《星旅 StarTrek》的开发周记（2021年2月7日）
游戏介绍和故事背景请直接跳转到文末
距离写上一篇周记时间已经过了一个星期，1月30日的时候小游戏的开发进度还只有40%，这几天保肝又完成了55%，现在小游戏的完成度已经有95%了。小游戏从零开始开发到现在刚好已经过了两个星期。这14天里我从零开始学习CocosCraetor引擎和TypeScript语言，写了9400多行TypeScript代码（快一万行了，Cocos Creator的脚本基本上没有自动生成的），应该还算挺高效率的。昨天为游戏定下了一个名字：《星旅 StarTrek》，画了一个LOGO，做了一个宣传图，写了一个游戏自审报告，填写了一堆信息，把代码提交给微信审核，不出意外的话再过一两天就能审核通过上线发布了。
同样，在这七天中我又遇到了很多坑，也学习了不少技术，特此记录，也分享给大家作为前车之鉴。接下来我会对游戏开发中遇到的问题、使用的技术、游戏的背景和玩法介绍等一一写下。囿于时间匆忙，本人文笔粗糙，还请谅解。
能够自动跟踪的导弹
在游戏中，你可以点击自己发射能够自动攻击目标的导弹，还可以点击自己通过拖拽延指定方向和力度发射导弹。其实自动跟踪导弹并没有用什么高深的寻路算法，而且如果用上的话对游戏性能要求也很高，因为游戏中的天体数量特别多，玩家或者UFO也可以短时间内发射数十颗导弹，如果用寻路算法的话不仅效果可能不好，而且会使游戏性能大大降低。所以我使用的是一个基于物理模型的简单算法，原理特别简单，效果也非常好，在物理引擎里非常容易实现。
这个算法其实就是在导弹和距离最近的目标之间加了一个原长为0的弹簧，符合胡克定律 \vec{F}=k·\vec{x} 。在游戏的每一帧，通过遍历附近的所有目标，计算导弹到目标的距离，找到距离最近的目标，然后以从导弹到目标的向量乘以缩放比例，作为给导弹的力作用在导弹的刚体上。这样就轻松的实现了导弹的自动跟踪效果，并且导弹能在运行中配合粒子画出优美的曲线，另外一个优势就是目标距离很远时导弹能够自动加速，距离近时则依靠惯性去打击目标（太空中没有阻尼，所以并不会减速）。
上图你可以看到我作用给导弹的并不是冲力，而是一个冲量，其实效果基本上是一样的，因为冲量的表达是 F\Delta t ，而游戏中每一帧的 $\Delta t$ 基本上是一个定值。另外，之所以我要对力进行归一化，是因为实际上我给导弹设定了一个线性阻尼，这样的话我便只取力的单位向量即可，可以让导弹拥有一个最大速度，而不是在距离远时无线加速。
同样，游戏中火箭
、地球
、或者UFO
跟随玩家的手指，其实也是这个原理，只不过是把其看作导弹，然后它的攻击目标是玩家指尖罢了（但是不会爆炸，更不可能撞伤或者炸伤玩家）。
游戏中的动画以及爆炸效果
游戏在转场、按钮点击，星球爆炸消失等多个地方利用了动画效果，而不是强硬的切换或者直接消失，这样可以给玩家带来比较好的视觉效果。利用Cocos Creator的缓动系统 cc.Tween 可以非常方便的实现一些动画。上一篇周记讲过，Cocos里的每一个实体都是一个节点 cc.Node ，这个节点其实可以有很多属性，例如位置、旋转角、颜色、锚点、透明度等。通过缓动系统，你可以指定一个缓动函数，缓慢的将某个值改变到另一个值。这里我拿Manim的动画系统举例，实际上与Cocos仍有差异，但是效果差不多。（图片来源于Manim.ml，是MK组织为Manim编写的中文文档）
在Cocos里，通过缓动系统缓慢的改变一个节点的位置，大小，透明度等，便实现了视觉效果较好的菜单打开关闭动画、渐变转场、星球毁灭时的缩小消失等效果。
