从零开始制作微信小游戏-弹一弾，纯原生Canvas与物理引擎Ma
前言
H5游戏一直以来，以跨平台，低体验著称，其很大原因在于早期技术方案的不成熟和受限于H5游戏编码水平。但现今，Canvas和WebGL的渲染性能已经很好了，合理编码的情况下，体验与原生应用游戏并无区别
由微信小程序衍生且独立而出的【微信小游戏】便是瞄准了Web游戏渲染，代表着这是未来游戏制作一个很大方向上的趋势。微信小游戏运行环境移除了BOM和DOM，这是一个很有意思的方案，因为这意味着游戏开发者必须用纯canvas绘制游戏内容，这对于游戏性能的提升是巨大的
同时，为了保留对游戏引擎的支持和减少现行大量H5游戏的迁移工作，微信小游戏官方提供了weapp-adapter适配器，通过微信小游戏官方的适配器或自行开发编写的适配器，可以兼容很多的BOM或DOM的API
因为微信小游戏平台才刚刚推出，目前网络上大量存在的，包括github上开源的微信小游戏其实都是微信小程序的网页版本，和传统页游没区别，受限于BOM和DOM，性能和体验上都并不好。本文的主旨在于从零开始，以纯Canvas的开发方式，制作一个微信小游戏上非常流行和好玩的游戏——【弹一弾】
演示
elastic-demo.gif
H5模式演示版本：https://cheneyweb.github.io/wxgame-elastic/dist/index.html
H5模式二维码，手机扫码体验（微信扫码，浏览器扫码等都可以）H5模式二维码.png
微信小游戏模式演示版本：需要打开微信开发者工具导入工程目录
思路
【弹一弾】游戏的核心在于对物理弹动的真实模拟和大量物体元素的碰撞交互，是一个非常有挑战的游戏制作
任何的游戏开发开发离不开游戏引擎，因为纯原生的编码制作游戏效率是非常低下的，而且难以维护，所以工欲善其，必先利其器，在开发【弹一弾】的同时，我们还需要先制作一个精简高效的canvas游戏引擎（称之为游戏引擎是不合适的，因为我们不可能在短时间内完成一个游戏引擎的开发，这里只是为了类比了游戏引擎的少部分功能）
任何的游戏其本质一定是包含着一个或多个循环，这才会有了我们所见的动画效果，下面先列举【弹一弾】的开发思路
- 统一的资源定义（包括图片，音效，音乐）等资源
- 统一的资源加载（初始资源在内存中的载入）
- 统一的状态管理（全局变量数据的维护，这里说个题外话，我本人非常不喜欢状态管理之类的的全局变量方案，但是在游戏开发中，这是必须且不得不引入的，因为游戏编程对于状态变更的需求非常大，合理的使用全局变量能大大提高编码效率）
- 统一的资源渲染，绘制呈现
- 全局物理引擎，负责模拟弹性碰撞实现，实现游戏核心逻辑
- 面向对象的开发思路，以物体元素作为游戏内容单位，制定每个物体元素的行为和逻辑
以上的1-4点就是我们需要制作的简单高效的精简版“游戏引擎”，有了1-4的基础铺垫后，通过5的引入和6的自定义展开，我们就可以完成【弹一弾】的制作
这里需要补充说明的是第5点，物理引擎，为了开发【弹一弾】我寻找对比了多款JS物理引擎。目前的现状是大部分JS物理引擎都已经处于停止开发维护的状态，多款知名的JS物理引擎在github上已经多年没更新。或许是因为物理引擎的门槛较高和H5游戏早年的发展不顺利导致。但对游戏来说，物理引擎是非常核心且重要的一环，很多PC和Mobile上的游戏大作，之所以体验良好，就是因为有强大的物理引擎作为背后支撑，但是这些大作的物理引擎很多都是商业版本，价格高昂且不开源
不过所幸的是，有一款JS物理引擎很突出，性能和功能很强大，且目前有着持续性的维护，它就是Matter.js。这款物理引擎几乎是我制作弹一弾的唯一选择，我个人测试下来问题并不多，有部分问题可以通过了对源码的一些修改解决。需要特别说明的是Matter物理引擎也是知名游戏引擎Laya和Egret的开发常选
实践
整个开发流程会分七步走，需要注意的是，因为文章篇幅所限，不可能展示所有代码，但所有核心流程都会有介绍说明，在文末我会附上项目的github地址，提供大家参考
1、开发环境准备
相比传统游戏开发，H5游戏的开发环境十分简单轻巧，而且我们不采用商业游戏引擎，而是纯原生开发，所有我们只需要一个关键工具：
微信开发者工具
微信开发者工具.png
2、开发精简版的游戏引擎
一个超级无敌精简版的游戏引擎需要什么功能，那就是把游戏画面渲染绘制出来。 所以理论上我们只需要一个“画笔类”就够了，这支画笔能够绘制出我们想要的内容。当然，除了画笔之外，我们也还需要一些其他的关键组件
我们命名一个文件夹——"base"，然后在这个文件夹内放置我们所有需要的游戏基础类
├── base 精简版游戏引擎
│ ├── Body.js 物理物体元素基类
│ ├── DataStore.js 全局状态管理类
│ ├── Resource.js 统一资源定义类
│ ├── ResourceLoader.js 统一资源加载类
│ ├── Sprite.js 普通物体渲染画笔类
│ └── matter.js 物理引擎
Resource.js
这是统一资源管理类，非常简单，因为整个游戏只需要两张图片和两个音效
export const Resources = [
['background', 'res/background.png'],
['startButton', 'res/startbutton.png'],
['bgm', 'res/xuemaojiao.mp3'],
['launch', 'res/launch.mp3']
]
ResourceLoader.js
这是统一资源加载类，同样简单，我们只需要在资源加载后回调即可，因为微信小游戏的图片和音效资源的加载需要其官方API，这里和H5原生标准稍有不同
