【译】TetroGL: An OpenGL Game Tutorial in C++ for Win32 Platforms - Part 2 （上）

原文链接：TetroGL: An OpenGL Game Tutorial in C++ for Win32 Platforms - Part 2 

 

在这个系列的第一部分中,作者介绍了窗口的创建以及OpenGL环境的创建,在接下来这一部分中,作者将介绍如何处理游戏中的资源以及如何显示简单的动画

简介

      这个系列的第一篇文章关注于窗口的创建和OpenGL环境的创建,本文将有趣的多,因为我们将尝试加载显示图片文件,并且显示一些动画效果.你将会看到如何才能有效地操纵这些资源.当然本文完成的项目还不是一个游戏,因为它还没有加入任何游戏逻辑,它唯一能做的仅仅是在屏幕上移动人物角色,并且用动画的效果显示(没有实现碰撞检测)

文件的组织

      首先来考虑如何更好地组织文件资源.作者一般会创建一个src文件夹来放置所有的源文件(.h和.cpp),一个bin文件夹来放置最终的可执行文件和所有所需要的资源,一个obj文件夹

用来放置编译所得到的中间文件,一个dependencies文件夹放置用到的第三方库.如果你有许多资源(图片,音乐,配置文件等),你甚至可以将bin文件夹进一步划分为子文件夹.

      现在我们就来按照上面的文件组织形式来更改项目设置.对于源文件,只需要将它们复制到src文件夹中,并将其加入项目就行.为了配置输出文件夹和中间文件夹,更改如下图:

 

$(SolutionDir) 和$(ConfigurationName) 是预先定义的宏.前一个指向解决方案所在文件夹,后一个指向当前活动配置(debug or release):在obj文件夹中,会创建出两个子文件夹,一个配置一个文件夹

加载图片

很不幸,OpenGL对于加载图片没有提供任何帮助.因此我们必须借助第三方库的帮助.有很多第三方库可供选择,作者提供了两个建议: DevIL 和FreeImage.DevIL更适合于OpenGL,因此作者选择了它.

首先要做的是将所需要的DevIL文件拷贝到dependencies文件夹中:首先创建一个子文件夹DevIL,并将DevIL官网上的文件拷贝至此.要正确地使用它,我们必须修改一个文件的名字:在”include/IL”文件夹中,有一个名为config.h.win的文件,将其重命名为config.h.然后拷贝DevIL.dll到你的bin文件夹中,因为它将会被你的可执行文件使用到.

然后我们必须在项目属性中进行配置,以便使用DevIL.如下图所示:

 

这将会告诉编译器到哪里去寻找所需要的DevIL头文件,这样设置,我们就可以不必提供DevIL头文件的全路径.

 

上图配置就告诉链接器到哪里去寻找附加的文件夹(这个文件夹中包含了要链接的库文件). 

 

上图配置会告诉编译器此项目必须链接DevIL库和OpenGL库.

资源管理

      现在使用DevIL的环境已经搭建好了,我们现在开始加载一些图片并显示它们.但在此之前,我们先考虑下如何更有效地管理这些资源文件.假设我们需要显示一棵树,它包含在个名为tree.png的文件中,最暴力的方法是简单地加载文件并保存在内存中,这样在每次重绘帧时可以重用它.这种方法看起来不错,但它有一个小问题:假设我们现在需要显示此树的次数超过一次,那么我们就必须几次在内存中加载纹理文件,而这显然是低效的.我们必须要想一个办法,即使我们在不同位置的代码中也能使用同一份纹理文件.这通过将加载资源文件代理给一个特定的类:纹理文件管理者就可以轻松地解决.让我们首先来看看这个类:

#include "Texture.h"
#include <string>
#include <map>
// The texture manager avoid a same texture to be loaded multiple
// times. It keeps a map containing all the already loaded textures.
class CTextureManager
{
public:
    // Loads a texture specified by its filename. If the texture is not
    // loaded already, the texture manager will load it, store it and 
    // return it. Otherwise it simply returns the existing one.
    CTexture* GetTexture(const std::string& strTextName);
    // Release the texture specified by its filename. Returns true if 
    // the texture was found, otherwise false.
    bool ReleaseTexture(const std::string& strTextName);
    // Returns the single instance of the texture manager.
    // The manager is implemented as a singleton.
    static CTextureManager* GetInstance();
protected:
    // Both constructor and destructor are protected to make
    // it impossible to create an instance directly.
    CTextureManager();
    ~CTextureManager();
private:
    typedef std::map<std::string,CTexture*> TTextureMap;
    // The map of already loaded textures. There are indexed
    // using their filename.
    TTextureMap m_Textures; //已加载的资源文件映射表
};

      这个类是以单例模式实现的.

