Hazel引擎学习（七）

我自己维护引擎的github地址在这里，里面加了不少注释，有需要的可以看看

Making a GAME in ONE HOUR using MY ENGINE

参考：https://www.youtube.com/watch?v=qITIvVV6BHk&ab_channel=TheCherno

这个视频是看了看Unity里别人做类似Flappy Bird的视频，不过这里的Bird换成了Rocket，来看看用Hazel来实现对应的游戏，需要什么额外的功能：

• 需要Particle System来代表火箭后面的喷射装置
• 需要碰撞检测，判断Rocket是否撞到了墙上
• 重力模拟
• 一些后处理效果，让画面变得更好看，比如变色发光的墙(glow triangles)，这里会使用PS过的贴图代替Bloom的效果
• camera following the player
• UI for displaying the score
• Renderer 2D绘制Rotated Quad(目前的DrawQuad函数里只能输入position)
• Random类，提供随机数

还有两个功能，这里不会实现：

• 音频系统
• 打包到安卓上游玩，毕竟引擎目前不像Unity，目前只支持Windows

具体步骤如下：

绘制代表Rocket的像素图

下载了个Photoshop，学习了一下怎么画像素图，参考这里

这个Character，Cherno视频里绘制如下，他在16*16像素的Canvas上画的：

为了绘制这个Rocket，作为Character，我也画了个，把这第一个Layer的图像导出来图片文件即可，TB是我的英文名Toby的缩写：

创建基本代码

我直接把当前开发的Hazel的代码Copy了一份，放在新创建的Git仓库里了，并且把SandBox相关的名字改成了FlappyRocket，而且把Hazel.sln改成了FlappyRocket.sln。

添加2D Renderer渲染旋转Quad

这个很简单，直接改原本引擎的DrawQuad里的参数列表就行，除了position，再加一个rotatedAngle:

void Renderer2D::DrawQuad(const glm::vec3 & position, float rotatedAngle, const glm::vec2 & size, std::shared_ptr<Texture> tex)
{
	//Texture绑定到0号槽位即可, shader里面自然会去读取对应的shader
	tex->Bind(0);
	s_Data->Shader->UploadUniformVec4("u_Color", { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f });
	glm::mat4 transform = glm::scale(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(size.x, size.y, 1.0f));
	transform = glm::rotate(transform, glm::radians(rotatedAngle), { 0, 0, 1 });
	transform = glm::translate(transform, position);
		
	s_Data->Shader->UploadUniformMat4("u_Transform", transform);
	RenderCommand::DrawIndexed(s_Data->QuadVertexArray);
}

游戏框架

分为这么几个类：

• 创建Game Layer
• 设计Level类，类似Unity的Scene类
• 设计Player类
• 设计Random类，用于生成随机关卡数据
• 设计Particle System类，作为火箭的喷射效果

可以创建一个基本的Layer，然后把我之前画的像素贴图渲染到屏幕中间。

各个类的接口

Random和Particle System类没那么重要，就先不介绍了

Game Layer
其实就是基础的Layer

class GameLayer : public Hazel::Layer
{
public:
	GameLayer(const std::string& name = "Layer");
	~GameLayer();
	void OnAttach() override;  //当layer添加到layer stack的时候会调用此函数，相当于Init函数
	void OnDettach() override; //当layer从layer stack移除的时候会调用此函数，相当于Shutdown函数
	void OnEvent(Hazel::Event&) override;
	bool OnMouseButtonPressed(Hazel::MouseButtonPressedEvent & e);
	void OnUpdate(const Hazel::Timestep&) override;
	void OnImGuiRender() override;

private:
	std::shared_ptr<Level> m_Level;

	glm::vec4 m_FlatColor = glm::vec4(0.2, 0.3, 0.8, 1.0);

	// UI stuff
	ImFont* m_Font;
	bool m_Blink = false;
	float m_Time = 0.0f;

	enum class GameState
	{
		Play = 0, MainMenu = 1, GameOver = 2
	};

	GameState m_State = GameState::MainMenu;
};

Level类
主要的数据全部存在Level类里了，有：

• Player引用，Player里记录了其使用的贴图
• 关卡数据，以及关卡使用到的贴图
• 游戏逻辑数据，比如当前得分和游戏是否结束的状态参数

#include "Player.h"

// 整个游戏区间的y坐标在[-10, 10]区间内, Player从(0,0,0)开始自动向右移动
struct Column
{
	glm::vec3 topPos;		
	glm::vec3 bottomPos;	

	glm::vec2 scale = {1.5f, 2.0f};		// the Column can be expanded in x and y axis
};

// 对于整个关卡区间的y值: 
// [-1, 1]为玩家的竖直活动区间
// [-Infinity, -1]和[1, Infinity]区间为关卡的上下边界
// 但是由于正交Camera是紧跟Player的, Camera的显示范围为横轴长度为4, 纵轴长度为2.25(16:9)
class Level
{
public:
	// 默认正交相机的radio为16:9, zoom为1
	Level();

	static glm::vec4 HSVtoRGB(const glm::vec3 & hsv);

	void Init();
	void Reset();

	void OnUpdate(Hazel::Timestep ts);
	void OnRender();
	void OnImGuiRender();

	bool IsGameOver() const { return m_GameOver; }

	Hazel::OrthographicCameraController& GetCameraController() { return m_OrthoCameraController; }
	glm::vec4 GetDynamicCollor() { return m_DynamicColor; }

	void SetPlayer(const Player&p) { m_Player = p; }
	Player& GetPlayer() { return m_Player; }

	void SetSpacePressed(bool pressed) { m_SpacePressed = pressed; }
	std::vector<Column>& GetColumns() { return m_Collumns; }

	std::shared_ptr<Hazel::Texture2D> GetTriangleTex() { return m_TriangleTexture; }
private:
	bool CollisionTest();
	void CreateInitialColumns();
	void UpdateColumns();

	void UpdateColumnBounds();

	void GameOver();
private:
	bool m_GameOver = false;

	float m_LastPlayerPosX = 0.0f;
	// 色调盘和半径都是确定的, 只有色调H会改变
	glm::vec3 m_ColumnHSV = { 0.0f, 0.8f, 0.8f };// H: Hue, S: Saturation,  V: value
	float m_Gravity = 38.0f;
	float m_UpAcceleration = 100.0f;

