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# Frostbite2D 引擎架构说明
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## 1. 整体架构图
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
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│ 用户应用层 (main.cpp) │
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│ 创建配置 → 初始化应用 → 游戏循环 → 清理 │
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└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
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│
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▼
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
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│ 应用程序层 (Application) │
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│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
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│ │ 单例管理 │ │ 模块系统 │ │ 时间管理 │ │ 窗口管理 │ │
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│ │ get() │ │ use/init │ │ deltaTime() │ │ Window │ │
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│ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
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│ │ │
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│ ┌───────────┴───────────┐ │
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│ ▼ ▼ │
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│ mainLoop() ────────► update()/render() │
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└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
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|
│
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┌────────────────────────────┼────────────────────────────┐
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│ │ │
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▼ ▼ ▼
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┌─────────────────┐ ┌─────────────────────┐ ┌─────────────────────┐
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│ 渲染系统 │ │ 着色器系统 │ │ 输入系统 │
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│ (GLRenderer) │◄────►│ (ShaderManager) │ │ (SDL Events) │
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└─────────────────┘ └─────────────────────┘ └─────────────────────┘
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
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│ 渲染核心层 │
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│ ┌────────────────┐ ┌────────────────┐ ┌────────────────┐ ┌───────────┐ │
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│ │ 2D图形绘制 │ │ 精灵批处理 │ │ 字体渲染 │ │ 相机 │ │
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│ │ drawRect() │ │ GLSpriteBatch │ │ GLFontAtlas │ │ Camera │ │
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│ │ fillCircle() │ │ 10000 sprites │ │ stb_truetype │ │ view/proj │ │
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│ │ drawLine() │ │ drawSprite() │ │ cache glyphs │ │ move/zoom │ │
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│ │ drawText() │ │ endBatch() │ │ measureText() │ │ │ │
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│ └────────────────┘ └────────────────┘ └────────────────┘ └───────────┘ │
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│ │
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│ ┌────────────────┐ ┌────────────────┐ ┌────────────────┐ │
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│ │ 纹理管理 │ │ 着色器实现 │ │ OpenGL资源 │ │
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│ │ GLTexture │ │ GLShader │ │ VAO/VBO │ │
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│ │ load from file│ │ vertex/frag │ │ shape/line │ │
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│ └────────────────┘ └────────────────┘ └────────────────┘ │
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└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
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|
│
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▼
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
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│ 平台抽象层 │
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│ ┌─────────────────────────┐ ┌─────────────────────────────────────┐ │
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│ │ Window 窗口 │ │ SDL2 跨平台库 │ │
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│ │ - 创建/销毁窗口 │ │ 窗口管理 | 事件处理 | OpenGL上下文 │ │
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│ │ - OpenGL 上下文 │ │ │ │
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│ │ - 事件轮询 │ │ 支持: Windows | Linux | macOS │ │
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│ │ - 交换缓冲区 │ │ Android | iOS | Switch │ │
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│ └─────────────────────────┘ └─────────────────────────────────────┘ │
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└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
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|
│
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|
▼
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
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│ 第三方库 │
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│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────────┐ │
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│ │ OpenGL │ │ SDL2 │ │ GLAD │ │ GLM │ │ stb_truetype │ │
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│ │ ES 3.2 │ │ 2.32.2 │ │ Loader │ │ 1.0.3 │ │ rect_pack │ │
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│ │ 图形API │ │ 窗口/输入 │ │ 函数加载 │ │ 数学库 │ │ 字体渲染 │ │
