姥，下嚣对弓! 攀酪赁变酲顾姆主要嚣绕旗佟射击游戏豌 变迁展开。 引攀的诞生( 1 9 9 2 邻一1 9 9 3 年) 1 9 9 2 年，3 dr c 越m s 公司淀p o i f e 公霹发毒了一款只有2 瑟多蛉小游戏德 零露令部，它在整个亳簸游戏爱震囊上占摇着羹要缝位。该游戏开镄了第一人 称射击游戏的先河，更麓荣的是，它谯x 轴和y 轴的基础上增加了一根z 轴， 猩由宽度和离艘构成的平麟上增加了一个向前向后的纵深空间。 雩l 擎鞋生秘襄匏舅一部霆要游戏同撵是凄鑫避s o 差崤戳公司翡一款 豢成 功的第一人称射击游戏一毁灭战士o o m ) 。d 0 0 m 引擎在技拳上大大超越了 w o l f e n s t e i n 3 d 引擎，德举司令部中的所有物体大小都是固定的，所有路径之 越静蕉度都是点凳，迄就蕊说豫只裁楚麓逢蓠进或鼷退，这些餍隈在毁灭战 串帮褥戮了突破。尽管游戏翁关卡还是维持在2 d 平面上进行制作，没有“楼 上楼”的概念，但墙壁的脬度可以为任寐，并且路梅之间的角度也可以为任崽， 这使得楼梯、升降平台、塔楼秘户舶等备嵇场景戏斑露缝。 蠡予埝。嫩弓 擎奉爨上羲熬是二缭鲢，霆魏可玖钕嚣嚣辩在屏幕主显承夫 激角色而不影响游戏的运彳亍速度。值褥一提的是，尽管d o o m 弓f 攀缺乏足够的 细节度，但开发者仍然在毁灭战士中表现出了惊人的环境效果，其纯熟的 设计技巧实程令大赞叹。 不过受氆褥纪念静怒，d o o m 弓l 擎跫第一个被髑：哥授权豹引擎。1 9 9 3 年戚， r a v e n 公司荣用改进后的d o o m 引擎开缴了一款名为投影者的游戏，这怒游 8 武汉理工大举硕士学位论文 戏史上第例成功的嫁接手术。1 9 9 4 年r a v e n 公司采用d o o m 引擎开发鼯教 徒，为弓| 辇增秀鬟了飞行豹特性，成为魏跃费 辛豹麓赛。i 9 蟠年鬏辑e 珏公司采霜 d o o m 引擎开发毁灭蕊师，加入了新的音效技术、脚本技术以及一种类似集 线器的关卡设计，使你可以在不同关卡之间自由移动。r a v e n 公司与i ds o f t w a r e 公司之阕弱系裂合俘兖分谖鞠了霉l 擎懿授权秃论对予搜用考还是西发者来说 都是大有稗蒴的，只有搬自己的弓l 攀交给更多的入去使用才+ 熊使弓l 擎不断城成 熟起来。 弓l 攀的转变( 1 9 9 4 年一1 9 9 7 年) 在弓| 擎豹进纯过程中，肯谣尔弗燕子1 9 9 4 年兔3 d r e a l 撒s 公裁开发豹转u i l d 引擎是一个煎要的里程碑，b u i l d 引擎的“肉身”就是毁灭公爵( d u k en u k e m 3 d 1 。毁灭公爵己经具备了今天第一人称射击游戏的所有标准内容，如跳跃、 3 醵凄舔享凳疆及下蹲彝游泳等特牲，憩羚还逛舅教捷至熬飞行换或了喷气鹜 包，甚至加入了角色缩小等令人耳爵一新的内容。在b u i l d 引擎的基础上先厨诞 生过1 4 款游戏。不过从总体来看，b u i l d 引擎并没有为3 d 引攀的发展带来任何 质的变化，突破的任务疆终由i d s o f l w a r e 公司躲露享串之锤( 鼢a l ( 曲完成了。 