	Player m_Player;
	std::vector<Column> m_Collumns;									// 关卡信息数组
	std::shared_ptr<Hazel::Texture2D> m_TriangleTexture;			// 关卡对应的Texture2D数组
	bool m_SpacePressed = false;
	Hazel::OrthographicCameraController m_OrthoCameraController;
	glm::vec4 m_DynamicColor = { 1.0f, 0.3f, 0.3f, 1.0f };

public:
	std::vector<glm::vec2> m_DebugCollisions;// 存储Player发生碰撞时的Player的位置

	// 向量的齐次坐标为0, 点为1
	glm::vec4 m_TriVertices[3]{
		{ 0.4f,  -0.4f, 0.0f, 1.0f },	// 注意, 最后一列必须都是1, 因为他们代表点而不是向量
		{ 0.0f,   0.4f, 0.0f, 1.0f },
		{ -0.4f, -0.4f, 0.0f, 1.0f },
	};

	std::vector<glm::vec4> m_ColumnBounds;
};

Player类

class Player
{
public:
	Player(const char* name = "Default Player");

	void OnUpdate(Hazel::Timestep ts);
	void Render();
	void Reset();

	void SetTexture(std::shared_ptr <Hazel::Texture2D> tex) { m_RocketTexture = tex; }
	std::shared_ptr<Hazel::Texture2D> GetTexture() { return m_RocketTexture; }

	float GetRotation() 
	{
		if (m_Velocity.y * 3.0f - 90.0f < -180)
			m_Velocity.y = -90.0f / 3.0f;

		if (m_Velocity.y * 3.0f - 90.0f > 0)
			m_Velocity.y = 90.0f / 3.0f;

		return m_Velocity.y * 3.0f - 90.0f; 
	}
	const glm::vec2& GetPosition() const { return m_Position; } 
	void SetPosition(const glm::vec2& pos);

	glm::vec4 GetForward() { return glm::rotate(glm::mat4(1.0f), glm::radians(m_Velocity.y * 3.0f), { 0, 0, 1 }) * glm::vec4(1, 0, 0, 0); }
	glm::vec2 GetVelocity() { return m_Velocity; }
	void SetVelocity(const glm::vec2& p) { m_Velocity = p; }
	uint32_t GetScore() const { return (uint32_t)((m_Position.x ) / (4.0f / 3.0f)); }
	float GetSpeed() { return m_PlayerSpeed; }

	void Emit();
private:
	glm::vec2 m_Position = { 0.0f, 0.0f };
	glm::vec2 m_Velocity = { 10.0f, 0.0f };

	float m_EnginePower = 0.5f;

	float m_Time = 0.0f;
	float m_SmokeEmitInterval = 0.4f;

	ParticleProperties m_SmokeParticleProps, m_EngineParticleProps;
	ParticleSystem m_ParticleSystem;
	
	std::shared_ptr<Hazel::Texture2D> m_RocketTexture;
	std::string m_Name;
	
public:
	// 向量的齐次坐标为0, 点为1
	glm::vec4 m_MeshVertices[4]{
		{ -0.4f, -0.20f, 0.0f , 1.0f },	// 注意, 最后一列必须都是1, 因为他们代表点而不是向量
		{  0.4f, -0.20f, 0.0f , 1.0f },
		{  0.4f,  0.20f, 0.0f , 1.0f },
		{ -0.4f,  0.20f, 0.0f , 1.0f }
	};

	glm::vec4 m_CurVertices[4];
	float m_PlayerSpeed = 0.075f;
};

我把我写代码的过程列在这里，后面补充一些相关知识，更多的细节都记录在FlappyRocketMadeByHazel了：

• 绘制出Character
• Character初始向右水平移动，Character会基于其Forward向量移动
• 添加Gravity对速度的影响，其实就是角色的速度往下的分量不断增加
• GameLayer接受按空格键和松开空格键的Event
• 按下空格键时，Character速度添加向上的分量，其实是类似添加Gravity的 *** 作，只不过速度是反的
• Camera跟随Character，这个很简单，把Player的offset加到Camera上即可
• Camera锁定在X轴的[-2 + movement, 2 + movement]，和Y轴的[-1.225, 1.225]之间
• 实现对Background和上下Border的绘制函数
• 读取三角形贴图，绘制静态关卡（看了下，屏幕横排等于三个Columns的间距和）
• 加入Random类，绘制动态Column
• 绘制Runtime下随机颜色的三角形
• Level类里添加碰撞检测，在其Update函数里不断调用，碰撞则结束游戏
• 添加粒子系统

下面介绍一些，完成这个小游戏需要补充的知识

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Orthographic Camera显示任意的Zone

对于2D的正交相机，比如说，我想把横轴长度2，纵轴长度4的移动区间显示到屏幕上，初始区间即为横轴[-1, 1]、纵轴[-2, 2]，那么应该怎么写Camera的矩阵?