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│ └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ └──────────────┘ │
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└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
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```
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## 2. 模块详细说明
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### 2.1 应用程序层 (Application)
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┌─────────────────────────────────────────┐
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│ Application 单例 │
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├─────────────────────────────────────────┤
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│ + get() : Application& │
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│ + init(config) : bool │
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│ + run() : void │
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│ + quit() : void │
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│ + deltaTime() : float │
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│ + fps() : int │
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├─────────────────────────────────────────┤
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│ - window_ : Window* │
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│ - modules_ : vector<Module*> │
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│ - running_ : bool │
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│ - deltaTime_ : float │
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|
│ - currentFps_ : int │
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└─────────────────────────────────────────┘
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```
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**生命周期流程：**
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main()
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│
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├─► AppConfig config = AppConfig::createDefault()
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│
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├─► Application::get().init(config)
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│ ├─► 创建 Window
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│ ├─► 初始化 SDL
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│ └─► 初始化 GLAD (OpenGL 函数加载)
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│
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├─► ShaderManager::getInstance().init(factory)
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│ ├─► 加载 sprite shader
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│ └─► 加载 shape shader
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│
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├─► GLRenderer.init(window)
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│ ├─► 创建 VAO/VBO
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│ ├─► 初始化 SpriteBatch
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│ └─► 设置 OpenGL 状态
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│
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├─► 游戏主循环
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│ ├─► 处理输入事件 (SDL_PollEvent)
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│ ├─► renderer.beginFrame(color) // 清除缓冲区
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│ ├─► 绘制图形
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│ │ ├─► fillRect() 填充矩形
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│ │ ├─► fillCircle() 填充圆形
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│ │ ├─► drawLine() 绘制线条
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│ │ ├─► drawText() 绘制文字
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│ │ └─► ...
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│ ├─► renderer.endFrame() // 提交批次
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│ └─► SDL_GL_SwapWindow() // 显示到屏幕
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│
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├─► 清理资源
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│ ├─► renderer.shutdown()
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│ ├─► ShaderManager::shutdown()
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│ └─► Application::shutdown()
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│
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└─► return 0
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```
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### 2.2 渲染系统 (GLRenderer)
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**核心功能：**
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| 功能类别 | 方法 | 说明 |
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|---------|------|------|
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| **帧管理** | `beginFrame()` / `endFrame()` | 开始/结束渲染帧 |
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| **2D形状** | `fillRect()` / `drawRect()` | 填充/描边矩形 |
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| **圆形** | `fillCircle()` / `drawCircle()` | 填充/描边圆形 |
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| **线条** | `drawLine()` | 绘制线段 |
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| **三角形** | `fillTriangle()` / `drawTriangle()` | 填充/描边三角形 |
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|
| **多边形** | `fillPolygon()` / `drawPolygon()` | 填充/描边多边形 |
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|
| **精灵** | `drawSprite()` | 绘制纹理精灵 |
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|