雷亭孛之锤紧鞭在毁灭公爵之看发謦，从内容豹精彩程度来看毁 灭公爵趟过雷神之镟不少，假从技术的先进与否来看，雷神之锤怒毫 无疑问的赢家。q u a k e 引攀是当时第一款完全支持多边形模型、动画和粒子特效 熬龚瑟意义上戆3 d 弓l 紫。藏努q # a 靛e 辱| 擎还是逡线游戏夔始终镪者，最终撅网 络游戏带入大众的视野之中的是雷神之锤，是它促成了电子竞技产业的发展。 一年之后，i ds o f t w a r e 公司推出雷神之锤2 ，一举确定了自己在3 d 引擎 毒场上的纛主遮位；嚣褥之锤2 采瘸了一套全赫的弓l 擎，霹以更充分媳列j 瑟l 3 d 力n 速和o p e n g l 技术，在图像和网络方面与虢作相眈有了瘊静飞跃，r a v e n 公司的异教徒2 和军事冒险家、r i t u a l 公司的原罪都采用了q u a k e i i 弓l 擎。 正当蕊a bl l 狻赣蘩个弓| 擎枣场戆露该，e p i cm e g a9 8 m e s 公司戆纛幻 问世了。尽管当时只是在3 0 0 x 2 0 0 的分辨率下运行的这款游戏，除了精致的建 筑物外，游戏中的许多特效即便在今天看来依然缀出色，荡漾的水波，美丽的 天空，藏大懿关专，遥囊筑犬焰、爆雾秘力场等效果。默荤缝鹣西嚣效累泉器， 虚幻怒当之无愧的佼佼者。 u n r e a l 引擎可能是使用最广的敞引擎，在推出后的两年之内就有1 8 歉游 9 武汉理工大学硕士学位论文 戏与e p i c 公司签订了许可协议。u 埘e 8 lg 擎的应用范围不隈予游戏制作，还涵 篓了教眷、建筑等其它镊域。 引黎的革命n 9 9 8 年2 0 0 2 举) 游戏的图像发展到虚幻这熙已经达到了一个前所未衡的高度，但引擎 技术对予游戏懿终锺势不蔹禺疆予谶霹，它还影拣到游戏麓整体斑捂。 两郝戮时代的 擘晶同时出现在1 9 9 8 年一v a v e 公司韵半条命和沁涨i n g g l a s s 工作囊的神偷 暗黑计划，对后来的作品以及引擎技术的进化造成如此 深远的影螭。曾获褥无数大奖的半祭螽采蹋的是q 吣a k e 鹅铷呔el l 弓l 鬻熊 混合葬，确l v e 公司在这薅酃弓l 擎静鏊雅上纛入7 鼹拿壤重要豹褥整；一楚脚本 序列技术，遮一技术可以令游戏以台乎情理的节餐通过触动攀件的方式让溉家 真实地体验测情节的发展，这对于诞生以来就很少注重情节的繁一人称射诲游 戏来说秃疑是一次镩大弱革鸯；第二个特往是辩人王餐麓弓| 辇浆改进，敌人豹 幸亍动与敷谯相比鹅显寄了更多静狡诈，不再是肇纯地补扁枪潮。这两个特点赋 予了半祭命引擎鲜明的个性，裁此基础上诞擞的要塞小分队、发恐精 英秘毁灭之目等谯秀佟鑫又邋过露终代码靛嬲天令半条愈弓| 擎焕发 惠了更受夺援携竞芒。 在人工智能方面真难取得突破的游戏是l o o k i n gg l a s s 工作嶷的神愉：暗 熙计划，激用的是b o k i n gg l a s s 工作室自行开发的d a r k 引擎。d a f k 引攀在图 像方霞魄不上莺饕之锤2 凌虚幻，僵在入工餐藐方嚣它黯末灌帮运送离 于后两者。如今韵绝大部分第一人称射击游戏都躐多或少地采用了这种稳秘的 风格。 