3D MMORPG客户端的一般架构

转自：http://eric-weitm.iteye.com/blog/1532923

一、前言
    通常说的游戏指的是real-time interactive video game, 这里面交互性指的是玩家的操作会影响画面的显示（这是与电影、动画片等的区别），由于系统会对玩家的操作进行反馈，所以这类的游戏更真实，更吸引人，real-time 是指玩家的操作、环境的变化必须要实时的在画面上表现出来。普通PC上运行的客户端游戏是video game的一种，其利用通用的计算机实现了实时交互性的效果。
   本质上PC是数字计算机，即信号是离散的（与连续相对）、数字的，所有连续的效果通过足够快的更新画面来实现，实际上电影、电视都是用离散来模拟连续。因为一般人眼的反应时间大概是毫秒这个量级，所以使用离散来模拟连续是可行的。

二、几个基本术语
gameplay：大概是“玩法”的意思
gamepad (also called joypad or control pad)：游戏手柄
MMORPG：Massively multiplayer online role-playing game
Skeletal animation（骨骼动画）：模型的动画实际上是连续的多个离散的顶点位置集合，顶点动画是将这些位置的集合事先计算好，在使用时直接放入显卡进行渲染，
骨骼动画是在每一帧中计算各个抽象的骨头的变换矩阵，之后在渲染时由显卡负责将这些变换作用到起初设定的skin上面。
ragdoll physics：骨骼动画里面的每个bone（rigid bodies ）之间建立了一种相互约束的关系（比如胳膊只能向里面弯曲，这样可以模拟人体的运动），这样使动画效果更真实

三、3D MMORPG客户端要解决的一些问题（需求）
1、实时性（战场、玩家信息等数据要实时的更新）
2、保证帧平稳（画面播放要平稳、不能有快进或卡住的感觉），由于是实时进行计算所以这个还是有一定难度的
3、不能卡住整个线程
4、3d模型的效果要真实（主要是物理模拟等）

四、数据结构
  一般游戏的规则是由server端来计算的，client本质上是一个状态“播放器”，为了更有效的实时的显示出最新的状态，本地要保存一个player和环境的数据结构（如果所有数据实时的从server端取回，则render只能在消息回调中执行，这样会卡帧），为了体现最新的状态client要不停的显示需要的数据结构，这样只要刷新的足够快，用户就会觉得是实时同步更新的。MMO中核心的数据结构是player，这个结构server端和client端基本是一致的（client端的ID用来标记server端的一个对象）。

    对于3D游戏而言一个屏幕上显示的内容只是虚拟世界的一小部分，整个世界一般用场景图结构来表示

五、运行时基本逻辑

 void System::Run() 
   { 
      Start(); /// 初始化定时器 

      while (mRunning) // 帧循环 
      { 
         Step(); // 一步tick 
      } 

      LOG_DEBUG("System: Exiting..."); 
      exitCallback();  // 退出，清理资源 
      LOG_DEBUG("System: Done Exiting."); 
   } 

    void System::Step() 
    { 
      static bool first = true; 

      if (first) 
      { 
         InitVars();  // 初始化 
         first = false; 
      } 

      SystemStep(); 
    } 

   void SystemImpl::SystemStep() 
   { 
      const Timer_t lastClockTime  = mTickClockTime; 
      mTickClockTime = mClock.Tick(); 

      const double realDT = mClock.DeltaSec(lastClockTime, mTickClockTime); 

      // update real time variable(s) 
      mRealClockTime += Timer_t(realDT * 1000000); 

      if (mPaused) 
      { 
         mTotalFrameTime = 0.0;  // reset frame timer for stats 
         mWasPaused = true; 
         EventTraversal(0.0, realDT); 
         PostEventTraversal(0.0, realDT); 
         Pause(realDT); 
         CameraSynch(0.0, realDT); 
         FrameSynch(0.0, realDT); 
         Frame(0.0, realDT); 
      } 
      else 
      { 
         if (!mUseFixedTimeStep) 
         { 
            mTotalFrameTime = 0.0;  // reset frame timer for stats 
            mWasPaused = false; 