| **文字** | `drawText()` | 渲染文字 |
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| **变换** | `pushTransform()` / `popTransform()` | 矩阵变换栈 |
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| **视口** | `setViewport()` | 设置渲染区域 |
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| **混合** | `setBlendMode()` | 设置混合模式 |
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|
**渲染管线：**
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┌──────────────┐ ┌────────────────────────────────────────────────┐
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|
│ drawRect() │────►│ │
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|
└──────────────┘ │ 形状批处理缓冲区 │
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|
┌──────────────┐ │ shapeVertexCache_[MAX_SHAPE_VERTICES] │
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|
│ fillCircle() │────►│ │
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|
└──────────────┘ │ 顶点格式: {x, y, r, g, b, a} │
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|
┌──────────────┐ │ │
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|
│fillTriangle()│────►│ 当缓冲区满或模式改变时: flushShapeBatch() │
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|
└──────────────┘ │ │
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└────────────────────┬───────────────────────────┘
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|
│
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|
▼
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┌────────────────────────────────────────────────┐
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|
│ 线条批处理缓冲区 │
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|
│ lineVertexCache_[MAX_LINE_VERTICES] │
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|
│ │
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|
│ 绘制模式: GL_LINES (每线条2顶点) │
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|
│ 支持线宽设置 │
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└────────────────────┬───────────────────────────┘
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|
│
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|
▼
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┌────────────────────────────────────────────────┐
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│ 精灵批处理系统 │
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│ GLSpriteBatch (10000精灵) │
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│ │
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│ 图集纹理 → 顶点数据 → VBO → GPU 批量绘制 │
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│ │
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│ beginSpriteBatch() → drawSprite() → endBatch()│
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└────────────────────┬───────────────────────────┘
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|
│
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|
▼
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┌────────────────────────────────────────────────┐
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|
│ OpenGL 渲染 │
|
|
│ │
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|
│ glDrawArrays(GL_TRIANGLES, ...) │
|
|
│ glDrawArrays(GL_LINES, ...) │
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└────────────────────────────────────────────────┘
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```
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### 2.3 着色器系统 (ShaderManager)
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
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|
│ ShaderManager 单例 │
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├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
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│ │
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│ ┌──────────────┐ ┌────────────────────────────────────┐ │
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│ │ IShader │◄───┤ GLShader (OpenGL实现) │ │
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|
│ │ 接口 │ │ - 编译 vertex/fragment shader │ │
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│ │ │ │ - 创建 program │ │
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│ │ bind() │ │ - 设置 uniform │ │
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|
│ │ setUniform() │ │ - 绑定/解绑 │ │
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|
│ └──────────────┘ └────────────────────────────────────┘ │
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|
│ ▲ │
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│ │ │
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│ ┌──────────────┐ ┌────────────────────────────────────┐ │
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|
│ │ IShaderFactory│◄──┤ GLShaderFactory │ │
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|
│ │ 工厂接口 │ │ - createShader() │ │
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|
│ │ │ │ - 创建 OpenGL Shader 实例 │ │
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│ └──────────────┘ └────────────────────────────────────┘ │
|
|
│ │
|
|
│ 管理: unordered_map<string, ShaderInfo> shaders_ │
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|
│ │
|
|
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
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|
```
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**内置着色器：**
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| 着色器 | 文件 | 用途 |
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|-------|------|------|
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| **sprite** | sprite.vert / sprite.frag | 纹理精灵渲染 (支持颜色混合) |
