Flutter&Flame游戏实践#06 | 打砖块 - 世界与相机

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Flutter&Flame 游戏开发系列前言:

该系列是 [张风捷特烈] 的 Flame 游戏开发教程。Flutter 作为 全平台 的 原生级 渲染框架，兼具 全端 跨平台和高性能的特点。目前官方对休闲游戏的宣传越来越多，以 Flame 游戏引擎为基础，Flutter 有游戏方向发展的前景。本系列教程旨在让更多的开发者了解 Flutter 游戏开发。

第一季：30 篇短文章，快速了解 Flame 基础。[已完结] 第二季：从休闲游戏实践，进阶 Flutter&Flame 游戏开发。

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一、从固定分辨率认识相机

设备屏幕的尺寸可谓千差万别，而且桌面端的应用窗口可以调整大小，这就使得游戏随尺寸变化变得复杂。对于某些游戏来说，希望是 分辨率恒定 。比如打砖块高度如果自适应屏幕，很小时就无法体验。

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1. 固定分辨率的优势

下面的应用窗口不同，游戏场景的 比例保存不变；同时会根据分辨率进行 缩放，在界面中保持合适的位置。游戏场景之外的灰色区域可以做些背景点缀，这是一种解决游戏场景尺寸的方案。

如下所示，黑色区域代表游戏场景，蓝色是游戏之外的背景。可以看到在变动应用窗口尺寸时：

• [1]. 游戏场景的长宽比保持不变。
• [2]. 游戏场景的内容会随尺寸变更而缩放。
• [3]. 在游戏场景缩放过程中，场景内的世界坐标保持不变。

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2. 相机 Camera 和世界 World

我们知道 Flame 中的一切都是 Component 。在 FlameGame 中，存在两个 "开天辟地" 时就创建的两个角色 - 相机 Camera 和 世界 World 。下面是 FlameGame 的源码:

• 在构造时可以传入 world 和 camera 两个参数。
• 当未传入时，会创建并添加默认的世界和相机。
• FlameGame 支持一个 World 派生类的泛型。

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游戏主类在继承 FlameGame 时可以声明世界的泛型类型，比如这里自定义 PlayWord。设置相机可以通过 super 构造传递世界和相机，这里通过 CameraComponent.withFixedResolution 构造创建指定分辨率的相机，宽高为 320*480 :

---->[lib/world/13/main.dart]----
class MainGame extends FlameGame<PlayWord> {
  MainGame() : super(
          world: PlayWord(),
          camera: CameraComponent.withFixedResolution(width: 320, height: 480),
        );

  late final Image spriteImage;
  @override
  Future<void> onLoad() async {
    spriteImage = await Flame.images.load('demos/c17_mini_rmbg.png');
  }

  @override
  Color backgroundColor() => const Color(0xff5EC8F8);
}

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自定义 PlayWord 类作为游戏的世界，这里绘制了一个左上角坐标 (0,0) 、宽高为 80 的黑色矩形。从这里可以看出: 世界的原点在视口中心。

class PlayWord extends World {
  @override
  void render(Canvas canvas) {
    super.render(canvas);
    canvas.drawRect(const Rect.fromLTWH(0, 0, 80, 80), Paint());
  }
}

此时，将矩形的左顶点坐标改为 (-160,-240), 宽高改为 320*480 ，就可以将视口区域着成黑色：

---->[lib/world/13/main.dart]----
class PlayWord extends World {
  @override
  void render(Canvas canvas) {
    super.render(canvas);
    canvas.drawRect(const Rect.fromLTWH(-160, -240, 320, 480), Paint());
  }
}

这样一个固定分辨率的视口就完成了，当拖拽改变应用窗口尺寸，视口区域就能保证分辨率不变，等比缩放了。

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3. 世界中的角色

下面定义 Hero 展示一个魔法师图片, 将其加入到 PlayWord 世界中。可以看到其左上角放置在世界的中心，因为默认情况下构件的锚点在左上角：

class PlayWord extends World {  
  @override  
  FutureOr<void> onLoad() {  
     add(Hero());  
  // 略同...
}

---->[lib/world/13/main.dart]----
class Hero extends SpriteComponent with HasGameRef<GameWorld> {
  @override
  FutureOr<void> onLoad() {
    sprite = Sprite(game.spriteImage);
    debugMode = true;
    debugColor = Colors.white;
    return super.onLoad();
  }
}

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如果想让角色的锚点在中心，可以将 anchor 设置为 Anchor.center。这样角色的锚点将放置在世界原点，如下所示：

class PlayWord extends World {  
  @override  
  FutureOr<void> onLoad() {  
     add(Hero()..anchor=Anchor.center);  
  // 略同...
}

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二、认识 World 世界

世界和相机 构件是 FlameGame 的成员属性，是游戏主场景开始时的组成部分。在 Trex 游戏中，我们直接将角色放入到游戏主场景中，并没有使用到这两个构件。也就是说之，前我们在场景中添加的构件(下面灰色)，相当于世界和相机的兄弟：