// 这是我的构造函数
// 构造函数, 由于正交投影下, 需要Frustum, 默认near为-1, far为1, 就不写了
// 不过这个构造函数没有指定Camera的位置, 所以应该是默认位置
OrthographicCamera(float left, float right, float bottom, float top);

// 所以这么写应该就行了
Hazel::OrthographicCamera(-1.0f, 1.0f, -2.0f, 2.0f)

但是这样画出来画面是变形的，因为我们的屏幕一般是16:9，或者16:10的，所以这里的横向区间比纵向区间一般要是这个比例，所以我现在把横轴长度改成4，纵轴长度改成了4/16 * 9 = 2.25，代码如下：

// 映射区间在横轴[-2, 2]、纵轴[-1.225, 1.225]内
m_OrthoCameraController.GetCamera() = Hazel::OrthographicCamera(-2.0f, 2.0f, -1.225f, 1.225f);

C++写随机数

Random类如下：

// Random.h
#include 

class Random
{
public:
	static void Init()
	{
		s_RandomEngine.seed(std::random_device()());
	}

	// 返回[0, 1]范围内的随机浮点数
	static float Float()
	{
		return (float)s_Distribution(s_RandomEngine) / (float)std::numeric_limits<uint32_t>::max();
	}
private:
	static std::mt19937 s_RandomEngine;
	static std::uniform_int_distribution<std::mt19937::result_type> s_Distribution;
};

// Random.cpp
#include "Random.h"

// 初始化静态对象
std::mt19937 Random::s_RandomEngine;
std::uniform_int_distribution<std::mt19937::result_type> Random::s_Distribution;

// 实际使用时
// 获取[-17.5, 17.5]区间的随机数
float center = Random::Float() * 35.0f - 17.5f;

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HSL and HSV

参考：https://www.youtube.com/watch?v=Ceur-ARJ4Wc&t=48s&ab_channel=KhanAcademyLabs

HSL (for hue, saturation, lightness) and HSV (for hue, saturation, value; also known as HSB, for hue, saturation, brightness) are alternative representations of the RGB color model

HSL其实是三个参数的首字母大写，hue代表H，意思是色调；S是saturation，即溶解度；L则是亮度。

也可以叫HSV，是一样的。

这是另外一种表示颜色的方法，RGB虽然数字上很精确，但是很难直接根据自己想要的颜色，得到对应的RGB的值，比如说我要一个淡紫色，我无法直接给出RGB的大致值，因为RGB表示颜色，并不够直观。

所以人们想出了新的颜色模型，即HSV颜色模型。

H翻译为色调，也可以叫颜色，如下图所示，是一个用于参考的色调盘，色盘上的任意一个颜色，会由H和S两个值决定，H的值在[0, 360]之间，S对应着半径，但是这里的色盘并不代表所有的颜色，显然这里没有黑色：
改变亮度，可以获得不同的色调盘，如下图所示，通过HSL三个元素，就可以获取所有的颜色了：

这里有一份HSV转RGB的代码，从Cherno代码里扒出来的：

static glm::vec4 HSVtoRGB(const glm::vec3& hsv) 
{
	int H = (int)(hsv.x * 360.0f);
	double S = hsv.y;
	double V = hsv.z;

	double C = S * V;
	double X = C * (1 - abs(fmod(H / 60.0, 2) - 1));
	double m = V - C;
	double Rs, Gs, Bs;

	if (H >= 0 && H < 60) 
	{
		Rs = C;
		Gs = X;
		Bs = 0;
	}
	else if (H >= 60 && H < 120)
	 {
		Rs = X;
		Gs = C;
		Bs = 0;
	}
	else if (H >= 120 && H < 180) 
	{
		Rs = 0;
		Gs = C;
		Bs = X;
	}
	else if (H >= 180 && H < 240) 
	{
		Rs = 0;
		Gs = X;
		Bs = C;
	}
	else if (H >= 240 && H < 300) 
	{
		Rs = X;
		Gs = 0;
		Bs = C;
	}
	else 
	{
		Rs = C;
		Gs = 0;
		Bs = X;
	}

	return { (Rs + m), (Gs + m), (Bs + m), 1.0f };
}

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碰撞检测

这一块和后面会介绍的粒子系统，是这个2D游戏的两个重点，这里的碰撞检测代码分为两个步骤：

• 表示出Player周围Collider的Runtime坐标，以及不同位置的Column的三角形的三个点坐标
• Runtime每帧判断Player的Collider坐标是否在任意Column的三角形内，或者超出上下边界

第一步
核心思路是，写出静态的物体顶点的Mesh坐标，然后根据其Transform，得到新的Runtime下的坐标，代码如下所示：

// Level.h
class Level
{
	...
	// 向量的齐次坐标为0, 点为1
	glm::vec4 m_TriVertices[3]{
		{ 0.4f,  -0.4f, 0.0f, 1.0f },	// 注意, 最后一列必须都是1, 因为他们代表点而不是向量
		{ 0.0f,   0.4f, 0.0f, 1.0f },
		{ -0.4f, -0.4f, 0.0f, 1.0f },
	};

	std::vector<glm::vec4> m_ColumnBounds;
}

// Level.cpp
void Level::UpdateColumnBounds()
{
	for (size_t i = 0; i < m_Collumns.size(); i++)
	{
		auto col = m_Collumns[i];

		// Upper tri
		for (size_t i = 0; i < 3; i++)
		{
			auto trans = glm::scale(glm::mat4(1.0f), { 1.5f, 2.0f, 1.0f });
			trans = glm::rotate(trans, glm::radians(180.0f), { 0,0,1 });// 上排的三角形是倒着向下的, 要旋转180°

			glm::mat4 globalTrans = glm::translate(glm::mat4(1.0f), col.topPos);
			trans = globalTrans * trans;

			glm::vec4 pos = trans * m_TriVertices[i];
			m_ColumnBounds.push_back(pos);
		}


		// Bottom tri
		...
	}
}

第二步
Runtime判断是否碰撞的方法比较简陋，没有什么BVH之类的空间划分算法，它是暴力的每帧遍历所有Column里的三角形，这里用一个Quad的四个点代表Player的Collider，看Player的Collider的周围四个点是否有点在这些三角形里。