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| **shape** | shape.vert / shape.frag | 2D形状渲染 (顶点颜色) |
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### 2.4 字体渲染 (GLFontAtlas)
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
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│ 字体图集系统 │
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├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
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│ │
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|
│ 初始化流程: │
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│ ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌──────────────────────┐ │
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|
│ │ 加载字体 │───►│ 初始化stb │───►│ 创建 1024x1024 图集 │ │
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|
│ │ 文件(.ttf)│ │ _truetype │ │ 纹理 (RGBA) │ │
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|
│ └───────────┘ └───────────┘ └──────────────────────┘ │
|
|
│ │ │
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|
│ 渲染字符时: │ │
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│ ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌────────▼──────────┐ │
|
|
│ │ 字符查缓存 │───►│ 缓存未命中 │───►│ stbtt_MakeCodepoint│ │
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|
│ │ │ │ │ │ _Bitmap() 栅格化 │ │
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|
│ └─────┬─────┘ └───────────┘ └────────┬──────────┘ │
|
|
│ │ │ │
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|
│ │ ┌───────────┐ ┌─────────▼──────────┐ │
|
|
│ └────────►│ 返回字形 │◄───│ stb_rect_pack 打包 │ │
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|
│ │ 信息 │ │ 到图集纹理 │ │
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|
│ └───────────┘ └────────────────────┘ │
|
|
│ │
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|
│ Glyph 信息: │
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|
│ - 尺寸 (width, height) │
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|
│ - 偏移 (bearingX, bearingY) │
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|
│ - 步进 (advance) │
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|
│ - 纹理坐标 (u0, v0, u1, v1) │
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|
│ │
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|
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
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|
```
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### 2.5 相机系统 (Camera)
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```
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┌─────────────────────────────────────────┐
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│ Camera 相机 │
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├─────────────────────────────────────────┤
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│ │
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│ 视口配置: │
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│ ┌─────────────────────────────────┐ │
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|
│ │ left = 0 │ │
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|
│ │ right = 800 ─────────────── │ │
|
|
│ │ top = 0 │ │ │ │
|
|
│ │ bottom = 600 │ 世界坐标 │ │ │
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|
│ │ │ │ │ │
|
|
│ │ 默认位置(0,0) │ │ │ │
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|
│ │ 看向左上角 └─────────────┘ │ │
|
|
│ │ 视口 (0,0) │ │
|
|
│ └─────────────────────────────────┘ │
|
|
│ │
|
|
│ 变换矩阵: │
|
|
│ ┌───────────────┐ │
|
|
│ │ viewMatrix │ 视图矩阵 (相机位置) │
|
|
│ ├───────────────┤ │
|
|
│ │ projMatrix │ 正交投影矩阵 │
|
|
│ ├───────────────┤ │
|
|
│ │ viewProj │ view * projection │
|
|
│ └───────────────┘ │
|
|
│ │
|
|
│ 控制: │
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|
│ - move(x, y) 移动相机 │
|
|
│ - setZoom(z) 设置缩放 │
|
|
│ - setPosition() 设置位置 │
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|
│ │
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|
└─────────────────────────────────────────┘
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|
```
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### 2.6 模块系统 (Module)
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```
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┌─────────────────────────────────────────┐
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|
│ Module 模块基类 │
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├─────────────────────────────────────────┤
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│ + setupModule() 初始化 │
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│ + destroyModule() 销毁 │
|
|
│ + onUpdate() 每帧更新 │
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|
│ + beforeRender() 渲染前 │
|
|
│ + onRender() 渲染时 │
|
|
│ + afterRender() 渲染后 │
|
|
│ + handleEvent() 事件处理 │
|
|
│ + getName() 模块名称 │
|
|
│ + getPriority() 优先级 (越小越优先) │
|
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└─────────────────────────────────────────┘
|
|
▲
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|
│ 继承
|
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┌──────────────┼──────────────┐
|
|
│ │ │
|
|
┌───┴───┐ ┌─────┴─────┐ ┌────┴────┐
|
|
│渲染模块│ │ 物理模块 │ │音频模块 │
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|
│ │ │ │ │ │
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|
└───────┘ └───────────┘ └─────────┘
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```
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|
## 3. 数据流图
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### 3.1 一帧的渲染流程
