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第4讲 | 底层绘图接口的妙用

第4讲 | 底层绘图接口的妙用-极客时间

第4讲 | 底层绘图接口的妙用

2018-06-02 蔡能 来自北京
《从0开始学游戏开发》
课程介绍

讲述：蔡能

时长11:09大小5.13M

上一节，我给你介绍了游戏引擎的概念及其在游戏开发中所起的作用。同时，我也提到了游戏引擎背后的工作方式。在代码层面，游戏引擎是一套对底层绘图、音频、操作系统接口的封装实现。
在此基础上，我还举了一个在游戏屏幕上画线条的例子。在这个例子中，画线的接口函数在背后分解、组合、计算，并将绘制工作交给底层绘图接口。这个绘图接口，就是今天要讲的内容。

几种常见的绘图接口

前面我已经说过，我会针对 2D 游戏来讲解游戏开发的流程和细节，所以，这里我先介绍几种 2D绘图接口（即 API，全称 Application Programming Interface）。我选择了 5 种 Windows 下最流行的绘图接口，分别讲解。

1.OpenGL

OpenGL 是老牌的图形图像接口。GL 是 Graphics Library 的缩写。所以，顾名思义，OpenGL 就是开放图形接口的意思。和接下来要讲的 DirectX 一样，OpenGL 也可以创建和渲染 2D、3D 图形。但是，和 DirectX 不同的是，它可以在多种平台下运行，比如 Windows、Linux、macOS 和部分 UNIX，而 DirectX 只能在 Windows 生态下运行。
OpenGL 本身只提供图形渲染接口，如果你需要别的功能，比如音频、鼠标、键盘的操作，甚至是创建一个窗体，都需要别的扩展库支持。

2.DirectX

说起 DirectX，这个名字已经如雷贯耳。DirectX 的开发初衷，是为了让游戏开发者能像在 DOS 平台编写游戏一样，在当时新的 Windows 95 平台上，也能一样高效、快速地操纵各种硬件设备。
其实，在 DirectX 发布之前，微软已经将 OpenGL 包含在 Windows 系统里面。随着时间的推移，OpenGL 逐渐成为了行业标准，而 DirectX 自然免不了与其展开竞争。
这里，我主要介绍一下 DirectX 中的两个核心组件。这两个核心组件的功能与 2D 游戏编程息息相关，你一定得了解一下。
第一个是 DirectDraw。它是早期 DirectX 中掌管 2D 部分的组件。DirectDraw 类似我之后要说的 GDI，支持显存位图，而不是只能将位图存放在内存里，所以 DirectDraw 更贴近硬件。但是在 DirectX 7 版本之后，DirectDraw 被合并到 Direct Graphics 组件中。虽然目前仍有很多人在使用 DirectDraw 的老版本开发包，然而 DirectDraw 已经被微软逐渐淘汰。
第二个是 Direct2D。它是微软推出的最新 2D 组件，它的出现是为了取代 Windows 下的 GDI、GDI+ 和 DirectDraw。Direct2D 能通过硬件加速来绘制 2D 图形，也支持高质量 2D 图形渲染，比如支持 ClearType 呈现的方式、除锯齿、几何位图的绘制和填充等等。

3.SDL

SDL 全称 Simple DirectMedia Layer，直译就是简单的直接媒体层。从严格意义上来讲，SDL 并不算是“独立的”图形渲染接口，因为它将各类操作系统的图形图像渲染接口进行了封装，包装成统一的函数，以此来方便调用。比如，在 Windows 下，它封装了 DirectX 和 GDI+；在 Linux 下，它封装了 Xlib 等等。同时，它也提供了 OpenGL 的调用函数。
SDL 不仅仅可以对现有图形图像接口进行封装，它也提供 SDL 官方自己发布的编程接口。比如，SDL_image、图像接口、SDL_net、网络接口等等。后续我将介绍到的 Pygame，其背后就是调用 SDL 编写的。
Pygame 是使用 Python 封装的游戏库，你可以很方便地利用 Pygame 进行 2D 游戏的编写，它的背后，调用的就是 SDL 的接口。所以我们将利用 Pygame 来对 2D 游戏开发流程做一个完整的梳理。虽然网上关于 Pygame 的代码和教材很多，但是我们要讲的，不仅仅是 Pygame 代码是如何编写的，而是要从 Pygame 的代码中，分析 2D 游戏的编写逻辑和编程思想。在这个过程中，Pygame 只是一个载体。