//资源文件加载器，确保在图片资源加载完成后才渲染
import { Resources } from './Resource.js'
export class ResourceLoader {
constructor() {
this.imageCount = 0
this.audioCount = 0
//导入资源
this.map = new Map(Resources)
for (let [key, src] of this.map) {
let res = null
if (src.split('.')[1] == 'png' || src.split('.')[1] == 'jpg') {
this.imageCount++
// H5创建image的API
res = new Image()
// 微信创建image的API
// res = wx.createImage()
res.src = src
} else {
this.audioCount++
// H5创建audio的API
res = new Audio()
// 微信创建audio的API
// res = wx.createInnerAudioContext()
res.src = src
}
this.map.set(key, res)
}
}
// 加载完成回调
onload(cb) {
let loadCount = 0
for (let res of this.map.values()) {
// 使this指向当前的ResourceLoader
res.onload = () => {
loadCount++
if (loadCount >= this.imageCount) {
cb(this.map)
}
}
}
}
}
Sprite.js
这是普通物体渲染画笔类，目前我们只需要封装底层的canvas的图片绘制即可
import { DataStore } from './DataStore.js'
export class Sprite {
constructor(ctx, img, x = 0, y = 0, w = 0, h = 0, srcX = 0, srcY = 0, srcW = 0, srcH = 0, ) {
this.ctx = ctx
this.img = img
this.srcX = srcX
this.srcY = srcY
this.srcW = srcW
this.srcH = srcH
this.x = x
this.y = y
this.w = w
this.h = h
}
/**
* 绘制图片
* img 传入Image对象
* srcX 要剪裁的起始X坐标
* srcY 要剪裁的起始Y坐标
* srcW 剪裁的宽度
* srcH 剪裁的高度
* x 放置的x坐标
* y 放置的y坐标
* w 要使用的宽度
* h 要使用的高度
*/
draw(img = this.img,
x = this.x, y = this.y, w = this.w, h = this.h,
srcX = this.srcX, srcY = this.srcY, srcW = this.srcW, srcH = this.srcH) {
this.ctx.drawImage(img, srcX, srcY, srcW, srcH, x, y, w, h)
}
static getImage(key) {
return DataStore.getInstance().res.get(key)
}
}
Body.js
这是物理物体元素基类，目前只需要实现引入物理引擎实例即可
// 物体基类
export class Body {
constructor(physics) {
this.physics = physics
}
}
3、编码游戏主逻辑
App.js
这是游戏的入口，也是整个游戏应用类，只需要canvas实例，以及拓展物理引擎实例作为入参，即可实例化该游戏应用
import { ResourceLoader } from './src/base/ResourceLoader.js'
import { DataStore } from './src/base/DataStore.js'
import { Director } from './src/Director.js'
/**
* 游戏入口
*/
export class App {
constructor(canvas, options) {
this.canvas = canvas // 画布
this.physics = { ...options, ctx: this.canvas.getContext('2d') } // 物理引擎
this.director = new Director(this.physics) // 导演
this.dataStore = DataStore.getInstance()
// 资源加载
new ResourceLoader().onload(res => {
// 持久化资源
this.dataStore.res = res
// 加载精灵
this.director.spriteLoad(res)
// 运行游戏
this.run()
})
}
/**
* 运行游戏
*/
run() {
// 注册事件
this.registerEvent()
// 物理渲染
this.director.physicsDirect()
// 精灵渲染
this.director.spriteDirect()
