游戏引擎中的多渲染器的设计与实现（1）

鼯鼠

很多游戏引擎都提供了多种渲染器（DirectX，OpenGL，Software），甚至是多种平台（Windows，Linux，Mac），这对于引擎的设计和实现来说是一个很大的挑战，尤其是多渲染器，又要考虑到效率，又要考虑到通用，又要发挥每种渲染器的特点，这的确是一道天堑。这里讨论的原则很简单: 1. Keep it simple; 2. Make it work first.

　　先看一下Ogre使用的方法。Ogre中各个模块是使用的插件式的设计“组合”在一起的，你可以在Ogre的基础上加入你自己写的渲染器，而不需要开动其他的代码（甚至是OgreMain引擎的主体部分的代码）。有很多的软件的架构都采用的类似的插件，最有名的像IDE Eclipse, 引擎有如Unreal 2， Unreal 3等。写一个渲染器的插件并不很难，但是设计非插件的引擎内核是十分困难的。如果引擎的内核在初期没有设计好，在后期没有办法进行过多的修改；当然，如果设计得很好，那么对引擎进行功能的扩充或修改将是非常方便的（Unreal 2 就是使用了插件式的设计，在开发到中期后改掉了原来自己开发的物理模块，而是使用了Novodex）。

　　另外一种方法是将渲染器的种类作为引擎的主模块构造函数（或者相关的初始化功能的函数）的参数。比如Irrilicht中就是用的这种方法，Irrilicht中，有一个CVideoNull纯虚类，不同的渲染器都继承于这个类；引擎的主模块有一个类CIrrDeviceWin32，其构造函数为：

CIrrDeviceWin32(video::E_DRIVER_TYPE deviceType, const core::dimension2d<s32>& windowSize, u32 bits, bool fullscreen, bool stencilbuffer, bool vsync, IEventReceiver* receiver, const wchar_t* version);

　　其中E_DRIVER_TYPE为枚举类型，用来表示渲染器的类型。然后在构造函数的实现中，用switch来进行初始化基类渲染器。这种方法的缺点是，引擎框架在物理上，逻辑上存在循环依赖（这里指的是代码层面，也即编译层面上的依赖关系），主引擎部分依赖于各个渲染器，而各个渲染器又依赖于主引擎的其他部分。在编译时，这种设计的代价是巨大的。

　　使用动态链接库是解决这个问题的方法之一，同时这也是插件式设计的实现手段（在linux中，有相应的机制shared object，由于我之前没有接触过linux上的编程，所以这里的讨论仅限于windows平台）。将原来的主引擎的构造函数中的代码改一下，依然还是用switch进行不同的渲染器的选择，只不过是调用不同的.dll来进行基类函数的构造。比如在ogre中，每一个渲染器都有一个导出到.dll的模块定义文件（.def文件），比如directx的渲染器中的.def文件的定义如下：

LIBRARY RenderSystem_Direct3D9 EXPORTS dllStartPlugin @1 dllStopPlugin @2

　　其中dllStartPlugin和dllStopPlugin 分别是创建和析构渲染器的函数，具体的定义为：

namespace Ogre { D3D9RenderSystem* d3dRendPlugin; D3D9HLSLProgramFactory* hlslProgramFactory; extern "C" void dllStartPlugin(void) throw() { // Create the DirectX 8 rendering api HINSTANCE hInst = GetModuleHandle( "RenderSystem_Direct3D9.dll" ); d3dRendPlugin = new D3D9RenderSystem( hInst ); // Register the render system Root::getSingleton().addRenderSystem( d3dRendPlugin ); // create & register HLSL factory hlslProgramFactory = new D3D9HLSLProgramFactory(); HighLevelGpuProgramManager::getSingleton().addFactory(hlslProgramFactory); } extern "C" void dllStopPlugin(void) { delete d3dRendPlugin; delete hlslProgramFactory; } }