核心代码其实就是判断点是否在三角形内，可以用叉乘来判断，如下图所示，其实就是判断只要P点都在AB、BC、CA的同一侧即可，或者AC、CB、BA的同一侧也行：

代码如下，其他的不多说：

static bool PointInTri(const glm::vec2& p, glm::vec2& p0, const glm::vec2& p1, const glm::vec2& p2)
{
	float s = p0.y * p2.x - p0.x * p2.y + (p2.y - p0.y) * p.x + (p0.x - p2.x) * p.y;
	float t = p0.x * p1.y - p0.y * p1.x + (p0.y - p1.y) * p.x + (p1.x - p0.x) * p.y;

	if ((s < 0) != (t < 0))
		return false;

	float A = -p1.y * p2.x + p0.y * (p2.x - p1.x) + p0.x * (p1.y - p2.y) + p1.x * p2.y;

	return A < 0 ?
		(s <= 0 && s + t >= A) :
		(s >= 0 && s + t <= A);
}

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Particle System

这里的粒子系统很简陋，没有涉及到批处理，其实只是绘制了一堆不断移动、不断缩小的Quad而言，然后用了一个vector作为pool，当每个粒子到了它的LifeTime时，不再绘制它们而已，代码如下，不多说了：

#pragma once

#include 

// 代表粒子系统释放粒子时的统一粒子参数, 参数有：
// 初始大小, 最终大小, lifeTime, 速度, 位置, 起始颜色, 最终颜色等
struct ParticleProperties
{
	glm::vec2 Position;
	// 由于粒子各不相同, 这里的VelocityVariation代表最大的速度变化量, 会在
	// [Velocity - VelocityVariation * 0.5f, Velocity + VelocityVariation * 0.5f]区间产生随机velocity
	glm::vec2 Velocity, VelocityVariation;
	glm::vec4 ColorBegin, ColorEnd;
	float SizeBegin, SizeEnd, SizeVariation;
	float LifeTime = 1.0f;
};

// 由于每个Particle的参数会不同, 所以需要单独设计一个类
struct Particle
{
	glm::vec2 Position;
	glm::vec2 Velocity;
	glm::vec4 ColorBegin, ColorEnd;
	float Rotation = 0.0f;
	float SizeBegin, SizeEnd;

	float LifeTime = 1.0f;
	float LifeRemaining = 0.0f;

	bool Active = false;
};


// Player对象里会存一个ParticleSystem对象
class ParticleSystem
{
public:
	ParticleSystem();

	// 释放粒子, 当按住空格键时, 每帧都会调用此函数, 它们的参数由particleProps统一指定
	// 但是绝大部分参数会基于Random系统, 在原本particleProps给的基础上微变
	void Emit(const ParticleProperties& particleProps);

	void OnUpdate(Hazel::Timestep ts, float playerSpeed);
	void OnRender();
private:
	
	std::vector<Particle> m_ParticlePool;// 会在此类的构造函数里resize到1000, 即Pool的size为1000
	uint32_t m_PoolIndex = 999;
};

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Improving our 2D Rendering API

这节课不难，主要是为了丰富Renderer2D::DrawQuad函数，给它加了：

• Tiling功能
• Tint功能：Tint是着色、染色的东西，其实就是给Texture的Color加上一个颜色的滤镜而已
• 渲染旋转后的Quad

Tiling

Tiling的本质其实就是基于Texture的Repeat Mode，让它变成这样：

然后把原本[0, 1]范围内的UV坐标，各自乘以对应的Tiling倍数即可，像上图这种情况Tiling为3×3

Tint

Tint翻译为染色，着色，其实就是这个代码：

out vec4 color;
uniform sampler2D u_Texture;
// when draw Texture, it is TintColor, but when draw color, this is the output color
uniform vec4 u_Color;
uniform float u_TilingFactor;

void main()
{
	color = texture(u_Texture, TexCoord * u_TilingFactor) * u_Color;
} 

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How I Made a Game in an Hour Using Hazel

基本就是分析了一下Cherno自己写的FlappyRocket的代码，看了下，有两个值得注意的地方：

自带glow效果的贴图
正常游戏引擎都是通过后处理实现glow效果的，不过他这里用的Trick，在于他制作的三角形贴图是自带Bloom效果的，在绘制的，要注意，因为代表关卡的三角形贴图很容易有重叠部分，所以从左到右，Column的Z值需要不断增大，左边的图片不能遮挡右边。

如下图所示，是三角形贴图Z值都相同时会出现的情况，左边贴图的方框遮住了右边的三角形贴图：

一种Shader的Trick
如下图所示，越在屏幕中心的点，亮度越高，这营造了一种幽暗的环境：

其实是一种Shader的小技巧，就是在output color里，根据离屏幕边缘的距离，改变整体颜色的四个通道的值，Shader如下所示：

// Basic Texture Shader: Texture.glsl

#type vertex
#version 330 core

layout(location = 0) in vec3 a_Position;
layout(location = 1) in vec2 a_TexCoord;

uniform mat4 u_ViewProjection;
uniform mat4 u_Transform;

out vec2 v_TexCoord;
out vec2 v_ScreenPos;

void main()
{
	v_TexCoord = a_TexCoord;
	gl_Position = u_ViewProjection * u_Transform * vec4(a_Position, 1.0);
	v_ScreenPos = gl_Position.xy;
}

#type fragment
#version 330 core

layout(location = 0) out vec4 color;

in vec2 v_TexCoord;
in vec2 v_ScreenPos;

uniform vec4 u_Color;
uniform sampler2D u_Texture;

void main()
{
	float dist = 1.0f - distance(v_ScreenPos * 0.8f, vec2(0.0f));
	dist = clamp(dist, 0.0f, 1.0f);
	dist = sqrt(dist);
	color = texture(u_Texture, v_TexCoord) * u_Color * dist;
}

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Hazel 2020

这一章主要是闲聊，然后聊了聊未来的Scripting Language选择，Hazel决定使用lua作为脚本语言，lua非常简单，其实就是相当于几个C++文件、5000多行代码而已，这里没有选择C#作为脚本语言，然后用Mono来跨平台，是因为这样做工作量太大了。