            // update simulation time variable(s) 
            const double simDT = realDT * mTimeScale; 
            mSimulationTime      += simDT; 
            mSimTimeSinceStartup += simDT; 
            mSimulationClockTime += Timer_t(simDT * 1000000); 

            EventTraversal(simDT, realDT);                      // 先处理事件 
            PostEventTraversal(simDT, realDT); 
            PreFrame(simDT, realDT);                          // 主要是物理模拟等 
            CameraSynch(simDT, realDT);                        // 摄像机 
            FrameSynch(simDT, realDT); 
            Frame(simDT, realDT);                              // 画一帧 
            PostFrame(simDT, realDT); 
         } 
         else 
         { 
            SystemStepFixed(realDT); 
         } 
      } 

      FinishFrameStats(); 
   } 

 

  1、游戏不仅有游戏中的状态，还有很多其他的状态，比如登陆服务器、设置操作界面、查看装备属性等，可以利用state来封装一种状态，state之间的切换构成了最上层的层次结构，state具体的切换细节可以用有限状态机来描述。
  2、具体一个state中的基本逻辑 
 总结：一帧里面的基本操作包括：
1、事件处理，即从上一帧到这一帧之间缓存的事件需要一一进行处理。这些事件包括本地的键盘鼠标操作，server传过来的message等。
   这些事件的处理逻辑主要包括：
       1》角色移动、转向等（内部是更改mesh的matrix4等属性、以及摄像机的操作等）
       2》跳跃、走动 ----切换动画数据
       3》切换人物  -----改变摄像机的target
       4》拉近视角、拉远视角 --------摄像机操作
       5》自动寻路           --------寻找关键点、播放走路动画
       6》攻击、发技能       --------播放特定粒子效果、动画等
       7》触发某个界面元素   --------进行相应逻辑处理、向server发相应请求等
       8》拾取物品           --------2d ----3d ----3d object（即顺着摄像机方向创建射线、之后找出相交的object，向server发拾取的请求）
2、物理模拟
   1》碰撞检测（求交点等），可以实现人物贴着地面行走、摄像机不会掉到地面以下、人物不会跑出地图边界，人物在坡上时不会悬空等效果
   2》反向动力学模拟，      可以实现ragdoll 效果，
   3》流体力学等复杂的物理模拟， 基本上牛顿经典力学所涉及的速度、加速度、质量，运动学等都可以做到（如人物走时会受摩擦力影响、人物跳下时会有重力加速度效果），牛X的游戏可以模拟出流体力学（这样就会体现出空气阻力、游泳时的浮力、阻力，水流动时的表面张力等）等更逼真的效果
3、preframe
   1》计算骨骼动画的当前transform矩阵(之前先是在物理引擎中计算)、顶点动画的当前数据，摄像机移动的当前位置等动画相关数据
   2》计算粒子系统当前的状态
   3》计算音效、背景音乐等当前的数据
4、update场景
   1》计算摄像机新的变换矩阵
   2》根据摄像机matrix4更新modelView matrix、 projection matrix等（之所以使用matrix4x4是因为显卡支持4阶矩阵并行计算，注意不是并发是真正的并行，这是GPU的特点）
   3》根据新的视锥体进行场景剔除（cull），一般室外场景是八叉树裁剪、室内场景是二叉树裁剪
   4》更新每个node的orientation，position、scale等属性（主要是要将父节点的数据传递给子节点）

5、渲染场景
   1》依次渲染renderQueue中的mesh，（这里面可以根据shader等来分组进行渲染、进而提高效率，GPU的特点是并行计算快，但是切换状态时很费时间）
     1.1》为GPU绑定顶点数据、
     1.2》设置vertixshader和pixelshader的参数
     1.3》执行shader程序（这里面可以作一些特效）
   2》post effect特效
6、播放一帧音效、音乐

六、静态结构
    client端的代码基本上可以包括以下组件：
    GUI（游戏内的悬浮button等）、渲染、场景管理、动画、粒子、物理模拟、AI、网络、窗口界面（qt等）、音效、脚本、IO事件、game框架、摄像机管理、player封装等