CTextureManager* CTextureManager::GetInstance()
{
    // Returns the unique class instance.
    static CTextureManager Instance;
    return &Instance;
}

这样就可以拥有一个全局唯一的实例,并且访问它也十分简单:

CTexture* pTexture = CTextureManager::GetInstance()->GetTexture("MyTexture.bmp");

这个类的构造函数负责对DevIL库进行初始化:

CTextureManager::CTextureManager() : m_Textures()
{
    // Initialize DevIL
    ilInit();
    // Set the first loaded point to the 
    // upper-left corner.
    ilOriginFunc(IL_ORIGIN_UPPER_LEFT);
    ilEnable(IL_ORIGIN_SET);
}

     在调用DevIL库函数前,必须先调用ilInit以便对库进行初始化.此外,我们还需要指明图片如何进行加载:先是左上方.这样做的目的是我们就不需要对纹理图片进行翻转.默认情况下这个选项是禁止的,因此我们需要调用ilEnable(IL_ORIGIN_SET);来使之设置为允许.

     现在来看看GetTexture方法:

CTexture* CTextureManager::GetTexture(const string& strTextName)
{
    // Look in the map if the texture is already loaded.
    TTextureMap::const_iterator iter = m_Textures.find(strTextName);
    if (iter != m_Textures.end())
        return iter->second;
    // If it was not found, try to load it from file. If the load 
    // failed, delete the texture and throw an exception.
    CTexture* pNewText = NULL;
    try
    {
        pNewText = new CTexture(strTextName);
    }
    catch (CException& e)
    {
        delete pNewText;
        throw e;
    }
    // Store the newly loaded texture and return it.
    m_Textures[strTextName] = pNewText;
    return pNewText;
}

     很简单的实现代码:首先根据给定的文件名在映射表中查找文件是否已经加载进来了,若是则直接返回,否则就从文件中进行加载.待会我们会看到在CTexture类的构造函数中会尝试加载文件,若失败则抛出异常.因此,在纹理文件管理者类中,若捕获到此异常,就删除纹理文件(这是为了避免内存泄露)并且再次抛出异常.若文件加载成功,则将其保存到映射表中(以其文件名作为键值).

      此外,我们还提供了释放已加载资源的方法,非常简单的实现:在映射表中查找,若存在就删除它,并且从映射表中移除.

 bool CTextureManager::ReleaseTexture(const std::string& strTextName)
{
    // Retrieve the texture from the map
    bool bFound = false;
    TTextureMap::iterator iter = m_Textures.find(strTextName);
    if (iter != m_Textures.end())
    {
        // If it was found, we delete it and remove the
        // pointer from the map.
        bFound = true;
        if (iter->second)
            delete iter->second;
        m_Textures.erase(iter);
    }
    return bFound;
}

资源包装类CTexture

 

CTexture类
#include <Windows.h>
#include "GL/gl.h"
#include <string>
class CTextureManager;
// Class that wraps information about a texture. This class 
// won't be used directly by the users. Instead, they will
// manipulate the CImage class.
class CTexture
{
    friend class CTextureManager;
public:
    // Specifies a color key to be used for the texture. The color 
    // specifed as arguments will be transparent when the texture 
    // is rendered on the screen.
    void SetColorKey(unsigned char Red, unsigned char Green, unsigned char Blue);
    // Returns the width of the texture
    unsigned int GetWidth()  const  { return m_TextData.nWidth;  }
    // Returns the height of the texture.
    unsigned int GetHeight() const  { return m_TextData.nHeight; }
    // Adds/release a reference for the texture. When ReleaseReference 
    // is called and decreases the reference count to 0, the texture 
    // is released from the texture manager.
    void AddReference();
    void ReleaseReference();
    // Bind this texture with openGL: this texture becomes
    // the 'active' texture in openGL.
    void Bind() const;
protected:
    // Constructor which takes the filename as argument.
    // It loads the file and throw an exception if the load
    // failed.
    CTexture(const std::string& strFileName);
    ~CTexture();
private:
    // Loads the texture from the specifed file. Throws an
    // exception if the load failed.
    void LoadFile(const std::string& strFileName);
    // Structure that contains the information about the texture.
    struct STextureData
    {
        // Width of the texture
        unsigned int   nWidth; //纹理宽度
        // Height of the texture
        unsigned int   nHeight; //纹理高度
        // Byte array containing the texture data
        unsigned char* pData; //包含纹理数据的字节数组
    };
    STextureData m_TextData;
    // The openGL id associated with this texture.
    mutable GLuint m_glId;
    // Reference count of the number of images that still hold a reference
    // to this texture. When no images reference the texture anymore, it is 
    // released.
    int m_iRefCount; //引用计数
    // The filename from which the texture was loaded from.
    std::string m_strTextName;
};