// 音乐播放
this.dataStore.res.get('bgm').autoplay = true
}
/**
* 重新加载游戏
*/
reload() {
// 物理渲染
this.director.physicsDirect(true)
// 精灵渲染
this.director.spriteDirect(true)
}
/**
* 注册事件
*/
registerEvent() {
// 移动设备触摸事件，使用=>使this指向Main类
this.canvas.addEventListener('touchstart', e => {
// 屏蔽事件冒泡
e.preventDefault()
// 如果游戏是结束状态，则重新开始
if (this.dataStore.isGameOver) {
// 重新初始化
this.dataStore.isGameOver = false
this.reload()
}
})
// PC设备点击事件
this.canvas.addEventListener('mousedown', e => {
// 屏蔽事件冒泡
e.preventDefault()
// 如果游戏是结束状态，则重新开始
if (this.dataStore.isGameOver) {
// 重新初始化
this.dataStore.isGameOver = false
this.reload()
}
})
}
}
Director.js
这是游戏导演类，负责游戏主逻辑调度调配，以及游戏画面渲染工作
// 精灵对象
import { BackGround } from './sprite/BackGround.js'
import { StartButton } from './sprite/StartButton.js'
import { Score } from './sprite/Score.js'
// 物理引擎绘制对象
import { Block } from './body/Block.js'
import { Border } from './body/Border.js'
import { Bridge } from './body/Bridge.js'
import { Aim } from './body/Aim.js'
// 数据管理
import { DataStore } from './base/DataStore.js'
/**
* 导演类，控制游戏的逻辑
*/
export class Director {
constructor(physics) {
this.physics = physics
this.dataStore = DataStore.getInstance()
}
// 加载精灵对象
spriteLoad() {
this.sprite = new Map()
this.sprite['score'] = new Score(this.physics)
this.sprite['startButton'] = new StartButton(this.physics)
this.sprite['background'] = new BackGround(this.physics)
}
// 逐帧绘制
spriteDirect(isReload) {
if(isReload){
this.dataStore.scoreCount = 0
}
// 绘制前先判断是否碰撞
// this.check()
// 游戏未结束
if (!this.dataStore.isGameOver) {
// 绘制游戏内容
this.sprite['score'].draw()
// this.sprite['background'].draw()
// 自适应浏览器的帧率,提高性能
this.animationHandle = requestAnimationFrame(() => this.spriteDirect())
}
// 游戏结束
else {
// 停止物理引擎
this.physics.Matter.Engine.clear(this.physics.engine)
this.physics.Matter.World.clear(this.physics.engine.world)
this.physics.Matter.Render.stop(this.physics.render)
// 停止绘制
cancelAnimationFrame(this.animationHandle)
// 结束界面
this.sprite['score'].draw()
this.sprite['startButton'].draw()
}
}
// 物理绘制
physicsDirect(isReload) {
this.physics.Matter.Render.run(this.physics.render)
if (!isReload) {
new Aim(this.physics).draw().event()
// new Bridge(this.physics).draw()
}
new Block(this.physics).draw().event().upMove()
new Border(this.physics).draw()
}
}
4、渲染基础物体元素
BackGround.js
从此处开始，就已经使用搭建好的游戏框架，开始正式设计和绘制游戏内容，在这里以最简单的背景类举例，这个基础物体非常简单，且只做了一件事情，那就是绘制游戏背景。剩余的基础物体还有计分器和游戏开始按钮，限于篇幅不做展开，文末会有本项目的github开源项目地址