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1. World 构件的源码

World 是一个 Component ，使用当使用世界时，相当于我们写的构件被添加到了 World 之下。

从源码的角度来看，World 只是一个非常非常普通的 Component。当两个构件有重合时，优先级高的会展示在上方。World 的优先级被设置为 -0x7fffffff，也就是说 一切角色在世界之上。

class World extends Component implements CoordinateTransform {
  World({
    super.children,
    super.priority = -0x7fffffff,
  });

  @override
  void renderTree(Canvas canvas) {}

  @internal
  void renderFromCamera(Canvas canvas) {
    assert(CameraComponent.currentCamera != null);
    super.renderTree(canvas);
  }

  @override
  bool containsLocalPoint(Vector2 point) => true;

  @override
  Vector2? localToParent(Vector2 point) => null;

  @override
  Vector2? parentToLocal(Vector2 point) => null;
}

另外，World 实现了 CoordinateTransform 接口，该接口定义了 父坐标和本地坐标 之间转换的两个方法。在 World 中这两个方法返回 null, 表示 World 构件在逻辑上是顶层，没有必要进行坐标转换。

abstract class CoordinateTransform {
  Vector2? parentToLocal(Vector2 point);

  Vector2? localToParent(Vector2 point);
}
     

这就是 Flame 中 World 的全部代码，本身并没有复杂的逻辑。所以也不用太畏惧这个宏大的 数据概念，就是一个在最底下的空白构件而已。

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2. 绘制世界坐标系

之前一个角色站在空荡荡的世界里，说世界的原点在视口中心，这句话大家可能也品味不出其中的价值。其实认识世界，最重要的是要理解 世界坐标系。在现实世界中的含义就是 我在哪里 。接下来我就把世界坐标系画出来给你看，让你直观感受这个世界的存在。下面是一个 480*320 的世界：

• 黑色区域是世界的范围。
• 红色轴是世界坐标轴，两轴的交点是世界的原点。
• 格线是间的距离是 20，白色文字标注了轴线的距离原点的位置。

坐标系的绘制过程，属于绘制知识，它只是一个视觉上的辅助，我将绘制逻辑封装为 WorldGrid 。这里就不专门介绍了，感兴趣的可以自己看一下源码实现，【world/14/world_grid.dart】

---->[lib/world/14/main.dart]----
class PlayWord extends World {
   // 略同...

  final WorldGrid _worldGrid = WorldGrid(
    axisColor: Colors.red,
    textColor: Colors.white,
    gridColor: const Color(0xff4AFFFF),
  );

  @override
  void render(Canvas canvas) {
    // 略同...
    _worldGrid.paint(canvas, kViewPort);
  }
}

对于固定分辨率的视口，当尺寸变化时，世界本身会 等比缩放。如下所示，当世界缩小时，黑色区域在 逻辑上 依然是 480*320，因此固定分辨率的相机创建的是一个不受屏幕真实尺寸影响的 世界。

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3. World 和 Camera 的关系

想一下，这个不受屏幕真实尺寸影响的 世界，是谁的功劳? World 本身并没有干什么事，那剩下的参与者有且仅有 Camera。 那 World 和 Camera 是什么关系呢？ 在 FlameGame 源码中，创建 Camera 之后，会将 _world 赋值给 _camera.world

这说明 Camera 持有 World 成员，这也是相机可以影响世界的原因。对于世界的认知就到这里，下面我们来初步认识这个非常重要的 Camera 角色。

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三、相机对世界的变换

在介绍相机之前，先举个小场景引入一下：

将一张红色的塑料膜放在眼前，你将看到一个红色的世界。我们当然知道红膜本身并没有改变世界的能力，它改变的只是观察者的视觉呈现。

相机也是一样，它只是操作对画板 Canvas 的进行变换，改变对世界的观察角度。

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1. 缩放变换

界面中有三种基础变换 移动、缩放、旋转。在 【world/14】 中，给出了操作世界变化的案例。如下，通过 [ 和 ] 来放大和缩小世界的表现：

世界的变换效果，由 Camera 中的 Viewfinder 构件所决定。它本质上是维护 Matrix4 变换矩阵、在渲染时将变换施加到 Canvas 之上。为了使用方便 Viewfinder 中封装了简单的变换操作：通过 zoom 属性的控制缩放变换：

//  每次按下 ] 放大 0.1;
camera.viewfinder.zoom += 0.1;

//  每次按下 ] 缩小 0.1;
double newZoom = camera.viewfinder.zoom-0.1;
camera.viewfinder.zoom = max(0.1, newZoom);

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2. 移动变换

如下所示，通过键盘的上下左右按键控制移动变换，视觉上是世界在移动。世界的移动和缩放，都不会超出视口的范围，也就是这里世界的显示区域，永远在 480*320 之内，超过的区域不会渲染：

和 zoom 类似，Viewfinder 这封装了 position 设置的方法更新世界的位置 :

camera.viewfinder.position -= Vector2(0, 10); //上
camera.viewfinder.position += Vector2(0, 10); //下
camera.viewfinder.position += Vector2(10, 0); //左
camera.viewfinder.position -= Vector2(10, 0); //右

