引言

今天繼續常春藤名校之一——康奈爾大學的FPGA課程ECE 5760典型案例分享：基于DE1-SOC開發板的太空射擊游戲。

1. 項目概述

項目說明

該項目是在DE1-SoC FPGA平臺上開發一個名為“太空射擊”的實時游戲，利用系統的ARM+FPGA功能，“太空射擊”使用內存映射I/O在VGA顯示器上輸出圖形，并直接與硬件組件交互以實現響應式游戲體驗。玩家通過鍵盤輸入控制飛船移動并發射子彈攻擊屏幕上的敵人，游戲實時跟蹤玩家得分和碰撞檢測。

該實現強調高效利用硬件資源、精確的定時以實現流暢動畫以及有效的碰撞檢測算法，以確保游戲的吸引力和動態性。

使用的硬件：

該系統的功能框圖如下：

2.數學背景

《太空射擊》項目涉及幾個關鍵的數學概念和技術：

? 幾何坐標：

? 屏幕坐標：游戲屏幕由一個坐標系統定義，左上角為（0,0），x軸向右增加，y軸向下增加。玩家和敵人的位置使用（x,y）坐標進行跟蹤。

? 移動：玩家的飛船和子彈通過更新它們的（x,y）坐標來移動。例如，按下'a'鍵會減少飛船的x坐標，使其向左移動。

? 碰撞檢測：

?限界框碰撞：子彈與敵人之間的碰撞檢測基于軸對齊限界框（AABB）碰撞檢測。算法檢查兩個對象的包圍盒是否重疊。

? 對于子彈擊中敵人，以下條件必須成立：

子彈x ≤ 敵人x + 敵人尺寸

子彈x + 子彈大小 ≥ 敵人x

子彈y ≤ 敵人y + 敵人大小

子彈y + 子彈大小 ≥ 敵人y

? 向量數學：

? 方向和速度：子彈的運動通過固定量更新其y坐標來模擬運動。這可以表示為：

子彈y = 子彈y - 子彈速度

此公式確保子彈以恒定速度向上移動。

? 時間控制和延遲：

? 幀率控制：游戲循環包括一個延遲以控制幀率，確保平滑的動畫和游戲玩法。延遲使用`usleep`設置：

usleep(100000)

這提供了100毫秒的延遲，實現每秒約10幀的幀率。

? 幾何變換：

? 縮放和平移：敵人的位置被縮放和平移以創建不同的運動模式。例如：

enemies[i].px = *(enemy_pos_x_ptr) + 20 × i

此公式調整每個敵人的x位置以創建間距。進一步的變換涉及修改它們的位置以實現更復雜的運動。

? 圓形幾何：

? 繪制圓：`VGA_disc`函數使用圓的方程繪制敵人和玩家子彈。對于以（x,y）為中心、半徑為r的圓，所有滿足以下條件的點（px,py）都是圓的一部分：

(px - x)^2 + (py - y)^2 ≤ r^2

? 計分和時間追蹤：

? 計分計算：玩家每次擊中敵人得分增加100分：

score += 100

? 時間測量：自游戲開始以來經過的時間使用`gettimeofday`函數計算，該函數提供當前時間的秒數和微秒數。使用的時間為：

time_used = end.tv_sec ? start.tv_sec

太空射擊游戲結合了這些數學原理，創造出一個引人入勝且動態的游戲體驗。從用于運動和碰撞檢測的坐標幾何和向量數學到用于平滑動畫的時間控制，這些數學概念構成了游戲實現的基礎。

3. 硬件設計和軟件設計

FPGA端Qsys系統如下：

HPS端要處理的操作有：

移動玩家的飛船

火球子彈

開始和停止游戲

重置游戲

顯示和更新評分

跟蹤和顯示時間耗盡