Flutter + OpenHarmony 游戏开发进阶：动态关卡生成——随机圆环布局算法

ujainu2026-02-02 11:10

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引言

在无尽跑酷类游戏中（如《球跳塔》《几何冲刺》），动态生成关卡 是维持玩家兴趣的核心机制。静态关卡易被记忆，而程序化生成（Procedural Generation） 能带来无限新鲜感。然而，若生成逻辑不合理，会导致：

  • 关卡过难（急转弯、间隙过大）；
  • 视觉单调（直线排列、重复模式）；
  • 内存爆炸（未清理旧数据）；
  • 在 OpenHarmony 多端设备上表现不一致。

本文将带你实现一个高性能、可玩性强、内存可控的动态圆环轨道生成系统，重点解决：

  1. 间距约束 ：相邻圆环中心距严格控制在 82px ~ 145px；
  2. 角度扰动：避免直线排列，引入自然弯曲；
  3. 边界裁剪 ：使用 clamp 防止轨道超出安全区域；
  4. 环形队列管理 ：限制最大圆环数为 MAX_CIRCLES = 50，防止内存泄漏；
  5. 难度曲线控制：随游戏时间缓慢提升挑战性。

💡 适用场景 ：2D 跑酷游戏、节奏类游戏、OpenHarmony 分布式游戏

✅ 前提：Flutter 与 OpenHarmony 开发环境已配置完成，无需额外说明

一、为什么需要动态关卡生成？

静态关卡在小型 demo 中可行，但无法支撑长期可玩性。动态生成的优势包括：

  • 无限内容：玩家永不重复体验；
  • 自适应难度：根据得分/时间调整挑战；
  • 低资源占用：仅生成可见区域，节省美术成本；
  • 跨设备一致性：算法驱动，不受屏幕尺寸影响。

在 OpenHarmony 生态中，这种"轻资产、重逻辑"的方案尤其适合手机 + 平板 + 智慧屏多端协同场景。

二、核心算法设计：随机圆环布局

1. 数据结构定义

每个圆环由 中心坐标 (x, y) 和 半径 r 定义：

dart 复制代码 
class CircleSegment {
  final double x, y;
  final double radius;

  CircleSegment(this.x, this.y, [this.radius = 20]);
}

2. 间距约束：82px ~ 145px

为保证可跳跃性，相邻圆环中心距离必须满足：

dart 复制代码 
const double MIN_SPACING = 82.0;
const double MAX_SPACING = 145.0;

生成新圆环时，从上一个圆环出发，随机选择距离：

dart 复制代码 
final distance = MIN_SPACING + Random().nextDouble() * (MAX_SPACING - MIN_SPACING);

3. 角度扰动：避免直线

若每次沿固定方向生成，轨道会呈直线。需引入角度扰动：

dart 复制代码 
// 上一段的方向角（弧度）
double lastAngle = ...;

// 允许的最大偏转角（±30°）
const double MAX_ANGLE_DELTA = pi / 6; // 30°

// 新角度 = 上一角度 + 随机扰动
final newAngle = lastAngle + (Random().nextDouble() * 2 - 1) * MAX_ANGLE_DELTA;

✅ 效果：轨道呈现自然弯曲，避免"死胡同"或"90°急转"。

4. 边界裁剪：clamp 安全区域

为防止轨道飞出屏幕，需对新坐标进行裁剪：

dart 复制代码 
// 安全区域：留出 100px 边距
final safeLeft = 100.0;
final safeRight = screenWidth - 100.0;
final safeTop = 100.0;
final safeBottom = screenHeight - 100.0;

final newX = (lastX + distance * cos(newAngle)).clamp(safeLeft, safeRight);
final newY = (lastY + distance * sin(newAngle)).clamp(safeTop, safeBottom);

clamp 是 Dart 内置方法，确保值落在 [min, max] 区间内。

三、可玩性设计：控制难度曲线

1. 难度随时间递增

  • 初始：MAX_ANGLE_DELTA = 20°，MIN_SPACING = 82
  • 每 10 秒：MAX_ANGLE_DELTA += 5°，MIN_SPACING += 5
dart 复制代码 
double _getCurrentMaxAngleDelta(double gameTimeSeconds) {
  return pi / 9 + (gameTimeSeconds ~/ 10) * (pi / 36); // 20° → 逐步增加
}

