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OpenGL 与 Go 教程第三节：实现游戏
第一节: Hello, OpenGL | 第二节: 绘制游戏面板 | 第三节：实现游戏功能
该教程的完整源代码可以从 GitHub 上获得。
欢迎回到《OpenGL 与 Go 教程》！如果你还没有看过 第一节 和 第二节，那就要回过头去看一看。
到目前为止，你应该懂得如何创建网格系统以及创建代表方格中每一个单元的格子阵列。现在可以开始把网格当作游戏面板实现《Conway's Game of Life》。
开始吧！
实现 《Conway’s Game》
《Conway's Game》的其中一个要点是所有 cell 必须同时基于当前 cell 在面板中的状态确定下一个 cell 的状态。也就是说如果 Cell （X=3，Y=4）在计算过程中状态发生了改变，那么邻近的 cell （X=4，Y=4）必须基于（X=3，T=4）的状态决定自己的状态变化，而不是基于自己现在的状态。简单的讲，这意味着我们必须遍历 cell ，确定下一个 cell 的状态，在绘制之前，不改变他们的当前状态，然后在下一次循环中我们将新状态应用到游戏里，依此循环往复。
为了完成这个功能，我们需要在 cell 结构体中添加两个布尔型变量：
type cell struct {
drawable uint32
alive bool
aliveNext bool
x int
y int
}
现在添加两个函数，我们会用它们来确定 cell 的状态：
// checkState 函数决定下一次游戏循环时的 cell 状态
func (c *cell) checkState(cells [][]*cell) {
c.alive = c.aliveNext
c.aliveNext = c.alive
liveCount := c.liveNeighbors(cells)
if c.alive {
// 1\. 当任何一个存活的 cell 的附近少于 2 个存活的 cell 时，该 cell 将会消亡，就像人口过少所导致的结果一样
if liveCount < 2 {
c.aliveNext = false
}
// 2\. 当任何一个存活的 cell 的附近有 2 至 3 个存活的 cell 时，该 cell 在下一代中仍然存活。
if liveCount == 2 || liveCount == 3 {
c.aliveNext = true
}
// 3\. 当任何一个存活的 cell 的附近多于 3 个存活的 cell 时，该 cell 将会消亡，就像人口过多所导致的结果一样
if liveCount > 3 {
c.aliveNext = false
}
} else {
// 4\. 任何一个消亡的 cell 附近刚好有 3 个存活的 cell，该 cell 会变为存活的状态，就像重生一样。
if liveCount == 3 {
c.aliveNext = true
}
}
}
// liveNeighbors 函数返回当前 cell 附近存活的 cell 数
func (c *cell) liveNeighbors(cells [][]*cell) int {
var liveCount int
add := func(x, y int) {
// If we're at an edge, check the other side of the board.
if x == len(cells) {
x = 0
} else if x == -1 {
x = len(cells) - 1
}
if y == len(cells[x]) {
y = 0
} else if y == -1 {
y = len(cells[x]) - 1
}
if cells[x][y].alive {
liveCount++
}
}
add(c.x-1, c.y) // To the left
add(c.x+1, c.y) // To the right
add(c.x, c.y+1) // up
add(c.x, c.y-1) // down
add(c.x-1, c.y+1) // top-left
add(c.x+1, c.y+1) // top-right
add(c.x-1, c.y-1) // bottom-left
add(c.x+1, c.y-1) // bottom-right
return liveCount
}
更加值得注意的是 liveNeighbors 函数里在返回地方，我们返回的是当前处于存活状态的 cell 的邻居个数。我们定义了一个叫做 add 的内嵌函数，它会对 X 和 Y 坐标做一些重复性的验证。它所做的事情是检查我们传递的数字是否超出了范围——比如说，如果 cell（X=0，Y=5）想要验证它左边的 cell，它就得验证面板另一边的 cell（X=9，Y=5），Y 轴与之类似。
在 add 内嵌函数后面，我们给当前 cell 附近的八个 cell 分别调用 add 函数，示意如下：
[
[-, -, -],
[N, N, N],
[N, C, N],
[N, N, N],
[-, -, -]
]
在该示意中，每一个叫做 N 的 cell 是与 C 相邻的 cell。
现在是我们的主函数，在我们执行循环核心游戏的地方，调用每个 cell 的 checkState 函数进行绘制：
func main() {
...