尽管C#是很好用的语言，但基于跨平台的原因，还是不选择它。

不过如果只想在Win平台上发布游戏，那么游戏引擎是可以考虑用C#的，此时可以用C++/CLI来负责C++与C#的交互。

顺便看了一下后面的课程，大概路线就是：

• Renderer2D的批处理
• SpriteSheet
• ECS
• Camera系统完善
• Native Scripting
• Game Editor相关的UI

关于C++/CLI

参考：https://stackoverflow.com/questions/1933210/c-cli-why-should-i-use-it
参考：https://stackoverflow.com/questions/1969085/what-is-the-difference-between-ansi-iso-c-and-c-cli

C++/CLI is variant of the C++ programming language, modified for Common Language Infrastructure

C++/CLI是C++语言的一个变体，用于支持CLI标准，它主要是作为一种中间语言(intermediate language)，用于在C++里调用.NET的dll。

C++/CLI has a very specific target usage, the language (and its compiler, most of all) makes it very easy to write code that needs to interop with unmanaged code. It has built-in support for marshaling between managed and unmanaged types. It used to be called IJW (It Just Works), nowadays called C++ Interop. Other languages need to use the P/Invoke marshaller which can be inefficient and has limited capabilities compared to what C++/CLI can do.

C++/CLI其实是类似于C#或者VB.NET的编程语言，runs on top of Microsoft’s Common Language Interface。

跟C#一样，它也是不直接运行在Machine上的，运行它需要安装.NET Framework，而.NET Framework的一部分职责就是负责把C++/CLI的programs翻译成native programs。

不多说了，以后要用到再了解吧

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BATCH RENDERING

这里直接把BeginScene和EndScene之间的绘制代码进行批处理，但是具体说多少个DrawCall进行合批，性能最好，这个还不清楚，可能要具体做实验才可以知道哪一个性能最好。

目前是用1万个DrawQuad函数进行一次合批，如果数量在1万以内，那我合成一个DrawCall就行了，如果大于1万，那每多1万，每超过1万的个数就会多一个DrawCall。

不过这节课写的代码，还没做到上面这个程度，仅仅是一帧最多绘制1W个Quad，然后会把这些Quad合并到一个DrawCall上，用到的核心API就是OpenGL的glBufferSubData函数，用于在Vertex Buffer里动态填充数据，写法如下：

// 第一种API, 会返回一个指针, 这个指针指向一块内存，这个内存可以直接Write
// glMapBuffer, glMapNamedBuffer — map all of a buffer object's data store into the client's address space
void *glMapBuffer(GLenum target, GLenum access);
void *glMapNamedBuffer(GLuint buffer, GLenum access);

... // 写入Buffer

// 在完成对Buffer的写入之后, 调用Unmap函数, 把这块内存上传到GPU
GLboolean glUnmapBuffer(GLenum target);
GLboolean glUnmapNamedBuffer(GLuint buffer);

// 第二种API, 这种写法更快, 而且适用的OpenGL的版本越广
// glBufferSubData, glNamedBufferSubData — updates a subset of a buffer object's data store
void glBufferSubData(GLenum target, GLintptr offset, GLsizeiptr size, const void * data);
void glNamedBufferSubData(GLuint buffer, GLintptr offset, GLsizeiptr size, const void *data);

// glBufferSubData的写法与glBufferData的写法很像，但是它不分配内存，只是把data发送给buffer
// 实际使用的时候, 要先绑定到对应的dynamic_draw的buffer
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_QuadVertexBuffer);
// 把这一块内存的数据，移到绑定的Array Buffer里, 具体应该是做的Deep Copy吧
glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, 0, sizeof(vertices), vertices);

具体步骤如下：

• 在Renderer2D的Init函数里，创建动态可更新的VertexBuffer
• • 在Renderer2D的Init函数里，创建静态的IndexBuffer
• 修改Renderer2D的static SceneData数据，把里面的VertexArray里的Vertex Buffer调整为1W个Quad大小的动态Buffer，Index Buffer调整为1W个Quad大小的静态Buffer，创建时，俩Buffer里的数据都是uninitialized data
• 修改DrawQuad函数，让其绘制时动态往Vertex Buffer里填充要绘制的顶点属性数据，同时记录绘制Quad的个数，目前只支持绘制FlatColor，DrawQuad对应的FlatColor颜色会作为颜色的顶点属性存在Vertex Buffer里
• 在EndScene里，根据记录绘制Quad的个数，填充IndexBuffer里的数据，然后调用DrawCall绘制这些Quads

创建动态VertexBuffer

之前的构造函数是这样的，是根据静态数据创建静态的Vertex Buffer:

class VertexBuffer
{
public:
	...
	// 注意这个static函数是在基类声明的, 会根据当前Renderer::GetAPI()返回VertexBuffer的派生类对象
	static VertexBuffer* Create(float* vertices, uint32_t size);
protected:
	uint32_t m_VertexBuffer;
};

添加一个新的VertexBuffwr的构造函数 无非传输的数据为空指针，类型从GL_STATIC_DRAW改成GL_DYNAMIC_DRAW:

OpenGLVertexBuffer::OpenGLVertexBuffer(float* vertices, uint32_t size)
{
	glGenBuffers(1, &m_VertexBuffer);
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VertexBuffer);
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, size, vertices, GL_STATIC_DRAW);	//从CPU传入了GPU
}

OpenGLVertexBuffer::OpenGLVertexBuffer(uint32_t size)
{
	glGenBuffers(1, &m_VertexBuffer);
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VertexBuffer);
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, size, nullptr, GL_DYNAMIC_DRAW);	//从CPU传入了GPU
}