4.GDI

GDI，全称 Graphics Device Interface，也是 Windows 下的图形设备接口。它所做的就是处理 Windows 程序的图形输出，负责在 Windows 系统和绘图程序之间进行信息的交换。使用 GDI 的人已经越来越少，从编程的方便性和硬件加速等功能来看，GDI 被 GDI+ 取代是显而易见的。

5.GDI+

在 Windows 下，大部分接触过图形编程的程序员都会用过 GDI+。而 GDI+ 其实就是 GDI 的进阶版本。
GDI+ 是有硬件加速功能的，而 GDI 没有；GDI 是以 C 语言接口的形式提供的，而 GDI+ 则是 C++ 和托管类的形式提供；从接口代码的层次上说，GDI+ 对程序员更友好，使用起来也更顺手。
GDI+ 还提供了图像处理的接口，比如提供了 Image、Bitmap 等类，可以用于读取、保存、显示，操作各种类型的图像，比如 BMP、JPG、GIF 等。
GDI 和 GDI+ 的绘图操作也存在差别。GDI 中存在一个称为“当前坐标”（MoveTo）的位置。“当前坐标”的存在是为了提高绘画的效率。
我还拿画线的过程来举例。有一条新的线连着一条老的线画，如果有了“当前坐标”的设置，逻辑上可以避免每次画线都要给出两个点的坐标（开始和结束）；如果每次都以该“当前坐标”做为起始点，线条绘制结束后，线的结束位置就成为“当前坐标”。
事实上，这种方式的存在是有历史原因的。有一种说法来自很早的 Logo 语言。这种语言针对儿童进行寓教于乐的编程教育。它的绘画逻辑是，如果有“当前坐标”这个概念，只需要一个递归就可以不停地画线，最终组成一个图形。所以后期很多的绘画接口都沿用这种方式去做。但实际到了 2000 年左右，人们发现这种方式并不方便，因此 GDI+ 取消了这个“当前坐标”。
一个原因是不方便；另一个原因是，如果无法确定“当前坐标”，绘图就会出现差错。而用 GDI+ 绘制线条，则可以直接在 DrawLine 函数中指定起始点和结束点的坐标位置。