　　其中Root::getSingleton().addRenderSystem( d3dRendPlugin )就是将生成的渲染器作为插件，“插”到主引擎中。在主引擎中，对应的部分为：

void Root::loadPlugin(const String& pluginName) { // Load plugin library DynLib* lib = DynLibManager::getSingleton().load( pluginName ); // Store for later unload mPluginLibs.push_back(lib); // Call startup function DLL_START_PLUGIN pFunc = (DLL_START_PLUGIN)lib->getSymbol("dllStartPlugin"); if (!pFunc) OGRE_EXCEPT(Exception::ERR_ITEM_NOT_FOUND, "Cannot find symbol dllStartPlugin in library " + pluginName, "Root::loadPlugins"); pFunc(); if (mIsInitialised) { // initialise too DLL_INIT_PLUGIN pFunc = (DLL_INIT_PLUGIN)lib->getSymbol("dllInitialisePlugin"); if (pFunc) { pFunc(); } } }

　　这样就完成了Root::getSingleton().addRenderSystem( d3dRendPlugin )。

鼯鼠

在了解了其他的引擎的实现方法后，我们可以开始自己写一个这样的框架了。（ps：不要把我写的代码给Hard core C＋＋程序员看，这里暂时只关心原理）

　　我现在正在写一个名为Uranus Halo的引擎（以下简称UHE），就以这个为例了。（ps：我用的编译器是VS2005。）

　　先建立一个空解决方案，名为Uranus Halo Engine V0，添加工程：动态链接库工程，空项目， 取消“预编译头文件”，名为UHEMain，这是我们的引擎的主部分，是引擎的核心框架，也是多渲染器的入口。在这个工程中，添加新建项：

UHERenderDevice.h UHERenderer.h UHEPreriqusites.h

　　其中，UHERenderDevice.h中定义了渲染器的纯基类，具体的内容如下：

//file: UHERenderDevice.h #ifndef _INCLUDE_UHERENDERDEVICE_H #define _INCLUDE_UHERENDERDEVICE_H #include "UHEPrerequisites.h" #include "UHEBasicStruct.h" namespace UHEngine { class _UHE_Export UHERenderDevice { public: UHERenderDevice(void){}; virtual ~UHERenderDevice(void){}; virtual HRESULT Init( HWND hWnd, HINSTANCE hInst, bool bWindowed, DWORD dwWidth, DWORD dwHeight) = 0; virtual void ShutDown() = 0; virtual HRESULT Prepare() = 0; virtual bool IsRunning() = 0; virtual void SetClearColor( float fR, float fG, float fB ) = 0; virtual void Clear() = 0; virtual void Render() = 0; //这里我省略了。。。。。。。 }; }; #endif

　　注意到_UHE_Export这个宏，在UHEPreriqusites.h中有定义：

//file: UHEPrerequisites.h #ifndef _INCLUDE_UHEPREREQUISITES_H #define _INCLUDE_UHEPREREQUISITES_H #include <windows.h> #define _UHE_Export __declspec( dllexport ) #endif

　　如果想导出某个类的成员函数到.dll文件，就需要在类名前加上¬ _UHE_Export 。

　　在UHERenderer.h中，我们定义了面向用户的类：

//file: UHERenderer.h #ifndef _INCLUDE_UHERENDERER_H #define _INCLUDE_UHERENDERER_H #include "UHEPrerequisites.h" #include "UHERenderDevice.h" namespace UHEngine { class _UHE_Export UHERenderer { public: UHERenderer(); ~UHERenderer(); void CreateDevice( int deviceType ); UHERenderDevice *GetRenderDevice(){return this->m_pRenderDevice;} private: UHERenderDevice *m_pRenderDevice; HMODULE m_hDll; }; }; #endif

　　注意，CreateDevice( int deviceType )这个函数是关键，我们先看一下它的实现，在UHERenderer.cpp中：

void UHERenderer::CreateDevice( int deviceType ) { if( i ) { this->m_hDll = LoadLibrary( "UHERenderDX9.dll" ); } else { this->m_hDll = LoadLibrary( "UHERenderGL.dll" ); } void (*pFun)(UHERenderDevice* &); pFun = (void (__cdecl *)(UHEngine::UHERenderDevice *&)) GetProcAddress( m_hDll, "dllCreate" ); (*pFun)( this->m_pRenderDevice ); }