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3. 旋转变化

同理对于旋转变换，Viewfinder 这封装了 angle 设置的方法修改世界的旋转角度 :

camera.viewfinder.angle-= 2*(pi/180);

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4. Viewfinder 变换的本质

稍微瞄一眼 Viewfinder 中的这三个变换的方法，可以看出他们都是通过 transfrom 成员实现的功能。

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它的类型是 Transform2D，是 Flame 中对 matrix 变换矩阵的封装体。继承自 ChangeNotifier 说明其具有通知监听的能力:

/// Transform matrix used by the viewfinder.  
final Transform2D transform = Transform2D();

可以再向下深追一点， CameraComponent 渲染时，会先通过 Viewfinder 的变换矩阵，对 Canvas 进行操作，再渲染世界。这里就像是： 在眼前放一张变换能力的塑料膜，让你看到世界之前先施加变换。

到这里，我们已经对 CameraComponent 进行有一个基本的了解。相机还有其他的特性，在后期用到时会继续介绍。对于打砖块游戏，了解到这里就够用了。

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五、将打砖块改为固定分辨率

按照前面固定分辨率的方案，可以在视口区域展示游戏世界，这样应用层窗口的尺寸变化，只是对视口的缩放，从而可以保证游戏区域在 任何尺寸窗口 下表现的一致性。

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2. BricksGame 代码处理

这里先暂定砖块供 9 列，每个砖块宽 64；游戏区域 1080:2400 的长宽比，该固定的尺寸定义为全局常量 kViewBox 。然后在 super 构造中指定相机和 PlayWorld 世界，

---->[lib/bricks/03/bricks_game.dart#BricksGame]----
const Size kViewPort = Size(64 * 9, 64 * 9 * 2400 / 1080);

class BricksGame extends FlameGame<PlayWorld> with KeyboardEvents, HasCollisionDetection {
  BricksGame()
      : super(
          camera: CameraComponent.withFixedResolution(
            width: kViewPort.width,
            height: kViewPort.height,
          ),
          world: PlayWorld(),
        );

由于视口默认以中心为原点，之前是以左上角为原点放置打砖块内容的。可以通过设置 camera.viewfinder 的锚点，来确定世界坐标系原点的位置， Anchor.topLeft 表示以左上角为原点：

  TextureLoader loader = TextureLoader();
  @override
  FutureOr<void> onLoad() async {
    await loader.load(
      'assets/images/break_bricks/break_bricks.json',
      'break_bricks/break_bricks.png',
    );
    camera.viewfinder.anchor = Anchor.topLeft;
  }

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3. PlayWorld 的代码处理

接下来，只要把之前放在游戏中的角色，放入到 PlayWorld 中即可。点击和拖拽事件也可以放入其中：

---->[lib/bricks/03/bricks_game.dart#PlayWorld]----
class PlayWorld extends World with HasGameRef<BricksGame>, DragCallbacks, HasCollisionDetection, TapCallbacks {

  Ball ball = Ball();
  Paddle paddle = Paddle();
  BrickManager brickManager = BrickManager();

  @override
  FutureOr<void> onLoad() async {
    super.onLoad();
    add(Playground());
    add(paddle);
    add(ball);
    add(brickManager);
  }

  @override
  void onTapDown(TapDownEvent event) {
    ball.run();
  }

  @override
  void onDragUpdate(DragUpdateEvent event) {
    super.onDragUpdate(event);
    double dx = event.localDelta.x;
    double max = kViewPort.width - paddle.width;
    paddle.x = (paddle.x + dx).clamp(0, max);
  }
}

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另外由于键盘事件只能在 FlameGame 中混入，无法放到 PlayWorld 中处理。键盘控制挡板移动的逻辑需要放到 BricksGame 中，通过 world 成员可以访问 paddle :

---->[lib/bricks/03/bricks_game.dart#BricksGame]----
@override
KeyEventResult onKeyEvent(KeyEvent event, Set<LogicalKeyboardKey> keysPressed) {
  super.onKeyEvent(event, keysPressed);
  if (event is KeyDownEvent || event is KeyRepeatEvent) {
    switch (event.logicalKey) {
      case LogicalKeyboardKey.arrowLeft:
        world.paddle.moveBy(-moveStep);
      case LogicalKeyboardKey.arrowRight:
        world.paddle.moveBy(moveStep);
    }
  }
  return KeyEventResult.handled;
}

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本篇小结

到这里，游戏的视口就优化完毕了。即使把窗口缩小到非常小，也不会影响游戏的功能。

本篇主要介绍了相机 Camera 和 世界 World 相关的概念，知识点不是很多，但非常重要。

我们目前完成了最核心的游戏逻辑功能，距离一个完整的游戏还有大距离。接下来对整体 UI 进行一些优化，以整体游戏的视角进行完善，比如游戏中的场景、关卡、道具、菜单、音效等方面。敬请期待 ~