如何直接使用绘图接口进行游戏开发？

通过上面的介绍，你是否对 Windows 下几大流行的绘图接口有了大致的了解呢？接下来你或许会问，那我了解这些图形接口的编程接口后，是不是就可以直接用这些接口进行游戏的开发呢？
答案当然是可以的。由于 SDL 的开发便利性和通用性，所以我拿 SDL 编程接口作为例子，来阐述一下究竟怎样通过图形接口直接进行游戏的开发。
从最基础的开始，我们先要从 SDL 的网站下载 SDL 的最新版本，下载网址是： http://www.libsdl.org/download-2.0.php （写作这篇文章的时候，最新的版本是 2.0.8 稳定版）。
在下载的网站页面，我们可以看到 Source Code 一栏，这是 SDL 的源代码。有一定编程基础的同学可以下载源代码，直接使用 VC++、MinGW 等编译器进行编译，编译完的头文件和库文件直接就可以使用。
如果你对编译不熟悉，可以选择下载 Development Libraries，也就是编译完成后的开发包。网站已经将 Windows 下的开发环境分为 VC++32 位版和 64 位版、MinGW32 位版和 64 位版。为了教学方面和统一，也照顾各种平台的用户，我建议使用 MinGW 的 32 位版。因为 64 位 Windows 可以兼容 32 位的应用。至于 MinGW 编译器和 IDE 的下载安装细节，我将会在后续的专栏文章中介绍。
下载完成后，将压缩包解压缩到任意目录，头文件和库文件使用解压缩出来的“i686-w64-mingw32”这个目录下的“include”和“lib”。
接下来，我们在 IDE 中设置 include 路径和 lib 路径，链接程序的时候需要在 IDE 设置包含库文件 libsdl.a、libsdlmain.a，就可以开始在 IDE 中编写代码了。
在开始开发的时候，首先使用 SDL_Init 来进行初始化。用这个方法传入一个 unsigned int 类型的参数，参数列表就像这样：
其中“初始化所有系统”这个选项，除了“忽略任意错误”外，包含了以上所有不同的初始化系统，一般使用 SDL_INIT_EVERYTHING 即可。
随后，我们要使用 SDL_CreateWindows 来创建一个窗体。SDL_CreateWindows 支持六个参数，分别是：窗体名称、在 Windows 屏幕显示的 x 坐标、在 Windows 屏幕显示的 y 坐标、宽、长、显示方式。
然后将使用 SDL_CreateRenderer 创建一个 SDL 的渲染器（SDL_Renderer）。渲染器的参数是：
随后可以使用 SDL_RenderClear 来清空 SDL 渲染器、使用 SDL_RenderPresent 方法将渲染的结果显示出来。然后我们需要建立一个大循环，在这个循环内，你可以把 SDL 支持的图形图像函数或者其他逻辑代码往里面填写，完成游戏的程序内容，具体的操作我会在之后的文章详细介绍。
在这个大循环内，我们要用到 SDL_Event 事件系统。在循环内捕捉用户事件，比如要退出这个循环就必须点击右上角的 X 关闭按钮才行。如果你点击了 X 按钮，就会被 while 内的 event 事件捕捉到，并且匹配是不是退出事件，如果是退出事件就退出程序。
最终退出程序的时候，使用 SDL_Quit 清除资源退出程序。
我们结合这张流程图来看一下将这些内容串联起来的代码：
#include <SDL.h>
int main(int argc,char *args[])
{
SDL_Window* window;
SDL_Renderer* render;
SDL_Event e;
bool q = 0;
int sdl=SDL_Init(SDL_INIT_EVERYTHING);
初始化完成后，我们要建立窗体，并编写后续的步骤：
if(0 <= sdl ){
// 当SDL初始化完成后创建一个标题为"SDL Window"的窗口,窗口对齐方式为居中对齐，分辨率为640x480的窗口
g_pWindow=SDL_CreateWindow("SDL Window",
SDL_WINDOWPOS_CENTERED,SDL_WINDOWPOS_CENTERED,
640,480,SDL_WINDOW_SHOWN);
if(0 != window)
render=SDL_CreateRenderer(window,-1,0);
}
SDL_SetRenderDrawColor(render,0,255,255,255);
SDL_RenderClear(render);
SDL_RenderPresent(render);
接下来是游戏主循环的内容：
while( 0 == q )
{
while( 0 != SDL_PollEvent( &e ) )
{
//检测到用户需要退出
if( e.type == SDL_QUIT )
q = true;
}
}
SDL_Quit();
return 0;
}
这个简单的例子说明了如何直接利用 SDL 接口编写游戏。直接利用其他图形接口编写游戏，也基本是这样的步骤。

小结

我来给今天的内容做一个总结，你只需要记住这些内容即可：
绘图接口绘图接口其实就是使用 C/C++ 语言或汇编语言，通过操作系统的底层，调用诸如显卡、内存这些绘图设备，最后做成接口；
SDL 拥有统一封装的绘图接口，你可以在各个平台无缝编译和使用。
现在，你是不是对游戏开发的一部分流程有点了然于胸了呢？
给你留个小思考题吧。
我们提到了直接利用绘图接口编写游戏，请问，如果这样，还需要“游戏引擎”吗？如果需要的话，这个“引擎”应该放在哪里呢？
欢迎留言说出你的看法，我在下一节的挑战中等你！
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精选留言(26)