受拳条鑫穗毒孛徐：噻黑计娥蕊款游戏煞襄发，越来越多斡开发者开 始把注意力疑擎魏豹视懿效果转淘疑凝交耗秘游戏肉容，其中魄鞍值褥掇的 是离子风暴工作室出品的杀出重围，杀出重围采用的是u n r e a l 引攀，尽 管画亟效熙十分出众，但在个体的人工智能方藤它无法达到摊徐系列的水 罐，霪爨筑鑫震戆漕了入王磐爱考嚣懿浚隆，露粪正帮襞杀是重基在众多 射击游戏中脱颖而出韵则是它的独特风格，游戏含有浓重的角色扮演成分，人 物可以积累经验、提筒投能，还有丰寓的对话和曲折的情节。网半条命一 榉，系窭蹙匿戆成功漉疆了叙事对第一太酪藜赘游戏戆重臻经，慈否更好缝 支持游戏酌叙事能力戒为了衡量弓i 擎的个耨标凇。 从2 0 0 0 年开始3 d 引擎朝着两个不同的方向分化，一是如半条命、神 l o 武汉理r 穴举硕士学位论文 谂移杀豳重圈那样通过融入爨澎懿叙事成分和角色扮演成分以及加强游 戏戆夫工罄憨寒提赛游戏酾虿嚣链，二是蔹蓑纯粹翁鼹终摸式发展，在这一方 蕊，i ds o f t w a r e 公司再次鹰到了整个行业的最前沿，在q u a k ei t 鼢色的图像翠f 擎 的基础上加入更多的网络成分，推出了一款完全没有单人过关模式的纯粹的网 臻游蕊一雷穗之锤3 竞技场，它乓e 啦公霭鹣嚣接爨黪震翅竞接场薅 成为零 擎发禳史上酌一个转折点。 随着o u a k ci i i 引攀的大获成功，r a v e n 公司辩次同i ds o f l w a r e 公司合作， 采爆q 毽寐e 艇l 弓| 擎制髂7 第一人嚣瓣涛游戏星酝迷靛：糖茭部酞，此夕 送豁 零 擎还疆翔予翻箨第三人称凌蒋游戏霪金属嚣茂甄耗2 释芟藤丝漫游骧蠛、 两款二战斌材的射击游戏重返德军总部和泶誉勋章：盟军谶攻，充分魏示 了q u a k el i l 引擎的强大潜力。 e # i e 公讶戆蠹幻竞技壤虽然滋雷裤之落3 竞技场藩爱了一步，照 如果仔细貔较一下的话，就会发现它的表现要略黼出后者一黪。飘画面方掰看 两者差不多打成平手，怛在联网模式。t ，它不仪掇供有死亡竞赛模式，述擒供 膏匿酞台终等多释澈烈火爆粒对战模式，恧虽u 魏r e a | i o u 翔a m e n t 弓| 擎不仅磷蚨 应爝在动髂瓣壹游戏串，还再爨爻丈黧多人游戏、簿对策雅游戏纛角色扮演游 戏提供强肖力的3 d 支持。 在1 9 9 8 年到2 0 0 0 年期间迅速崛趣的另一款弓l 擎是m o n o l j t h 公司的“t h 弧穗 弓 擎，这款蹲 攀爱裙髭鞠程橇争射击游戏舞剧上斡。采惩“t 旺b 盎第一代 引擎制作的游戏包括舷兆2 和满醒等。2 0 l 【) 0 年“t h 酶c h 公司推出了引 擎的2 0 版本和2 5 版本，加入了骨黼动域和高级地形系统，“c h n c h 引擎除了 本奏懿强大憷蘸掺，最丈缒卖点在予谍尽懿鼹务，除了珏t 搬b 赢雩l 擎抟繇 弋避 帮编辑器井，购买者j 丕爵潋获褥凳赞的升缀、邋撬瀚龟子部稃帮电话鼓零支持， l i t h t c c h 公司甚至还会把购买者请到公司进行手把手的培训。谢且l i t h r c h 弓l 擎 的平均价格也不算很离，大约在2 5 万美元左右，隈q u a k ei l l 譬l 擎的7 0 万美元 籀凌己鬟惫鞠当蘩蘩7 。 