for !window.ShouldClose() {
for x := range cells {
for _, c := range cells[x] {
c.checkState(cells)
}
}
draw(cells, window, program)
}
}
func (c *cell) draw() {
if !c.alive {
return
}
gl.BindVertexArray(c.drawable)
gl.DrawArrays(gl.TRIANGLES, 0, int32(len(square)/3))
}
现在完善这个函数。回到 makeCells 函数，我们用 0.0 到 1.0 之间的一个随机数来设置游戏的初始状态。我们会定义一个大小为 0.15 的常量阈值，也就是说每个 cell 都有 15% 的几率处于存活状态。
import (
"math/rand"
"time"
...
)
const (
...
threshold = 0.15
)
func makeCells() [][]*cell {
rand.Seed(time.Now().UnixNano())
cells := make([][]*cell, rows, rows)
for x := 0; x < rows; x++ {
for y := 0; y < columns; y++ {
c := newCell(x, y)
c.alive = rand.Float64() < threshold
c.aliveNext = c.alive
cells[x] = append(cells[x], c)
}
}
return cells
}
接下来在循环中，在用 newCell 函数创造一个新的 cell 时，我们根据随机数的大小设置它的存活状态，随机数在 0.0 到 1.0 之间，如果比阈值（0.15）小，就是存活状态。再次强调，这意味着每个 cell 在开始时都有 15% 的几率是存活的。你可以修改数值大小，增加或者减少当前游戏中存活的 cell。我们还把 aliveNext 设成 alive 状态，否则在第一次迭代之后我们会发现一大片 cell 消亡了，这是因为 aliveNext 将永远是 false。
现在接着往下看，运行它，你很有可能看到 cell 们一闪而过，但你却无法理解这是为什么。原因可能在于你的电脑太快了，在你能够看清楚之前就运行了（甚至完成了）模拟过程。
降低游戏速度，在主循环中引入一个 frames-per-second 限制：
const (
...
fps = 2
)
func main() {
...
for !window.ShouldClose() {
t := time.Now()
for x := range cells {
for _, c := range cells[x] {
c.checkState(cells)
}
}
if err := draw(prog, window, cells); err != nil {
panic(err)
}
time.Sleep(time.Second/time.Duration(fps) - time.Since(t))
}
}
现在你能给看出一些图案了，尽管它变换的很慢。把 FPS 加到 10，把方格的尺寸加到 100x100，你就能看到更真实的模拟：
const (
...
rows = 100
columns = 100
fps = 10
...
)
试着修改常量，看看它们是怎么影响模拟过程的 —— 这是你用 Go 语言写的第一个 OpenGL 程序，很酷吧？
进阶内容？
这是《OpenGL 与 Go 教程》的最后一节，但是这不意味着到此而止。这里有些新的挑战，能够增进你对 OpenGL （以及 Go）的理解。
- 给每个 cell 一种不同的颜色。
- 让用户能够通过命令行参数指定格子尺寸，帧率，种子和阈值。在 GitHub 上的 github.com/KyleBanks/conways-gol 里你可以看到一个已经实现的程序。
- 把格子的形状变成其它更有意思的，比如六边形。
- 用颜色表示 cell 的状态 —— 比如，在第一帧把存活状态的格子设成绿色，如果它们存活了超过三帧的时间，就变成黄色。
- 如果模拟过程结束了，就自动关闭窗口，也就是说所有 cell 都消亡了，或者是最后两帧里没有格子的状态有改变。
- 将着色器源代码放到单独的文件中，而不是把它们用字符串的形式放在 Go 的源代码中。
总结
希望这篇教程对想要入门 OpenGL （或者是 Go）的人有所帮助！这很有趣，因此我也希望理解学习它也很有趣。
正如我所说的，OpenGL 可能是非常恐怖的，但只要你开始着手了就不会太差。你只用制定一个个可达成的小目标，然后享受每一次成功，因为尽管 OpenGL 不会总像它看上去的那么难，但也肯定有些难懂的东西。我发现，当遇到一个难于用 go-gl 方式理解的 OpenGL 问题时，你总是可以参考一下在网上更流行的当作教程的 C 语言代码，这很有用。通常 C 语言和 Go 语言的唯一区别是在 Go 中，gl 的前缀是 gl. 而不是 GL_。这极大地增加了你的绘制知识！
第一节: Hello, OpenGL | 第二节: 绘制游戏面板 | 第三节：实现游戏功能
该教程的完整源代码可从 GitHub 上获得。
回顾
这是 main.go 文件最终的内容：
package main
import (
"fmt"
"log"
"math/rand"
"runtime"
"strings"
"time"
"github.com/go-gl/gl/v4.1-core/gl" // OR: github.com/go-gl/gl/v2.1/gl
"github.com/go-gl/glfw/v3.2/glfw"
)
const (
width = 500
height = 500
vertexShaderSource = `
#version 410
in vec3 vp;
void main() {
gl_Position = vec4(vp, 1.0);
}
` + "\x00"
fragmentShaderSource = `
#version 410