这里的smooth函数其实是一种平滑的阶跃函数，说白了其实就跟上一篇周记里写的 sigmoid 函数很像（sigmoid 有点像step smooth的谐音），但是其不需要指数运算，并且运算效率比较高，在数值很大时稳定性也很好，我们在Cocos的源代码里能一探究竟。
爆炸效果
实际上爆炸效果制作非常简单，先用粒子系统做一个爆炸，指定一个自动停止发射的时间，然后设定自动销毁，把这个节点做成一个预制体（prefab），当某个位置需要爆炸时，就在这个位置将这个预制体实例化为一个节点，然后把这个节点添加到场景中即可。这里我以点燃气体星球产生爆炸，并给玩家带来一个反方向的冲击力为例。
游戏中星球的生成以及星球的呼吸、移动和自转效果
为了移动端的游戏性能，实际上每一帧计算和渲染的星球不会超过100个，每当玩家到达了新的区域，便随机生成新的地图。理论上玩家可以探索到无限大的，永不重复的宇宙。游戏地图的生成机制是这个项目以开始就马上完成的，实际上我对这个也没有任何经验，所以设计的可能不太好。生成系统会把地图分成4个区域，由里到外分别是屏幕显示区域、玩家视野、生成区域、销毁区域。
每一帧，系统会在灰色区域自动生成新的天体，在灰色区域记录并在下一帧销毁记录的所有天体。在程序中是可以调整不同天体的生成比例的，在下面的代码中其实你可以发现，我们设计了近40种不同的天体。
新生成的每一个天体都会有呼吸（由正弦曲线控制的缓慢放大缩小动画）、移动和自转。其实现原理是给每一个不同的天体的节点挂载不同脚本，在脚本开始时随机生成呼吸、自转角速度、移动速度，然后在每个 update 函数里控制这个节点的缩放、角度和位置。以行星挂载的脚本为例。
太阳系的构建
在游戏的主界面菜单中，你可以进入太阳系并观察到整个太阳系的运转。实际上构建这样一个模型利用的就是节点与子节点的关系，通过设定父节点锚点为太阳中心加上一个偏移（模拟椭圆的焦点不在圆心的效果），然后把太阳系行星绑定到这个节点上，控制父节点的旋转角，就可以实现一个行星的公转，而控制这个节点的旋转角，就可以控制这个行星的自转。最后加上粒子特效和摄影机的呼吸效果，便打造了一个太阳系的模型。
题库、分享以及好友排行榜
在游戏结束后，玩家可以选择答题来获得重新开始这一关卡的机会，题库包含了天文的基础知识、人类尤其是中国古今天文成就。题库量还是比较大的，直接写在了脚本里。
游戏菜单和失败的排行榜界面有分享按钮，玩家可以点击按钮将这个小游戏分享给其他人。实际上分享特别简单，如果是微信平台，直接调用微信的API即可。不过要注意的是，为了兼容性，在使用微信API之前必须先判断环境是否为微信环境。
微信的 shareAppMessage 方法实际上还可以传入一个对象指定分享的标题以及图片等，但是因为我懒或者没必要我就什么都没传了，微信默认标题是这个小游戏的名字和当前画面截图。
微信提出了开放数据域的概念，提供了一些较为方便的API来实现好友排行榜，但比较奇怪的是，微信为了保证数据的安全，开放数据域是一个独立的JavaScript环境，在Cocos里需要另外建立一个微信开放数据域项目制作排行榜的UI和相关逻辑，然后把这个Cocos项目合并到之前的游戏项目。然而合并之后，游戏就携带了一个新的游戏引擎的js文件，并且开放数据域工程无法分离引擎！这样项目的体积又会增加1mb多，然而此使我的游戏打包编译后已经超过微信规定的4mb限制了。超过4mb后这个小游戏就无法发布，怎样才能突破4mb限制呢？
突破4mb限制
网络加载资源
实际上我并没有突破4mb限制，而是把部分资源文件进行了压缩，把游戏背景音乐放到了腾讯云的服务器上进行网络加载。Cocos有一个 assetManager 对象提供了 loadRemote 方法能够加载网络资源，并提供了一个回调函数来使用这个资源。
游戏分包（Bundle）