       我们可以看到此类的构造函数是受保护的,这是因为只允许CTextureManager类能够创建纹理,这也是为什么将其设为此类的友元类.CTexture类的核心是STextureData结构体,它包含了从文件加载进的所有信息:包含文件数据的字节数组,纹理的宽度和高度.

      下面看看究竟是如何加载文件的:

void CTexture::LoadFile(const std::string& strFileName)
{
    // Generate a new image Id and bind it with the
    // current image.
    ILuint imgId;
    ilGenImages(1,&imgId);
    ilBindImage(imgId);
    // Load the file data in the current image.
    if (!ilLoadImage(strFileName.c_str()))
    {
        string strError = "Failed to load file: " + strFileName;
        throw CException(strError);
    }
    // Store the data in our STextureData structure.
    m_TextData.nWidth    = ilGetInteger(IL_IMAGE_WIDTH);
    m_TextData.nHeight    = ilGetInteger(IL_IMAGE_HEIGHT);
    unsigned int size = m_TextData.nWidth * m_TextData.nHeight * 4; //字节数,RGBA类型
    m_TextData.pData = new unsigned char[size];
    ilCopyPixels(0, 0, 0, m_TextData.nWidth, m_TextData.nHeight,
        1, IL_RGBA, IL_UNSIGNED_BYTE, m_TextData.pData);
    // Finally, delete the DevIL image data.
    ilDeleteImage(imgId);
}

      正如你看到的,我们使用DevIL来加载文件.首先要做的是创建一个新的图片id,并将其绑定到当前图片上.如果你想使用id对某个特定图片进行一些操作时,这是必需的.实际上,我们只需要在删除图片时使用它.然后,我们使用ilLoadImage尝试加载文件.这个函数负责处理各种不同的文件格式,当加载失败时返回false(你还可以调用ilGetError来查询其错误代码).若是这种情况,我们简单地抛出一个异常.如果你还记得,在第一篇文章中这些异常将会在main函数中被捕获,并且在退出程序前显示一个错误信息.接下来,我们获取图片的宽度和高度(ilGetInteger和ilCopyPixels函数对当前活动图片总是有效的).然后,我们为m_TextData.pData域分配空间:每个像素由4个字节编码(因为是RGBA类型).然后,调用ilCopyPixels函数来拷贝缓冲区中的图片数据.前三个参数分别是开始拷贝点的x,y,z位置,接下来的参数是这些方向上待拷贝的像素数目.然后指定图片格式:RGBA意味着每个颜色通道一个字节(RGB),以及alpha通道一个字节(A).Alpha通道用于指明像素的透明度,值为0表示全透明,值为255表示不透明.然后指明了每个部分的类型:它们必须以无符号字节进行编码.最后一个参数是包含像素数据的缓冲区指针.最后,由于我们不再需要DevIL图片数据,因此将其删除.

注:在OpenGL中使用DevIL加载纹理图片有更加简单的方式.ILUT库允许你调用ilutGLLoadImage函数加载图片并直接联系到一个OpenGL纹理上,此函数会返回OpenGL纹理的id.这是最简单的方式,但如此一来你就无法对原始字节数据进行操作,而这是接下来进行抠色(Color Keying)时要做的.