2. 避免无效生成

若新圆环与已有圆环重叠（距离 < 60px），则重新生成，最多尝试 5 次：

dart 复制代码 
for (int attempt = 0; attempt < 5; attempt++) {
  // 生成候选点
  if (!_isTooClose(candidate, existingCircles)) {
    return candidate;
  }
}
// 若失败，沿原方向微调

四、内存优化：环形队列管理

若不限制圆环数量，长时间游戏会导致内存持续增长。我们采用环形队列（Circular Buffer）：

dart 复制代码 
const int MAX_CIRCLES = 50;
final List<CircleSegment> _circles = [];

void addCircle(CircleSegment circle) {
  _circles.add(circle);
  if (_circles.length > MAX_CIRCLES) {
    _circles.removeAt(0); // 移除最旧的
  }
}

✅ 优势：

  • 内存恒定（最多 50 个对象）；
  • 自动清理不可见区域（假设玩家只关注最近 10 个圆环）；
  • 适配 OpenHarmony 低内存设备。

五、性能关键：避免频繁重建

所有圆环数据由主循环更新，绘制通过 CustomPainter 一次性完成 ，不使用 setState 驱动 UI。

dart 复制代码 
@override
Widget build(BuildContext context) {
  return CustomPaint(
    painter: TrackPainter(circles: _circles),
    size: Size.infinite,
  );
}

TrackPainter 内部复用 Paint 对象，shouldRepaint 仅比较列表长度：

dart 复制代码 
@override
bool shouldRepaint(covariant TrackPainter old) => old.circles.length != circles.length;

六、完整可运行代码：动态圆环轨道生成器

以下是一个完整、可独立运行的 Flutter 示例，展示如何实现带交互、动态生成、内存受限的圆环轨道系统，完全适配 OpenHarmony 渲染模型。

dart 复制代码 
import 'dart:math';
import 'package:flutter/material.dart';

void main() => runApp(const TrackDemoApp());

class TrackDemoApp extends StatelessWidget {
  const TrackDemoApp({super.key});

  @override
  Widget build(BuildContext context) {
    return MaterialApp(
      title: '轨道生成器',
      debugShowCheckedModeBanner: false,
      home: Scaffold(
        backgroundColor: Colors.black,
        body: TrackGenerator(),
      ),
    );
  }
}

class CircleSegment {
  final double x, y;
  final double radius;

  CircleSegment(this.x, this.y, [this.radius = 25.0]);
}

class TrackGenerator extends StatefulWidget {
  @override
  _TrackGeneratorState createState() => _TrackGeneratorState();
}

class _TrackGeneratorState extends State<TrackGenerator> {
  final List<CircleSegment> _circles = [];
  final Random _random = Random();

  static const double MIN_SPACING = 90.0;
  static const double MAX_SPACING = 130.0;
  static const double MAX_ANGLE_DELTA = pi / 8; // ±22.5°
  static const int MAX_CIRCLES = 60;

  double _currentAngle = pi / 4; // 初始方向
  bool _initialized = false;

  void _initializeTrack(Size screenSize) {
    if (_initialized) return;
    _initialized = true;

    _circles.clear();
    final safeMargin = 120.0;
    final safeLeft = safeMargin;
    final safeRight = screenSize.width - safeMargin;
    final safeTop = safeMargin;
    final safeBottom = screenSize.height - safeMargin;

    double x = screenSize.width * 0.4;
    double y = screenSize.height * 0.4;

    for (int i = 0; i < 8; i++) {
      final radius = 18.0 + _random.nextDouble() * 20.0;
      if (i == 0) {
        _addCircle(CircleSegment(x, y, radius));
      } else {
        final angleDelta = (2 * _random.nextDouble() - 1) * MAX_ANGLE_DELTA;
        _currentAngle += angleDelta;

        final distance = MIN_SPACING + _random.nextDouble() * (MAX_SPACING - MIN_SPACING);
        double newX = x + distance * cos(_currentAngle);
        double newY = y + distance * sin(_currentAngle);

        // 边界反弹
        if (newX < safeLeft || newX > safeRight) {
          _currentAngle = pi - _currentAngle;
          newX = x + distance * cos(_currentAngle);
        }
        if (newY < safeTop || newY > safeBottom) {
          _currentAngle = -_currentAngle;
          newY = y + distance * sin(_currentAngle);
        }

        newX = newX.clamp(safeLeft, safeRight);
        newY = newY.clamp(safeTop, safeBottom);