将游戏分为不同的包，然后把一些包放到网络上，在游戏过程中加载分包。不过我没用过，具体不清楚。
删减引擎、分离引擎
在cocos的项目设置中，你可以删掉游戏中没有用到的Cocos 2d游戏引擎模块，这样能够减少游戏引擎代码的占用空间。不过更简单的方式是在构建项目时使用分离引擎，这样打包的微信小游戏就不会携带Cocos的游戏引擎，而是利用微信提供的Cocos游戏引擎插件。
资源压缩
资源压缩这一方面特别重要，不仅能够减小游戏包的体积，体积小的资源加载速度也更快，占用资源也更少。游戏里的资源主要是贴图、字体文件（ttf）、音频、文本。接下来我会一一介绍压缩它们的办法。
- 贴图：减少贴图的尺寸，不需要透明度则转为jpg，以及在ps里勾选较小文件等选项，还可以利用图片压缩软件进行压缩。
- 字体文件：字体文件压缩的性价比特别高！对于我这个独立游戏来说，游戏内的文本是固定的，因此字库文件并需要所有的汉字。因此我们可以找到游戏里出现的所有字符，在字库文件中只保留我们所需要的字体就好，这样就能大大压缩文件体积，一次能压缩几百kb，性价比特别高。这里我使用在Github上开源的Fontmin软件进行了字库的删减（https://github.com/ecomfe/fontmin-app/）
- 音频：通常音频文件为mp3文件，这里我通过ffmpeg将其转码为m4a文件，并合并两个声道为一个声道，能够大大减小音频文件的体积。ffmpeg的使用也很简单
ffmpeg -i in.mp3 -ac 1 out.m4a即可。不过要注意的是mp3有些时候有编码版权问题，可能无法转换为m4a。 - 文本：文本主要指的是代码文件，因为编译之后最终都是js代码，而js代码是可以大大压缩体积的（通过替换变量名，删除换行空格等方式），网上有很多js代码压缩的软件。
游戏贴图的制作和调整
这里我使用的是Adobe Photoshop。有时候游戏贴图边缘会出现黑边，可以使用ps构建选区，根据选区添加一个蒙版，然后使用滤镜里的最小化调整边缘，直至黑边消失。
还可以通过ps的色相调整功能更改贴图的色相，这样能立即得到一个另一种颜色风格的贴图。使用ps的杂色-蒙尘与划痕滤镜，可以减少图片中的尖角，有时候能够得到去锯齿的效果。使用滤镜库能够得到另一种风格的图片。当然，反相，黑白化，调整亮度、对比度、色彩饱和度等也能够将贴图是视觉效果调整的更好。
昨天，我用ps简单的做了一个游戏图标，又我按照微信提供的一个例子，花了十几分钟为游戏做了一个简单的宣传背景图。在ps里面，将素材拖进去，调整缩放、角度，加个背景，用钢笔工具构建选区，复制图层改变色调和透明度，在Shadertoy随便截了一张星空的贴图，调整透明度作用于背景，加几个滤镜，为贴图增加一个动态模糊，调整角度…很快啊，游戏宣传背景图就做好了！看，年轻人就是这么不讲*德。
打包Android项目并构建APK
原生平台构建的游戏性能比较好，所以我尝试打包了一个APK，不过这之间遇到了很多坑。在Cocos里要构建APK，必须下载 安装JDK，以及安卓的SDK、NDK ，官方和网上都推荐使用Android Studio。刚好我本来就安装搭建好了Android Studio的环境，于是顺利的把SDK和NDK都安装好了，系统环境变量也配置好。然而在用Cocos打包时一直出现Java的空指针错误，折腾了很久都未果。最终发现：用Android Studio下载安装的NDK是阉割版！ 所以还请到Android开发者官网，下载完整版最新的NDK，然后添加到系统环境变量，确保在cmd里输入 ndk-build 后有响应。 最后利用Cocos打包APK，打包过程中内存和CPU会飙升，在任务管理器中可以看到数个Cmake++在疯狂编译Cocos的C++代码，JDK在编译Android的Java代码，风扇狂转，就我的垃圾笔记本编译时间会非常久，不过最终编译成功生成了APK文件。似乎Cocos的编译脚本里已经自动给APK签名了，所以不需要手动签名。不过为了确保安全，可以使用工具生成签名文件为APK手动签名。