　　这里，我们规定当deviceType 大于0时，是使用的dx的渲染器，即加载的是 UHERenderDX9.dll。然后要注意这个"dllCreate"参数，这是从另一个工程中导出的.dll中的函数名，先放在这里，等一下在讨论。

　　这样，UHEMain中的部分的框架就差不多了。我们先写一个dx9的渲染器的实现。

　　建立新的项目，依然是.dll的空项目，没有预编译头文件。我们要先写一个dx的渲染器，继承于UHEMain中的渲染器纯虚类：

//file: UHERenderDX9.h #ifndef _INCLUDE_UHERENDERDX9_H #define _INCLUDE_UHERENDERDX9_H #include "UHERenderDX9Base.h" namespace UHEngine { class UHEDX9 : public UHERenderDevice { public: UHEDX9(); UHEDX9( HWND hWnd, HINSTANCE hInst, bool bWindowed, DWORD dwWidth, DWORD dwHeight); ~UHEDX9(); HRESULT Init( HWND hWnd, HINSTANCE hInst, bool bWindowed, DWORD dwWidth, DWORD dwHeight); HRESULT Prepare(); void ShutDown(); bool IsRunning(){ return m_bIsRunning; } void SetClearColor( float fR, float fG, float fB ); void Clear(); void Render(); //这里我省略了。。。。。 private: HRESULT BeginRendering( bool bClearPixel, bool bClearDepth, bool bClearStencil ); HRESULT EndRendering(); HRESULT Clear( bool bClearPixel, bool bClearDepth, bool bClearStencil ); D3DXCOLOR m_clearColor; bool m_bIsRunning; bool m_bIsSceneRunning; bool m_bStencil; HWND m_hWnd; HINSTANCE m_hInst; bool m_bWindowed; DWORD m_dwHeight; DWORD m_dwWidth; LPDIRECT3D9 m_pDX9; LPDIRECT3DDEVICE9 m_pDevice; D3DPRESENT_PARAMETERS m_d3dpp; //这里省略了。。。。。 }; }; #endif

　　完成这个类的实现。这样还不行，应为我们需要导出初始化基类渲染器的函数到UHERenderDX9.dll中。新建一个UHERenderDX9.def文件作为.dll的导出模块文件，文件中的内容如下：

LIBRARY "UHERenderDX9" EXPORTS dllCreate @1 dllRelease @2 ;end of file

　　这样编译之后就可以将dllCreate和dllRelease函数导出到.dll中。

　　dllCreate的定义：

//file : UHERenderDX9Dll.cpp #include "UHEDX9.h" #include "UHERenderer.h" namespace UHEngine { UHEDX9* pRenderDX9; extern "C" __declspec( dllexport ) void dllCreate( UHERenderDevice * &pRenderer ) { pRenderDX9 = new UHEDX9(); pRenderer = pRenderDX9; } extern "C" __declspec( dllexport ) void dllRelease(void) { delete pRenderDX9; } }

　　这样就可以了。

　　其他的问题：

　　关于.dll工程的问题，可以google一下相关的文章；关于项目的设置问题，我们这里没有讲到，可以编译一下，就可以发现相关的错误，再设置好路径和输出即可；这里只讲到了DX渲染器的实现，GL的方法一样，新建一个项目，然后实现。

　　最后，我们再整理一下思路。在UEHMain中定义渲染的基类，和用户使用的类UHERenderer，在UHERenderDX9中写好DX版本的渲染器（即继承类），导出初始化函数（dllCreate）到.dll中，在UHERenderer中利用参数来判断该加载那个.dll，说穿了，本质就是判断，该调用哪个渲染器的构造函数，DX的还是GL的。。。

　　这里的讨论只是框架上的实现，以后我会再写一些具体该注意的问题（也主要是框架和引擎的设计方面）。