目前的IndexBuffer，暂时就不用动态的了，因为批处理都是固定绘制1W个Quad，目前也只会绘制Quad

创建静态的IndexBuffer

IndexBuffer依旧是静态的，只不过是里面的容量变大了而已：

// 3. 创建Index Buffer
std::unique_ptr<uint32_t[]> indices = std::make_unique<uint32_t[]>(s_Data.MaxIndices);
uint32_t curVertexIndex = 0;
for (size_t i = 0; i < s_Data.MaxIndices; i += 6)
{
	indices[i] = curVertexIndex;
	indices[i + 1] = curVertexIndex + 1;
	indices[i + 2] = curVertexIndex + 2;

	indices[i + 3] = curVertexIndex + 1;
	indices[i + 4] = curVertexIndex + 3;
	indices[i + 5] = curVertexIndex + 2;

	curVertexIndex += 4;// 每经过6个index, 完成一个Quad的绘制, 也就是4个顶点
}

// TODO: 如果改成多线程渲染或者单纯放到CommandQueue里, 可能会有问题, 可能出现实际创建Buffer时, indices的内存被释放的情况
auto quadIndexBuffer = std::shared_ptr<IndexBuffer>(IndexBuffer::Create(&indices[0], sizeof(uint32_t) * s_Data.MaxIndices));

修改Renderer2D的static SceneData数据

原本的Renderer2D一次只会渲染一个Quad，所以它的数据比较简单，如下所示：

// Renderer2D.cpp
struct Renderer2DStorage
{
	// VertexArray里存了vertex buffer、index buffer和对应的vertex Layout
	std::shared_ptr<VertexArray> QuadVertexArray;		// 代表Quad的VertexArray
	std::shared_ptr<Shader> Shader;						// 目前的2DRenderer只需要一个Shader
	std::shared_ptr<Texture2D> WhiteTexture;		
};

已有的创建QuadVertexArray的流程为先创建Vertex Buffer、再设置顶点Buffer的Layout、再创建Index Buffer、最后创建Vertex Array并填充相关数据，代码如下：

// 1.创建Vertex Buffer
float quadVertices[] =
{
	-0.5f, -0.5f, 0, 0.0f, 0.0f,
	 0.5f, -0.5f, 0, 1.0f, 0.0f,
	-0.5f,  0.5f, 0, 0.0f, 1.0f,
	 0.5f,  0.5f, 0, 1.0f, 1.0f
};

// CPU数据传给Vertex Buffer
auto quadVertexBuffer = std::shared_ptr<VertexBuffer>(VertexBuffer::Create(quadVertices, sizeof(quadVertices)));
quadVertexBuffer->Bind();

// 2.创建Layout，会计算好Stride和Offset
BufferLayout layout =
{
	{ ShaderDataType::FLOAT3, "a_Pos" },
	{ ShaderDataType::FLOAT2, "a_Tex" }
};
quadVertexBuffer->SetBufferLayout(layout);

// 3.创建Index Buffer
int quadIndices[] = { 0,1,2,2,1,3 };
auto quadIndexBuffer = std::shared_ptr<IndexBuffer>(IndexBuffer::Create(quadIndices, sizeof(quadIndices)));

// 4.创建Vertex Array, 填充数据
s_Data->QuadVertexArray.reset(VertexArray::Create());
s_Data->QuadVertexArray->Bind();
quadIndexBuffer->Bind();
s_Data->QuadVertexArray->AddVertexBuffer(quadVertexBuffer);
s_Data->QuadVertexArray->SetIndexBuffer(quadIndexBuffer);

修改后的s_Data也大致差不多，无非是IndexBuffer的Size变成了1W，还有就是Vertex Buffer从原本的StaticDraw变成了DynamicDraw:

struct Renderer2DData
{
	const uint32_t MaxQuads = 10000;
	const uint32_t MaxVertices = MaxQuads * 4;
	const uint32_t MaxIndices = MaxQuads * 6;

	std::shared_ptr<VertexArray> QuadVertexArray;		// 这三个还是不变
	std::shared_ptr<Shader> Shader;						// 目前的2DRenderer只需要一个Shader
	std::shared_ptr<Texture2D> WhiteTexture;		
};