鼓励创作
游戏由我们团队爆肝创作，游戏目前完全免费，没有任何广告，而游戏素材放在腾讯的服务器里却是要收费的。如果大家喜欢我们的作品，可以转发支持鼓励我们的创作（自愿）。
游戏介绍
游戏很快就能上线发布了，这里我简单介绍一下游戏的故事背景、玩法等。
《星旅》是一个太空科幻题材的微信小游戏。游戏的启程、殖民、拯救、逃亡、毁灭、对抗6个关卡讲述了一个关于人类命运存亡的科幻故事。在游戏中你可以探索无限大的宇宙空间，在符合物理的太空中自由穿梭与几十种不同的行星、恒星、超新星、彗星、黑洞与白洞之间。你可以控制火箭穿出地球大气层、控制地球逃离太阳系、控制UFO毁灭银河系、还可以发射自动跟踪导弹与UFO在处处充满危险的宇宙战场中一决胜负。2077年，人类的命运如何？就靠你了！
背景故事
前三个关卡（启程、殖民、拯救）
旅行者一号由美国在1977年9月5日发射，100年后的2077年，人类命运突然发生了改变。太阳
突然变得极其不稳定，那一年数次史上最大的太阳风暴席卷全球，造成了无数人造卫星和太空探测器的损坏，以及数天的停电。经中国科学家观测，首先发现了太阳内部的氢在剧烈消耗，氦在大量积累（比较奇怪的是，氦的积累速度远远超过了氢的消耗速度，这违反了物理定律，让物理学家们百思不得其解）。简单点来说，太阳正在急速老化，科学家预测100多年后太阳将会剧烈膨胀，并发生氦闪，能够瞬间气化整个太阳系。
于是人类在联合国紧急成立了组织，利用现有技术大力发展太空科技，并陆续发射殖民者号战舰和拯救者号战舰。殖民者号战舰携带数亿植物种子、孢子以及数百万动物冷冻胚胎向宇宙远航，寻找易于人类居住的星球，创造新的家园，延续人类文明。当殖民号飞船寻找到KTS-2星系里的一颗宜居星球（代号ET2）后，人类发射比殖民者号大数百倍的拯救者号战舰，携带数十万拥有优先权和勇气的人类前往新的星球移民。抵达新的星球后，拯救者号战舰必须携带大量资源立即返回地球，然后携带更多人类陆续移民。
后三个关卡（逃亡、毁灭、对抗）
然而，人类的计划最终还是失败了。按照人类计划，至少要300年才能完成全人类的移民，在拯救者号战舰启动后，科学家对太阳进行了一次新的全方位分析，发现太阳发生氦闪的的时间比预期早了很多！现在人类只剩下40年了！于是人类启动了新的计划，直接利用核聚变行星发动机推动地球前进，理论上只需要37年就可把地球推进到太阳系以外，而再需要100年的加速和280年的流浪和70年的减速，地球就能到达KTS-2星系，并按照科学家的预想进入恒星轨道，与ET2建立稳定的双星系统。
在接下来的时间内，人类的科技发生了翻天覆地的改变，航天科技的迅猛发展带动了人类科技指数级发展。人类逐渐摸清了暗物质、反物质的本质，并能够利用反物质制造源源不断的能源。此时，地球仍然在流浪，但是科技的迅猛发展带来了人类生活幸福指数的不断提高。
在这场与每一个人息息相关灾难面前，人类证明了自己：同舟共济、守望相助是完全可以做到的。 人类的勇气与坚毅，将永刻于星空之下。
（游戏的故事背景有多处借用、致敬了刘慈欣的科幻作品设定。刘慈欣是我非常喜欢的科幻作家，它的科幻作品从来都有一种魅力）
番外篇
然而，不速之客又来了！科学家观测到一个直径远远超过一万公里的UFO正在高速向地球冲来，其经过的恒星和行星都发生了爆炸。科学家预计UFO还有80年就会抵达地球，显然对方不怀好意，人类文明将再次面临毁灭！
人类到底能否生存？就靠你了！欢迎大家来玩我们的游戏，谢谢大家的支持！
的推进方向