import { Sprite } from '../base/Sprite.js'
/**
* 背景类
*/
export class BackGround extends Sprite {
constructor(physics) {
const image = Sprite.getImage('background')
super(
physics.ctx, image,
(physics.canvas.width - image.width) / 2,
(physics.canvas.height - image.height) / 2.5,
image.width, image.height,
0,
0,
image.width, image.height
)
}
}
5、引入物理引擎
为了让matter.js这个物理引擎能够适合游戏的开发需求，我们需要对其进行适当的修改，让其增加能够渲染文字等功能，所以我们选择了matter.js的未压缩版本
在matter.js的Render.bodies方法中，跟着c.globalAlpha = 1;之后，增加拓展代码
c.globalAlpha = 1;
// 增加自定义渲染TEXT
if (part.render.text) {
// 30px is default font size
var fontsize = 30;
// arial is default font family
var fontfamily = part.render.text.family || "Arial";
// white text color by default
var color = part.render.text.color || "#FFFFFF";
// text maxWidth
var maxWidth = part.render.text.maxWidth
if (part.render.text.size)
fontsize = part.render.text.size;
else if (part.circleRadius)
fontsize = part.circleRadius / 2;
var content = "";
if (typeof part.render.text == "string")
content = part.render.text;
else if (part.render.text.content)
content = part.render.text.content;
c.textBaseline = "middle";
c.textAlign = "center";
c.fillStyle = color;
c.font = fontsize + 'px ' + fontfamily;
if (part.bounds) {
maxWidth = part.bounds.max.x - part.bounds.min.x;
}
c.fillText(content, part.position.x, part.position.y, maxWidth);
}
game.js
对Matter物理引擎做一些调整之后，我们就可以在微信小游戏的入口文件中引入，并初始化【弹一弾】游戏实例
// require('./src/base/weapp-adapter.js')
const Matter = require('./src/base/matter.js')
import { App } from './App.js'
// 同时兼容H5模式和微信小游戏模式
const canvas = typeof wx == 'undefined' ? document.getElementById('app') : wx.createCanvas()
// H5网页游戏模式
if (typeof wx == 'undefined') {
canvas.width = 375
canvas.height = 667
}
// 微信小游戏模式
else {
window.Image = () => wx.createImage()
window.Audio = () => wx.createInnerAudioContext()
}
// 初始化物理引擎
const engine = Matter.Engine.create({
enableSleeping: true
})
const render = Matter.Render.create({
canvas: canvas,
engine: engine,
options: {
width: canvas.width,
height: canvas.height,
background: './res/background.png', // transparent
wireframes: false,
showAngleIndicator: false
}
})
Matter.Engine.run(engine)
// Matter.Render.run(render)
// 初始化游戏
const physics = { Matter, engine, canvas, render }
new App(canvas, physics)
6、渲染物理物体元素
Border.js
当基础物体渲染工作和物理引擎引入工作完成后，就可以开始利用物理引擎绘制我们需要的物理物体元素，在【弹一弾】游戏中，总共有三种物理物体，分别是墙体，弹球，方块