一旦数据从文件中加载出来后,我们就需要产生一个新的OpenGL纹理,并为之提供数据.这在纹理被首次要请求时,在CTexture::Bind函数中实现:

void CTexture::Bind() const
{
    // If the texture has not been generated in OpenGL yet,
    // generate it.
    if(!m_glId)
    {
        // Generate one new texture Id.
        glGenTextures(1,&m_glId);
        // Make this texture the active one, so that each
        // subsequent glTex* calls will affect it.
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D,m_glId);
        // Specify a linear filter for both the minification and
        // magnification.
        glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);            
        glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
        // Sets drawing mode to GL_MODULATE
        glTexEnvf(GL_TEXTURE_ENV, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_MODULATE);
        // Finally, generate the texture data in OpenGL.
        glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 4, m_TextData.nWidth, m_TextData.nHeight,
                0,GL_RGBA,GL_UNSIGNED_BYTE,m_TextData.pData);
    }
    // Make the existing texture specified by its OpenGL id
    // the active texture.
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D,m_glId);
}

OpenGL重要的一点是它每次只能使用一个纹理.因此,要想对一个多边形贴纹理,就必须选中活动纹理(也叫”绑定”).这通过调用glBindTexture来完成.每个OpenGL纹理都有其id,这里我们将其存储在 CTexture类的m_glId成员变量中.id为0表明纹理还没有被OpenGL产生出来.因此,当此函数第一次被调用时,m_glId将会是0.此时我们将会调用glGenTextures来请求OpenGL产生一个id.

      m_glId是mutable的,这是因为我们想让Bind函数是const的,而这个成员变量只被修改一次(当纹理被产生时对其修改).glGenTextures函数可以允许你产生多个Id(第一个参数就是要产生的Id个数),但我们只想要单个Id.然后我们调用glBindTexture:这将绑定纹理(通过其Id)到活动的2维纹理上.这是必须的,因为接下来的纹理操作将会影响到你这里指定的特定纹理.

      接下来的纹理操作就不解释了,可以参考红宝书…

抠色（Color Keying）

        我们总是blit矩形区域的图片，但是很显然，几乎没有一个游戏的角色图片是矩形的。美工把图片画到一个矩形范围内，如果设定了特定的背景颜色，我们就可以把矩形图片上的角色“抠”下来，相对于背景来说，我们就是把不属于角色的背景颜色扣掉，故称抠色。有些文件格式不支持透明通道(比如bmp文件),因此如果你想让纹理图片的某些部分透明,唯一的选择就是使用一个特定的颜色来欺骗玩家.OpenGL并不支持抠色,但通过纹理图片的Alpha通道可以很轻松地加入这个特性.这就是CTexture::SetColorKey函数所做的:

void CTexture::SetColorKey(unsigned char Red, unsigned char Green,  unsigned char Blue)
{
    // If the texture has already been specified to OpenGL, 
    // we delete it.
    if (m_glId)
    {
        glDeleteTextures(1,&m_glId);
        m_glId = 0;
    }
    // For all the pixels that correspond to the specifed color,
    // set the alpha channel to 0 (transparent) and reset the other
    // ones to 255.
    unsigned long Count = m_TextData.nWidth * m_TextData.nHeight * 4;
    for (unsigned long i = 0; i<Count; i+=4)
    {
        if ( (m_TextData.pData[i]==Red) && (m_TextData.pData[i+1]==Green) 
              && (m_TextData.pData[i+2]==Blue) )
            m_TextData.pData[i+3] = 0; //将指定颜色的像素点设置透明的
        else
            m_TextData.pData[i+3] = 255; //其他颜色的像素点设置为不透明
    }
}

它的实现很简单:遍历所有纹理数据,寻找指定颜色的像素点,将其Alpha通道设置为0,它就变得透明了.而对于其他像素点,将其Alpha通道设置为255.在这样做之前,我们必须先检查纹理是否已经指定给OpenGL了.若是,则必须在OpenGL中重新加载纹理.这只需要通过设置m_glId为0就可以完成(还记得吗?在Bind函数中会首先检查这个变量是否为0!).

最后,纹理是引用计数的,并且它的构造函数是受保护的,因此你无法直接创建一个CTexture对象.引用计数是通过下面两个函数实现的:

void CTexture::AddReference()
{
    // Increase the reference count.
    m_iRefCount++;
}
void CTexture::ReleaseReference()
{
    // Decrease the reference count. If it reaches 0,
    // the texture is released from the texture manager.
    m_iRefCount--;
    if (m_iRefCount == 0)
        CTextureManager::GetInstance()->ReleaseTexture(m_strTextName);
}

      之所以要使用引用计数,是因为多个CImage对象可以引用同一个纹理.我们必须知道此时有多少个CImage对象在使用此纹理,而不是当一个CImage对象销毁时就任意释放纹理资源.