out vec4 frag_colour;
void main() {
frag_colour = vec4(1, 1, 1, 1.0);
}
` + "\x00"
rows = 100
columns = 100
threshold = 0.15
fps = 10
)
var (
square = []float32{
-0.5, 0.5, 0,
-0.5, -0.5, 0,
0.5, -0.5, 0,
-0.5, 0.5, 0,
0.5, 0.5, 0,
0.5, -0.5, 0,
}
)
type cell struct {
drawable uint32
alive bool
aliveNext bool
x int
y int
}
func main() {
runtime.LockOSThread()
window := initGlfw()
defer glfw.Terminate()
program := initOpenGL()
cells := makeCells()
for !window.ShouldClose() {
t := time.Now()
for x := range cells {
for _, c := range cells[x] {
c.checkState(cells)
}
}
draw(cells, window, program)
time.Sleep(time.Second/time.Duration(fps) - time.Since(t))
}
}
func draw(cells [][]*cell, window *glfw.Window, program uint32) {
gl.Clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT)
gl.UseProgram(program)
for x := range cells {
for _, c := range cells[x] {
c.draw()
}
}
glfw.PollEvents()
window.SwapBuffers()
}
func makeCells() [][]*cell {
rand.Seed(time.Now().UnixNano())
cells := make([][]*cell, rows, rows)
for x := 0; x < rows; x++ {
for y := 0; y < columns; y++ {
c := newCell(x, y)
c.alive = rand.Float64() < threshold
c.aliveNext = c.alive
cells[x] = append(cells[x], c)
}
}
return cells
}
func newCell(x, y int) *cell {
points := make([]float32, len(square), len(square))
copy(points, square)
for i := 0; i < len(points); i++ {
var position float32
var size float32
switch i % 3 {
case 0:
size = 1.0 / float32(columns)
position = float32(x) * size
case 1:
size = 1.0 / float32(rows)
position = float32(y) * size
default:
continue
}
if points[i] < 0 {
points[i] = (position * 2) - 1
} else {
points[i] = ((position + size) * 2) - 1
}
}
return &cell{
drawable: makeVao(points),
x: x,
y: y,
}
}
func (c *cell) draw() {
if !c.alive {
return
}
gl.BindVertexArray(c.drawable)
gl.DrawArrays(gl.TRIANGLES, 0, int32(len(square)/3))
}
// checkState 函数决定下一次游戏循环时的 cell 状态
func (c *cell) checkState(cells [][]*cell) {
c.alive = c.aliveNext
c.aliveNext = c.alive
liveCount := c.liveNeighbors(cells)
if c.alive {
// 1\. 当任何一个存活的 cell 的附近少于 2 个存活的 cell 时，该 cell 将会消亡，就像人口过少所导致的结果一样
if liveCount < 2 {
c.aliveNext = false
}
// 2\. 当任何一个存活的 cell 的附近有 2 至 3 个存活的 cell 时，该 cell 在下一代中仍然存活。
if liveCount == 2 || liveCount == 3 {
c.aliveNext = true
}
// 3\. 当任何一个存活的 cell 的附近多于 3 个存活的 cell 时，该 cell 将会消亡，就像人口过多所导致的结果一样
if liveCount > 3 {
c.aliveNext = false
}
} else {
// 4\. 任何一个消亡的 cell 附近刚好有 3 个存活的 cell，该 cell 会变为存活的状态，就像重生一样。
if liveCount == 3 {
c.aliveNext = true
}
}
}
// liveNeighbors 函数返回当前 cell 附近存活的 cell 数
func (c *cell) liveNeighbors(cells [][]*cell) int {
var liveCount int
add := func(x, y int) {
// If we're at an edge, check the other side of the board.