在这以最简单的墙体为例，其余比较复杂的弹球和方块，代码比较长，在此限于篇幅不展开，文末会有本项目开源的github地址，可以前往进一步了解
// 边界
import { Body } from '../base/Body.js'
export class Border extends Body {
constructor(physics) {
super(physics)
}
draw() {
const physics = this.physics
let bottomHeight = 10
let leftWidth = 10
const borderBottom = physics.Matter.Bodies.rectangle(
physics.canvas.width / 2, physics.canvas.height - bottomHeight / 2,
physics.canvas.width - leftWidth * 2, bottomHeight, {
isStatic: true,
render: {
visible: true
}
})
const borderLeft = physics.Matter.Bodies.rectangle(
leftWidth / 2, physics.canvas.height / 2,
leftWidth, physics.canvas.height, {
isStatic: true,
render: {
visible: true
}
})
const borderRight = physics.Matter.Bodies.rectangle(
physics.canvas.width - leftWidth / 2, physics.canvas.height / 2,
leftWidth, physics.canvas.height, {
isStatic: true,
render: {
visible: true
}
})
physics.Matter.World.add(physics.engine.world, [borderBottom, borderLeft, borderRight])
}
}
7、游戏完成，项目总览
到此为止，整个【弹一弾】微信小游戏的制作就完成了，其实回首梳理整个流程，还算是流畅，也不复杂，但是很多时候万事开头难，在一开始我的确遇到了很多很多的问题，包括物理引擎的引入，游戏逻辑的合理安排，算是一些挑战，所幸这些问题很多都解决了，也就有了此文
当然还有一些问题我至今还没有完美解决，例如当球速过快引起的“穿墙”问题，这其实是Matter.js物理引擎的问题，在github上有关这一问题的讨论，作者还建立了CCD算法分支尝试解决，但是遗憾的是，截止文本完成时间，这一问题仍然没有在Matter.js上得到解决，如果读者们有解决思路的，也可以联系我，不胜感激
另外，【弹一弾】整个游戏我目前为止完成了核心交互逻辑，但是比起微信上的弹一弾游戏，很多细节都还没有做，例如美术风格的完善和弹球的回收，以及多样的方块和道具，这些以后如果有时间，我会进一步完善
我个人非常追求极简和拓展，以下是【弹一弾】的工程目录结构
├── App.js 弹一弾游戏入口
├── game.js 微信小游戏入口
├── game.json
├── project.config.json
├── res 资源集合
│ ├── background.png
│ ├── launch.mp3
│ ├── startbutton.png
│ └── xuemaojiao.mp3
└── src
├── Director.js 导演
├── base 精简版游戏引擎
│ ├── Body.js 物理物体元素基类
│ ├── DataStore.js 全局状态管理类
│ ├── Resource.js 统一资源定义类
│ ├── ResourceLoader.js 统一资源加载类
│ ├── Sprite.js 普通物体渲染画笔类
│ └── matter.js 物理引擎
├── body 物理物体元素
│ ├── Aim.js 准星瞄准
│ ├── Block.js 障碍方块
│ ├── Border.js 边界墙体
└── sprite 普通物体元素
├── BackGround.js 游戏背景
├── Score.js 游戏分数
└── StartButton.js 开始按钮
后记
【弹一弾】的开发我选用了纯canvas的方案，一方面适合微信小游戏平台，一方面也能兼容H5网页，同时性能良好，整个游戏的大小不超过1MB，可说是非常迷你，但是麻雀虽小五脏俱全
另外，因为没有采用游戏引擎，而是搭建制作了一个精简迷你的游戏开发框架，所以我也没有采用微信官方的适配器weapp-adapter，一来可以节省53KB，二来可以提升代码执行效率，让快更快
当然，全文中我所描述制作的精简版游戏引擎，其实比起目前主流的商业游戏引擎，只是冰山一角，目的只是为了让更多初入门的玩家能对游戏引擎有个初步的概念。真正的商业游戏引擎例如Laya和Egret，功能十分强大，我后续也会出一篇文章，采用这类商业游戏引擎将【弹一弾】重做一遍
从现今微信小游戏的发展上我们可以展望，未来H5之类的纯Web游戏很可能会占据游戏市场很大份额，使得游戏开发也彻底走向真正的跨平台，热更新，高性能
感谢你的阅读，希望本文能够给你带来帮助：）
作者：CheneyXu
Github：wxgame-elastic
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