// 为了方便更改QuadVertex的数据, 直接设计一个Struct来代表QuadVertex的数据：
```cpp
struct QuadVertex
{
	glm::vec3 Position;
	glm::vec4 Color;			// 加了个Color
	glm::vec2 TexCoord;
	// TODO: texid, normal,.etc
};

// 创建动态的Vertex Buffer时就这么写，分配1W个Quad个的顶点缓存, 也就是4W个顶点
VertexBuffer::Create(s_Data.MaxVertices * sizeof(QuadVertex));// s_Data.MaxVertices = 40000

注意，这里的QuadVertex里加了个Color的顶点属性，这其实也是一种变相的批处理，因为之前，在Shader里，有一个u_Color的uniform：

out vec4 color;
uniform sampler2D u_Texture;
// when draw Texture, it is TintColor, but when draw color, this is the output color
uniform vec4 u_Color;
uniform float u_TilingFactor;

void main()
{
	color = texture(u_Texture, TexCoord * u_TilingFactor) * u_Color;
} 

这里绘制不同的颜色的Quad时，会调用不同的DrawCall，为了把它合并从一个DrawCall，可以把颜色信息放到Vertex Atrribute里

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修改DrawQuad函数

Renderer2D的DrawQuad函数位于BeginScene和EndScene之间，原本的DrawQuad函数只是单纯的调用一次DrawCall，但是批处理后的DrawQuad函数的做法是，每次调用DrawQuad函数，就去填充动态Vertex Buffer里对应位置的顶点的顶点属性数据。

同时，这里会去检查调用DrawQuad函数的累计次数，如果正好到了1W次，那么就绘制这个超大的Vertex Buffer，然后Reset其内部数据。

代码如下：

struct Renderer2DData
{
	...
	/// 添加这三个数据, 用于动态更改Vertex Buffer和记录绘制的三角形个数
	uint32_t QuadIndexCount = 0;
	QuadVertex* QuadVertexBufferBase = nullptr;
	QuadVertex* QuadVertexBufferPtr = nullptr;
}

void Renderer2D::DrawQuad(const glm::vec2& position, const glm::vec2& size, const glm::vec4& color)
{
	// 在Vertex Buffer里填入四个顶点的Vertex Attributes数据, 这里的QuadVertexBufferPtr是在Vertex Buffer里的移动指针
	s_Data.QuadVertexBufferPtr->Position = position;
	s_Data.QuadVertexBufferPtr->Color = color;
	s_Data.QuadVertexBufferPtr->TexCoord = { 0.0f, 0.0f };
	s_Data.QuadVertexBufferPtr++;

	s_Data.QuadVertexBufferPtr->Position = { position.x + size.x, position.y, 0.0f };
	s_Data.QuadVertexBufferPtr->Color = color;
	s_Data.QuadVertexBufferPtr->TexCoord = { 1.0f, 0.0f };
	s_Data.QuadVertexBufferPtr++;

	s_Data.QuadVertexBufferPtr->Position = { position.x + size.x, position.y + size.y, 0.0f };
	s_Data.QuadVertexBufferPtr->Color = color;
	s_Data.QuadVertexBufferPtr->TexCoord = { 1.0f, 1.0f };
	s_Data.QuadVertexBufferPtr++;

	s_Data.QuadVertexBufferPtr->Position = { position.x, position.y + size.y, 0.0f };
	s_Data.QuadVertexBufferPtr->Color = color;
	s_Data.QuadVertexBufferPtr->TexCoord = { 0.0f, 1.0f };
	s_Data.QuadVertexBufferPtr++;

	// 每次六个顶点, 这玩意儿应该是记录绘制的三角形吧
	s_Data.QuadIndexCount += 6;
}

Batching Rendering Textures

基本思路是在提供的GPU槽位上绑定尽可能多的贴图，然后让Vertex Attribute里包含使用的Texture的id。

这个贴图槽位数，即Texture slot limit，取决于GPU。

A desktop GPU至少会有32个贴图槽位，而手机则至少有8个，技术层面上，向GPU驱动去查询GPU的最多贴图槽位，这样是比较合理的。

但是目前还是就写成最多32个槽位，因为查询GPU相关参数这个功能还比较麻烦。

另外，为了让使用相同的贴图的DrawQuad函数能合并使用同一张贴图，需要设置一个数据结构，用于记录已经用于绘制的贴图，类似于map，key为贴图资源的引用，value为贴图绑定的槽位，这样，当绘制一个带Texture的Quad时，它会去检查map，如果有key，就取得对应的贴图槽位，存到顶点属性里，合并到一个DrawCall内。

当然，这个map可能还不止32个key，所以最多一次DrawCall是绘制32种贴图的Quad，但对于2D的Renderer来说，由于Texture Atlas存在，这种超过32个贴图的情况很少见，就先不考虑了。

感觉用array代替map也行，无非是把数组的id作为槽位就可以了。

注意：这里的Texture的Key需要是一个unique identifier，这里可以临时使用OpenGL的TextureID，但是对于游戏引擎而言，贴图是一种资源，游戏引擎应该有自己的资源系统，对于任何一种资源，引擎都应该为其生成一个资源的Unique ID，作为Asset Handle，比如Unity把资源的ID存到了其.meta文件里。

而且为资源生成的Asset Handle不应该存在资源文件里，正常情况下，即使资源文件被美术家修改了，其Asset Handle也不应该变，因为很可能其他很多地方都记录了这个文件的引用，就像Unity里更新资源文件，不更新其.meta文件一样

具体思路如下：

• 创建Texture数组，数组大小为32，数组id对应的是贴图槽位，数组元素是Texture的ID，会在BeginScene里被重置，即数组元素全部为0，然后记录一个s_Data.CurrentTextureSlotID，在BeginScene被初始化为1（因为0号槽位预定给了WhiteTexture使用，用于绘制FlatColor）
• 修改Shader文件，用来同时适配32个Texture Uniform槽位

修改Shader文件

其实就是写法需要熟悉一下而已：

// Basic Texture Shader

#type vertex
#version 330 core

layout(location = 0) in vec3 a_Position;
layout(location = 1) in vec4 a_Color;
layout(location = 2) in vec2 a_TexCoord;
layout(location = 3) in float a_TexIndex;			// 多了俩顶点属性, 这里为啥不传int?
layout(location = 4) in float a_TilingFactor;

uniform mat4 u_ViewProjection;

out vec4 v_Color;
out vec2 v_TexCoord;
out float v_TexIndex;
out float v_TilingFactor;

void main()
{
	v_Color = a_Color;
	v_TexCoord = a_TexCoord;
	v_TexIndex = a_TexIndex;
	v_TilingFactor = a_TilingFactor;
	gl_Position = u_ViewProjection * vec4(a_Position, 1.0);
}

#type fragment
#version 330 core

layout(location = 0) out vec4 color;

in vec4 v_Color;
in vec2 v_TexCoord;
in float v_TexIndex;
in float v_TilingFactor;

uniform sampler2D u_Textures[32];// 改成了数组, 写法跟C++数组相同

void main()
{
	color = texture(u_Textures[int(v_TexIndex)], v_TexCoord * v_TilingFactor) * v_Color;
}

另外，之前是用glUniform1i()来上传Texture的id的，现在需要改成新的API，来上传int数组的uniform：

void OpenGLShader::UploadUniformIntArr(const std::string & uniformName, int * number, size_t count)
{
	glUniform1iv(glGetUniformLocation(m_RendererID, uniformName.c_str()), count, number);
}

写这节课的代码时，因为vertex shader向fragment shader传了个int，还学了点额外的内容，都放在附录里了

Drawing Rotated Quads

这节课就比较简单了，无非是把Rotation也在CPU里算出来，然后传到顶点属性的Position里，这里顺便优化了一下代码，就不多说了。