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┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
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|
│ 游戏主循环 │
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└─────────────────────────────────┬────────────────────────────────────┘
|
|
│
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|
▼
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┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
|
|
│ ① 处理输入事件 │
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|
│ SDL_PollEvent() → 键盘/鼠标事件 → 更新相机/游戏逻辑 │
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|
└─────────────────────────────────┬────────────────────────────────────┘
|
|
│
|
|
▼
|
|
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
|
|
│ ② 开始新帧 (beginFrame) │
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|
│ glClear() 清除颜色缓冲区 + 重置渲染统计 │
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└─────────────────────────────────┬────────────────────────────────────┘
|
|
│
|
|
▼
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┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
|
|
│ ③ 设置渲染状态 │
|
|
│ setViewport() + setViewProjection(camera.getViewProjectionMatrix)│
|
|
└─────────────────────────────────┬────────────────────────────────────┘
|
|
│
|
|
▼
|
|
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
|
|
│ ④ 绘制各种图形 │
|
|
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
|
|
│ │ fillRect() │ │fillCircle() │ │ drawLine() │ │drawSprite() │ │
|
|
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
|
|
│ │ 顶点数据 ──►│ │ 顶点数据 ──►│ │ 顶点数据 ──►│ │ 精灵数据 ──►│ │
|
|
│ │ 形状缓冲区 │ │ 形状缓冲区 │ │ 线条缓冲区 │ │ 精灵批次 │ │
|
|
│ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
|
|
└─────────────────────────────────┬────────────────────────────────────┘
|
|
│
|
|
▼
|
|
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
|
|
│ ⑤ 结束帧 (endFrame) │
|
|
│ flushShapeBatch() + flushLineBatch() + endSpriteBatch() │
|
|
│ 提交所有待渲染数据到 GPU │
|
|
└─────────────────────────────────┬────────────────────────────────────┘
|
|
│
|
|
▼
|
|
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
|
|
│ ⑥ 交换缓冲区 │
|
|
│ SDL_GL_SwapWindow() 将渲染结果显示到屏幕 │
|
|
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
|
|
```
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|
|
|
### 3.2 资源加载流程
|
|
|
|
```
|
|
纹理加载:
|
|
┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐
|
|
│ 文件路径 │───►│ stb_image│───►│ 像素数据 │───►│ GLTexture │
|
|
│ .png/.jpg│ │ 解码 │ │ RGBA │ │ glTexImage2D
|
|
└──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘
|
|
|
|
字体加载:
|
|
┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐
|
|
│ .ttf文件 │───►│读取到内存│───►│stbtt_Init│───►│GLFontAtlas│
|
|
│ │ │ │ │Font() │ │ 创建图集 │
|
|
└──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘
|
|
|
|
着色器加载:
|
|
┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐
|
|
│.vert文件 │───►│读取源码 │───►│glCompile │───►│glLink │
|
|
│.frag文件 │───►│ │ │Shader() │ │Program │
|
|
└──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘
|
|
```
|
|
|
|
## 4. 项目目录结构
|
|
|
|
```
|
|
Frostbite2D/
|
|
├── xmake.lua # 主构建配置
|
|
├── platform/
|
|
│ └── windows.lua # Windows 平台配置
|
|
├── shaders/
|
|
│ ├── shape.vert # 形状着色器 - 顶点
|
|
│ ├── shape.frag # 形状着色器 - 片段
|
|
│ ├── sprite.vert # 精灵着色器 - 顶点
|
|
│ └── sprite.frag # 精灵着色器 - 片段
|
|
└── Fostbite2D/
|
|
├── include/
|
|
│ ├── fostbite2D/
|
|
│ │ ├── app/
|
|
│ │ │ └── application.h # 应用主类
|
|
│ │ ├── config/
|
|
│ │ │ ├── app_config.h # 应用配置
|
|
│ │ │ └── platform_config.h # 平台配置
|
|
│ │ ├── core/
|
|
│ │ │ ├── color.h # 颜色类
|
|
│ │ │ ├── math_types.h # 数学类型
|
|
│ │ │ └── types.h # 基础类型定义
|
|
│ │ ├── module/
|
|
│ │ │ └── module.h # 模块基类
|
|
│ │ ├── platform/
|
|
│ │ │ └── window.h # 窗口类
|
|
│ │ └── render/
|
|
│ │ ├── camera.h # 相机
|
|
│ │ ├── font.h # 字体接口
|
|
│ │ ├── texture.h # 纹理接口
|
|
│ │ ├── opengl/
|
|
│ │ │ ├── gl_font_atlas.h # OpenGL字体图集
|
|
│ │ │ ├── gl_renderer.h # OpenGL渲染器
|
|
│ │ │ ├── gl_shader.h # OpenGL着色器
|
|
│ │ │ ├── gl_sprite_batch.h # 精灵批处理
|
|
│ │ │ └── gl_texture.h # OpenGL纹理
|
|
│ │ └── shader/
|
|
│ │ ├── shader_interface.h # 着色器接口
|
|
│ │ └── shader_manager.h # 着色器管理器
|
|
│ ├── glad/
|
|
│ │ └── glad.h # OpenGL 加载器
|
|
│ ├── KHR/
|
|
│ │ └── khrplatform.h # Khronos 平台定义
|
|
│ └── stb/
|
|
│ ├── stb_image.h # 图片加载
|
|
│ ├── stb_rect_pack.h # 矩形打包
|
|
│ └── stb_truetype.h # 字体渲染
|
|
└── src/
|
|
├── main.cpp # 程序入口
|
|
├── glad/
|
|
│ └── glad.c # GLAD 实现
|
|
└── fostbite2D/
|
|
├── app/
|
|
│ └── application.cpp # Application 实现
|
|
├── config/
|
|
│ └── app_config.cpp # 配置实现
|
|
├── platform/
|
|
│ └── window.cpp # Window 实现
|
|
└── render/
|
|
├── camera.cpp # Camera 实现
|
|
├── texture.cpp # Texture 实现
|
|
├── opengl/ # OpenGL 实现
|
|
└── shader/ # Shader 实现
|
|
```
|
|
|
|
## 5. 核心类关系图
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┌─────────────────┐
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│ Application │
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│ 单例 │
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└────────┬────────┘
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│
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┌───────────────────────────┼───────────────────────────┐
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│ │ │
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▼ ▼ ▼
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┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐
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│ Window │◄───────►│ ShaderManager │◄───────►│ GLRenderer │
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│ (SDL2) │ │ 单例 │ │ │