1 4 课题内容及意义 虽然嵌入式系统遴颦来发展迅遮，萁孩心器体一一嵌入式怒理器豹各项指 标已经达到戚超过4 8 6 髅至5 8 6 台式机处理的水平，但其硬件潦源相对与俞式 武汉理工大学硕士学位论文 p c 机而言，仍然较为愿恶，且受其成惩领域的专业性限制，其澍资源占髑以及 魏应辩窝等方嚣赘要求邀较梵萤蘩，静对在该平台上运嚣熬较 争系统均鸯斑存 使用量及算法优化方面的鬻求。故本课题旨在研究一种在嵌入式平台上方便移 植和进行2 d 游戏开发的游戏引擎机制，并在特定的软硬件环境下予以实现。 嚣裁，嵌入式系筑黔笈震求孚基缝髓錾受复杂熬游戏软佟提供足够的支持， 并豆基于不鬻嵌入式硬件平台靛游戏市场霞趋牧丈。将p c 祝平螽游戏弓i 擎的设 计和实现思想，引入到嵌入式平台游溅开发过程擞中，实现舆脊较强可移植性 的2 d 游戏碍l 攀，能够掇离游戏开发过程中代码复髑稷度，增强游戏软终在不丽 嵌灭式乎螽黥酉移蓬性，凝骞缀丈熬现实意义。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章技术背景 2 1 嵌入式平台的软硬件系统构成 嵌入式系统应用广泛，其涉及领域从国防、工妲、农业到民用行业豹备个 领域，其产品也逐渐深入到人们的日常生活当中，包括：手机、各种网络设备 及手持式p o s 设备等等，在很多场合都能够看到它们的身影。但嵌入式系统终 究是壶计冀撬系统翡鏊本框絮发震嚣来的，典鳖静嵌灭式系统掰包古夔摸浚通 常也是较为固定的，而猩不同的应用领域往往是增加了不同的外围功能扩展模 块，其核心部分仍然不变。 2 1 1 典型嵌入式系统硬件构成 嵌入式系统从根本上来讲，就怒一台功能及外部瓷源较为简单的计算机系 统，其核- 模块一般毯据：e p u ( 嚣m b e d d o dp 静c e s $ u 弼) 、j 譬髓摹元、输入输 出模块、功能扩展模块簿【1 u j 。 e p u ：嵌入式处理单元，是整个嵌入式系统的核心，通常是集成了中央处理 嚣以及丰蹇羚部资滚按霜兹芯片。强蔻生产该类产最豹厂家众多，怠糖： s u m s u n 叠、珊i l p 等多个厂家。 存储单元：对于嵌入式系统通常包括：r a m 和f l a s h 两个部分，其中r a m 为软件系统运行提供空阙，两f l a s l 通常是为了方便软件系统鸵捧电保存，其 功麓类骰传统计算祝系统中懿矫部存储设备，翔磺盘等。 输入输出模块：针对传统计算机系统而言，该部分通常掇供一种人机交互 的方式，而嵌入式系统在某些领域的应用对该部分要求并不商，如：某些工业 设各或稠终浚冬，在该炎产瑟中爨港麴辕塞竣入攘块，往往羧枣、著目等逶谖 模块所取代。但在嵌入式系统应用比例越来越大的民用产潞中，如：手机设 备、玩具、游戏产品等，该模块的功能显得尤为煎要，特别怒在具备游戏功能 瞧产品中，为用户提供一种方便可行鼹易于操佟瓣输入方式，并给用户最为童 蕊的输出方式，将大丈增强产品的党争力。如：在手机及游戏产品中往藏会提 供小键盘及触摸屏方式作为最常用的用户输入方式，而彩色大屏幕显示将成为 武汉理c 大学硕士学位论文 这类产品嬲标准配置。 磅糍秽鼹摸获：该类模块逶誊遂海莱望专受锈域嚣褒露搿奄嚣夔，鞠：鸯