if x == len(cells) {
x = 0
} else if x == -1 {
x = len(cells) - 1
}
if y == len(cells[x]) {
y = 0
} else if y == -1 {
y = len(cells[x]) - 1
}
if cells[x][y].alive {
liveCount++
}
}
add(c.x-1, c.y) // To the left
add(c.x+1, c.y) // To the right
add(c.x, c.y+1) // up
add(c.x, c.y-1) // down
add(c.x-1, c.y+1) // top-left
add(c.x+1, c.y+1) // top-right
add(c.x-1, c.y-1) // bottom-left
add(c.x+1, c.y-1) // bottom-right
return liveCount
}
// initGlfw 初始化 glfw，返回一个可用的 Window
func initGlfw() *glfw.Window {
if err := glfw.Init(); err != nil {
panic(err)
}
glfw.WindowHint(glfw.Resizable, glfw.False)
glfw.WindowHint(glfw.ContextVersionMajor, 4)
glfw.WindowHint(glfw.ContextVersionMinor, 1)
glfw.WindowHint(glfw.OpenGLProfile, glfw.OpenGLCoreProfile)
glfw.WindowHint(glfw.OpenGLForwardCompatible, glfw.True)
window, err := glfw.CreateWindow(width, height, "Conway's Game of Life", nil, nil)
if err != nil {
panic(err)
}
window.MakeContextCurrent()
return window
}
// initOpenGL 初始化 OpenGL 并返回一个已经编译好的着色器程序
func initOpenGL() uint32 {
if err := gl.Init(); err != nil {
panic(err)
}
version := gl.GoStr(gl.GetString(gl.VERSION))
log.Println("OpenGL version", version)
vertexShader, err := compileShader(vertexShaderSource, gl.VERTEX_SHADER)
if err != nil {
panic(err)
}
fragmentShader, err := compileShader(fragmentShaderSource, gl.FRAGMENT_SHADER)
if err != nil {
panic(err)
}
prog := gl.CreateProgram()
gl.AttachShader(prog, vertexShader)
gl.AttachShader(prog, fragmentShader)
gl.LinkProgram(prog)
return prog
}
// makeVao 初始化并从提供的点里面返回一个顶点数组
func makeVao(points []float32) uint32 {
var vbo uint32
gl.GenBuffers(1, &vbo)
gl.BindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo)
gl.BufferData(gl.ARRAY_BUFFER, 4*len(points), gl.Ptr(points), gl.STATIC_DRAW)
var vao uint32
gl.GenVertexArrays(1, &vao)
gl.BindVertexArray(vao)
gl.EnableVertexAttribArray(0)
gl.BindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vbo)
gl.VertexAttribPointer(0, 3, gl.FLOAT, false, 0, nil)
return vao
}
func compileShader(source string, shaderType uint32) (uint32, error) {
shader := gl.CreateShader(shaderType)
csources, free := gl.Strs(source)
gl.ShaderSource(shader, 1, csources, nil)
free()
gl.CompileShader(shader)
var status int32
gl.GetShaderiv(shader, gl.COMPILE_STATUS, &status)
if status == gl.FALSE {
var logLength int32
gl.GetShaderiv(shader, gl.INFO_LOG_LENGTH, &logLength)
log := strings.Repeat("\x00", int(logLength+1))
gl.GetShaderInfoLog(shader, logLength, nil, gl.Str(log))
return 0, fmt.Errorf("failed to compile %v: %v", source, log)
}
return shader, nil
}
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作者：kylewbanks 译者：GitFuture 校对：校对者ID