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└─────────────────┘ └────────┬────────┘ └───────┬─────────┘
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│ │
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▼ ▼
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┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐
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│ IShader │ │ GLSpriteBatch │
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│ 接口 │ │ 精灵批处理 │
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└────────┬────────┘ └───────┬─────────┘
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│ │
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▼ ▼
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┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐
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│ GLShader │ │ GLTexture │
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│ OpenGL实现 │ │ 纹理管理 │
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└─────────────────┘ └─────────────────┘
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┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐
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│ Camera │◄───────►│ GLFontAtlas │◄───────►│ FontAtlas │
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│ 2D相机 │ │ 字体图集 │ │ 接口 │
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│ view/proj矩阵 │ │ stb_truetype │ │ │
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└─────────────────┘ └─────────────────┘ └─────────────────┘
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## 6. 关键技术点
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### 6.1 批处理渲染 (Batch Rendering)
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- **形状批处理**: 8192 个顶点缓冲区，减少 draw call
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- **线条批处理**: 16384 个顶点，支持线宽变化时 flush
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- **精灵批处理**: 10000 个精灵，使用单一 draw call
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### 6.2 字体图集 (Font Atlas)
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- 使用 `stb_rect_pack` 进行矩形打包
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- 1024x1024 RGBA 纹理存储字形
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- 动态缓存：首次使用字符时渲染到图集
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### 6.3 坐标系
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- **世界坐标**: Y轴向下 (0,0) 在左上角
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- **纹理坐标**: OpenGL 标准，(0,0) 在左下角
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- **相机**: 正交投影，可移动/缩放
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### 6.4 渲染状态管理
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- 自动处理 OpenGL 状态缓存
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- 混合模式切换 (None/Alpha/Additive/Multiply)
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- 变换矩阵栈支持嵌套变换
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## 7. 使用示例
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```cpp
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// 1. 初始化
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AppConfig config = AppConfig::createDefault();
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config.windowConfig.title = "My Game";
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Application::get().init(config);
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// 2. 初始化渲染
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GLRenderer renderer;
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renderer.init(sdlWindow);
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// 3. 加载字体
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GLFontAtlas font("C:/Windows/Fonts/arial.ttf", 24);
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// 4. 游戏循环
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while (running) {
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// 处理事件...
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// 开始渲染
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renderer.beginFrame(Color(0.1f, 0.1f, 0.15f, 1.0f));
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renderer.setViewProjection(camera.getViewProjectionMatrix());
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// 绘制图形
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renderer.fillRect(Rect(100, 100, 200, 150), Colors::Red);
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renderer.fillCircle(Vec2(400, 300), 50.0f, Colors::Blue, 32);
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renderer.drawLine(Vec2(0, 0), Vec2(800, 600), Colors::White, 2.0f);
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// 绘制文字
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renderer.beginSpriteBatch();
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renderer.drawText(font, "Hello World!", 100, 100, Colors::White);
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renderer.endSpriteBatch();
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// 结束渲染
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renderer.endFrame();
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SDL_GL_SwapWindow(sdlWindow);
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}
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// 5. 清理
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renderer.shutdown();
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Application::get().shutdown();
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```
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