  • 小侠
    2018-06-02
    底层接口只能做简单游戏，游戏引擎在底层接口基础上做封装和扩展，方便做复杂游戏
    共 1 条评论
    12
  • 立春
    2018-06-02
    其中一行代码应该是 window＝SDL_CreateWindow…而且我习惯bool 类型的赋值false或true。代码中一开始初始化为0，之后又为true，不是非常统一，当然这不是重点。
    10
  • Lu | SSEINFO
    2018-06-02
    游戏引擎应该相当于一层封装，把SDL的方法封装了一个更高的抽象层。就好比网络编程，我们可以直接用socket，也可以使用封装好了的网络库，来简化我们的代码。
    6
  • 以往
    2018-06-02
    游戏引擎还是需要的 SDL是对硬件的使用做了封装，但复杂功能的实现还是要借助于引擎提供的一系列组件去完成
    3
  • 王建
    2018-06-22
    绘图接口只是游戏引擎的一个子集
    2
  • 小猫藏鱼
    2018-08-28
    本节课介绍了5种图形接口，opengl,directx,sdl,gdi,gdi+，以及如何不使用引擎直接用绘图接口编写游戏的方法。 游戏引擎的主要部分就是封装了图形接口，更加容易使用，便于开发。 pygame 就是对 sdl 的封装
    展开
    1
  • DeathKnightH
    2018-06-04
    除开图形以外的输入输出，如音频输出，键盘、鼠标输入等。如果这些都不考虑从底层写起的话还是需要引擎的支持。
    1
  • GeekAmI
    2018-06-02
    应该还是需要的，毕竟引擎不仅对图形接口进行了封装，还对音视频、操作系统底层进行抽象封装，更加方便开发者调用。是不是应该lib下呢？
    1
  • 飞
    2018-06-02
    代码编译不过，可能需要在#include SDL.h之前加上一行宏定义#define SDL_MAIN_HANDLED
    1
  • pat
    2018-06-02
    还需要游戏引擎，因为绘图接口只能绘制图像，没有声音、鼠标键盘、AI等，游戏引擎应该在绘图接口上层，封装绘图接口吧？
    1
  • 段潇涵
    2022-06-10
    typo 变量声明是用的是 `SDL_Window* window;` 变量赋值时用的是 ` g_pWindow=SDL_CreateWindow("SDL Window", SDL_WINDOWPOS_CENTERED,SDL_WINDOWPOS_CENTERED, 640,480,SDL_WINDOW_SHOWN);` 可能会给一些不熟悉 C++ 的同学造成误会
    展开
  • 新心🌟
    2021-09-30
    老师，我不会在xcode上导入SDL的文件怎么办
  • 3.141516
    2020-08-19
    绘图接口只是完成了做游戏中绘制图形的部分，像网络、音频等等还没有覆盖，如果游戏需要更强的网络、音频支持，那还是需要用游戏引擎来做。
  • 火腿
    2019-11-17
    OpenGL是不是最流行的图形接口？
  • Ishmael
    2019-06-10
    引擎要进行封装底层api,以及解决跨平台支持的问题。
  • 火腿
    2019-01-16
    现在游戏开发的最流行API是不是DirectX?

    作者回复: 你如果指的电脑平台，是的

  • hardcoreYutian
    2018-10-04
    sdl那个网站怎么也进不去，不知道怎么办了
  • Shine
    2018-08-20
    请问老师，现在的游戏引擎一般基于什么绘图接口做的？ OpenGl? DirectX? SDL?还是GDI+?
  • 放羊大王
    2018-06-17
    没怎么写过c佳佳，用 clion cmake 报的错误看不懂。Google 了也没找到解决方案，xcode就一次过了，一样的代码。很惆怅。
    共 1 条评论
  • aaaaa
    2018-06-14
    ide是什么，idea编辑器吗？

    作者回复: ide为集成开发环境，不是指的idea编辑器。