2020年6月29日 星期一

使用 Amethyst Engine 實作小行星遊戲 - 4 移動物體

上一章連接輸入的部分,我們完成了第一個 system 的設計,當然這個系統什麼事都沒做,這章我們就來把輸入接到真正的變化上。

一開始讓我們在 component.rs 裡面新增一個 component physical:
use amethyst::{
  core::math::Vector2,
};

pub struct Physical {
  // velocity, [vx, vy]
  pub velocity: Vector2<f32>,
  // maximum velocity (units / s)
  pub max_velocity: f32,
  // rotation (rad / s)
  pub rotation: f32,
}

impl Component for Physical {
  type Storage = DenseVecStorage<Self>;
}

直覺上來想,可能會覺得我們之前產生的 Ship component 裡面應該要有 velocity 屬性,system 會讀取 velocity 去更新太空船的位置 - 也就是 transform。
但是不對,因為畫面上會動的東西不止有 Ship,之後會新增的子彈跟小行星都是會動的,而實作<會動>都是共同的,寫在 Ship 內的性質無法共用,所以我們直接新增一個 physical component 記錄速度和旋轉量,想要動的東西只要加上 physical component 就行了,程式碼共用的部分可以很漂亮的抽出來。
這裡我們直接使用 nalgebra 的 vector2 來代表速度,amethyst 裡面有包一包 nalgebra 並且重命名為 core::math,版本是 0.19.0,這個在我們後面引入 ncollide2d 的時候會帶來麻煩,不過這裡就先用吧。

state.rs 裡面,在 initialize_ship 函式幫產生的 entity 加上 Physical component:
use crate::components::{Ship, Physical};

world
  .create_entity()
  .with(transform)
  .with(sprite_render.clone())
  .with(Ship::new())
  .with(Physical {
    velocity: zero(),
    max_velocity: 10.0,
    rotation: 0.0
  })
  .build();
現在來修改 system,先新增一個操作 Physical component 的 system:
#[derive(SystemDesc)]
pub struct PhysicalSystem;

impl<'s> System<'s> for PhysicalSystem {
  type SystemData = (
    ReadStorage<'s, Physical>,
    WriteStorage<'s, Transform>,
    Read<'s, Time>,
  );

  fn run(&mut self,
    (physicals,
     mut transforms,
     time): Self::SystemData) {
    let delta = time.delta_seconds();
    for (physical, transform) in (&physicals, &mut transforms).join() {
      let movement = physical.velocity * delta;
      let rotation = physical.rotation * delta;
      transform.prepend_translation(Vector3::new(movement.x, movement.y, 0.0));
      transform.rotate_2d(rotation);
    }
  }
}
每個系統都要定義 SystemData,也就是它需要存取哪些資源:無非就是讀寫 component、新增/刪除 entity 還有讀取 world 內存的 resource,PhysicalSystem 會需要去讀 Physical component、系統提供的 Time resource、寫入 transform component。
在讀取和寫入有不同的方式,可以參考文件 system 章節,大致整理起來是:
  • Read<'s, Resource>、Write<'s, Resource>:取得唯讀/可讀寫的 Resource,這個是保證不會失敗的取得資源,如果失敗的話會直接給你一個 Default::default() 的版本。
  • ReadExpect<'s, Resource>、WriteExpect<'s, Resource>:同上,但這個適用在沒有實作 Default::default() 的資源上。
  • ReadStorage<'s, Component>、WriteStorage<'s, Component>:取得唯讀/可讀寫的 Component 參考。
  • Entities<'s>:創造或刪除 entity 用。
實作 system 只要實作一個 run 函式,這裡有兩種寫法,一種如上面所示,在參數階段就把 SystemData 解開來;另一種則是在函數內解開:
fn run(&mut self, data: Self::SystemData) {
  let (physicals,
        mut transforms,
        time) = data;
  // ...
}
兩種對編譯器來說應該是一樣的,所以選一個喜歡的就可以了,但記得一個原則,一定要把每一行都分開寫,不要擠在一行:
let (physicals, mut transforms, time) = data;
這是因為我們的 system 是會長大的,哪天要加一個新的 component,直接加一行會比在一行裡面找到正確的位置還要簡單。

從 SystemData 拿到的,會是這個遊戲裡「所有有這個 component 的資料」,這裡會收集到所有有 Physical component 的 entity;所以我們用 for loop ,搭配 join() 把資料展開來。
只要是 component 展開這步幾乎是必要的,我個人是建議從 system data 裡解出來的資料,一律加 s 用複數,用 for 解出來再變單數,變數名詞選同一個,比較不會去考慮哪個是哪個。
再來就是位移跟旋轉的實作,從 Time 這個 resource 裡面,我們可以拿到和上一個 frame 之間的時間差,配合 physical 裡面記錄的速度和角速度算出位移量,並更新到 transform 就行了。

上一篇的 ShipControlSystem 也要修改,它會從 ship 定義的加速度算出速度的變化值,修改到 physical 速度內,這裡揭示了 for loop 配 join 的用法,從 ReadStorage<'s, Physical> 拿到的,是所有「有 physical component」,只想要改 ship,只要把 physicals、ships 一起放進 join 裡面,就會只拿出同時有 physical 和 ship component 的 entity 了:
let delta = time.delta_seconds();
for (physical, ship, transform) in (&mut physicals, &ships, &transforms).join() {
  let acceleration = input.axis_value("accelerate");
  let rotate = input.axis_value("rotate");

  // handle acceleration -> velocity
  let acc = acceleration.unwrap_or_default();
  let added = Vector3::y() * delta * acc * ship.acceleration;
  let added = transform.rotation() * added;
  physical.velocity += Vector2::new(added.x, added.y);

  let magnitude = physical.velocity.magnitude();
  if magnitude > physical.max_velocity {
    physical.velocity *= physical.max_velocity / magnitude;
  }
最後一步,和上一篇一樣把我們的 system 註冊到 game data 裡面
use crate::system::{ShipControlSystem, PhysicalSystem};

let game_data = GameDataBuilder::default()
  // Render, transform bundle here ...
  .with(ShipControlSystem, "ship_control_system", &["input_system"])
  .with(PhysicalSystem, "physical_system", &["ship_control_system"]);

註冊 system 的 with 是可以寫明相依關係的,三個參數分別是 system struct,system name 和 dependencies list,我們這裡的寫法 input_system(這個名字應是預設的)、ShipControlSystem、PhysicalSystem 會依序執行。

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