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Renderer Stats and Batch Improvements

这节课主要有这么几个目的：

• 添加Renderer的相关Statistics信息，比如当前帧调用了几个DrawCall？绘制了多少个Quad
• 改进Batch系统，因为目前一帧最多只能绘制1W个Quads
• 用ImGui把Stats绘制出来

添加Statistics类

很简单其实：

// Renderer2D里
class Renderer2D
{
public:

	...

	// For Debuging
	struct Statistics
	{
		uint32_t DrawCallCnt;
		uint32_t DrawQuadCnt;
		
		uint32_t DrawVerticesCnt() { return DrawQuadCnt * 4; }
		uint32_t DrawTrianglesCnt() { return DrawQuadCnt * 2; }
	};

	static Statistics GetStatistics();// 会在2DRendererData里存一个Statistics对象

private:
	static void Flush();
	static void ResetBatchParams();

}

多的就不说了，都在代码里，不难

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附录 因为glDrawElements引起的Bug

出这种OpenGL的bug是真的不好查。

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我本来想绘制一个Quad，DrawCall是这么写的：

// count我以为是2, 因为画俩三角形
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 2, GL_UNSIGNED_INT, nullptr);

其实这里的count指的是index buffer里的个数，一个quad是四个顶点，记了6个index，所以这么写才对：

// count我以为是2, 因为画俩三角形
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, nullptr);

glUniform后面字母的命名规则

参考：https://blog.600mb.com/a?ID=00500-ac818c14-ec0a-4385-870e-4fc601f2bbbf

glUniform function Function name:
Specify the value of the Uniform variable for the current program object. (Translator’s Note: Note that since OpenGL ES is written in C language, but C language does not support function overloading, there will be many function versions with the same name and different suffixes. The function names contain numbers (1, 2, 3 , 4) It means accepting this number to change the value of the uniform variable, i means 32-bit integer, f means 32-bit floating point, ub means 8-bit unsigned byte, ui means 32-bit unsigned integer, v means accept corresponding Pointer type.)

由于C语言不允许函数重载，所以这里用后面加字母的方式来定义不同函数签名的函数。

i和f分别代表32位的有符号整型和浮点数，ub代表8为的unsinged byte(即unsigned char)，ui代表无符号整型，v代表对应的指针类型(我之前一直以为v是vector向量的意思)

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从Vertex Shader给Fragment Shader传int数据产生的报错

写glsl的Shader时出现了Link编译报错：

[17:23:46] Hazel: Link Shaders Failed!:Fragment info
-------------
0(5) : error C5215: Integer varying v_TexIndex must be flat

[17:23:46] Console: Assertion Failed At: Link  Shaders Error Stopped Debugging!

我的俩Shader是这么写的：

//  vertex shader

#version 330 core
layout(location = 0) in vec3 aPos;
layout(location = 1) in vec2 aTex;
layout(location = 2) in vec4 aCol;
layout(location = 3) in int aTexIndex;

out vec2 v_TexCoord;
out vec4 v_Color;
out int v_TexIndex;

uniform mat4 u_ViewProjection;

void main()
{
	gl_Position = u_ViewProjection * vec4(aPos, 1.0);
	v_TexCoord = aTex;
	v_Color = aCol;
	v_TexIndex = aTexIndex;
}

// fragment shader

#version 330 core

in vec2 v_TexCoord;
in vec4 v_Color;
in int v_TexIndex;

out vec4 color;
uniform sampler2D u_Texture[32];
uniform float u_TilingFactor;

void main()
{
	color = texture(u_Texture[v_TexIndex], v_TexCoord * u_TilingFactor) * v_Color;
}

参考：https://stackoverflow.com/questions/27581271/flat-qualifier-in-glsl
参考：https://stackoverflow.com/questions/28514892/why-cant-i-add-an-int-member-to-my-glsl-shader-input-output-block

原因是，着色器之间不允许直接传入int，因为整型数字是不支持插值的。

至于为什么要支持插值，这是因为，绘制的时候是用点来表示Primitive的，而几个点构成的Primitive里的每个像素点的值都是根据周围几个点，通过三角形的重心坐标插值得到的，而int是不允许插值的，所以这里会报错。

如果非要加的，那么需要加上flat关键字：

Fragment shader inputs that are signed or unsigned integers, integer vectors, or any double-precision floating-point type must be qualified with the interpolation qualifier flat.

flat意味着没有插值，至于为什么叫flat，可以参考Flat Shading和Smooth Shading，正常的插值 *** 作发生在Smooth Shading里，而Flat Shading，往往是一个面就只有一个颜色。

修改后的Shader代码如下：

// vertex shader
...
layout(location = 3) in int aTexIndex;// 前面的不变
...
flat out int v_TexIndex;// 输出时的值不插值
...
void main()
{
	gl_Position = u_ViewProjection * vec4(aPos, 1.0);
	v_TexCoord = aTex;
	v_Color = aCol;
	v_TexIndex = aTexIndex;
}

// fragment shader
...
flat in int v_TexIndex;// 接受不插值的值
... // 其他的不变

因为传入GL_INT引发的惨案

参考：https://www.khronos.org/registry/OpenGL-Refpages/es3.0/html/glVertexAttribPointer.xhtml
参考：https://stackoverflow.com/questions/34442754/can-i-use-glvertexattribpointer-instead-of-glvertexattribipointer

基于上面写的从Vertex Shader给Fragment Shader传int数据的方法，我直接把int传给了Vertex Array，但是绘制结果怎么都不对。

查了一晚上bug，终于发现：GL_INT可以用于glVertexAttribPointer函数和glVertexAttribIPointer函数，但是用法是不一样的。

Data for an array specified by VertexAttribPointer will be converted to floating-point by normalizing if normalized is TRUE, and converted directly to floating-point otherwise. Data for an array specified by VertexAttribIPointer will always be left as integer values; such data are referred to as pure integers.

GL_INT用于前者时，会被转换为浮点数，只有使用VertexAttribIPointer才能保留成整型