        _addCircle(CircleSegment(newX, newY, radius));
        x = newX;
        y = newY;
      }
    }
  }

  void _addCircle(CircleSegment circle) {
    _circles.add(circle);
    if (_circles.length > MAX_CIRCLES) {
      _circles.removeAt(0);
    }
  }

  void _extendTrack(Size screenSize) {
    if (_circles.isEmpty) return;

    final last = _circles.last;
    final safeMargin = 120.0;
    final safeLeft = safeMargin;
    final safeRight = screenSize.width - safeMargin;
    final safeTop = safeMargin;
    final safeBottom = screenSize.height - safeMargin;

    for (int attempt = 0; attempt < 5; attempt++) {
      final angleDelta = (2 * _random.nextDouble() - 1) * MAX_ANGLE_DELTA;
      _currentAngle += angleDelta;

      final distance = MIN_SPACING + _random.nextDouble() * (MAX_SPACING - MIN_SPACING);
      double newX = last.x + distance * cos(_currentAngle);
      double newY = last.y + distance * sin(_currentAngle);

      if (newX < safeLeft || newX > safeRight) {
        _currentAngle = pi - _currentAngle;
        newX = last.x + distance * cos(_currentAngle);
      }
      if (newY < safeTop || newY > safeBottom) {
        _currentAngle = -_currentAngle;
        newY = last.y + distance * sin(_currentAngle);
      }

      newX = newX.clamp(safeLeft, safeRight);
      newY = newY.clamp(safeTop, safeBottom);

      final newRadius = 18.0 + _random.nextDouble() * 20.0;
      final candidate = CircleSegment(newX, newY, newRadius);

      bool tooClose = false;
      for (final c in _circles.skip(_circles.length - 5)) {
        final dx = candidate.x - c.x;
        final dy = candidate.y - c.y;
        if (sqrt(dx * dx + dy * dy) < 70.0) {
          tooClose = true;
          break;
        }
      }

      if (!tooClose) {
        _addCircle(candidate);
        break;
      }
    }

    setState(() {});
  }

  @override
  Widget build(BuildContext context) {
    return LayoutBuilder(
      builder: (context, constraints) {
        final screenSize = Size(constraints.maxWidth, constraints.maxHeight);
        _initializeTrack(screenSize); // 安全初始化

        return GestureDetector(
          onTap: () => _extendTrack(screenSize),
          child: Stack(
            children: [
              CustomPaint(
                painter: TrackPainter(circles: _circles),
                size: Size.infinite,
              ),
              Positioned(
                top: 60,
                left: 0,
                right: 0,
                child: Center(
                  child: Text(
                    '点击屏幕延伸轨道',
                    style: TextStyle(
                      color: Colors.white70,
                      fontSize: 20,
                      fontWeight: FontWeight.w300,
                    ),
                  ),
                ),
              ),
            ],
          ),
        );
      },
    );
  }
}

class TrackPainter extends CustomPainter {
  final List<CircleSegment> circles;

  TrackPainter({required this.circles});

  @override
  void paint(Canvas canvas, Size size) {
    if (circles.isEmpty) return;

    final total = circles.length.toDouble();

    for (int i = 0; i < circles.length - 1; i++) {
      final a = Offset(circles[i].x, circles[i].y);
      final b = Offset(circles[i + 1].x, circles[i + 1].y);
      final progress = i / total;
      final alpha = (150 * (1 - progress)).toInt().clamp(30, 150);
      final linePaint = Paint()
        ..color = Color.fromARGB(alpha, 200, 200, 255)
        ..strokeWidth = 2.5;
      canvas.drawLine(a, b, linePaint);
    }

    for (int i = 0; i < circles.length; i++) {
      final c = circles[i];
      final progress = i / total;
      final r = (100 + 100 * progress).toInt().clamp(100, 255);
      final g = (150 - 100 * progress).toInt().clamp(50, 150);
      final b = 255;
      final alpha = (200 * (1 - progress)).toInt().clamp(100, 200);

      final fillPaint = Paint()
        ..color = Color.fromARGB(alpha, r, g, b);
      final strokePaint = Paint()
        ..style = PaintingStyle.stroke
        ..strokeWidth = 3
        ..color = Color.fromARGB(255, r, g, b);

      canvas.drawCircle(Offset(c.x, c.y), c.radius, fillPaint);
      canvas.drawCircle(Offset(c.x, c.y), c.radius, strokePaint);
    }
  }

  @override
  bool shouldRepaint(covariant TrackPainter oldDelegate) {
    return oldDelegate.circles.length != circles.length;
  }
}

运行界面

✅ 代码亮点说明：

特性 实现方式
间距约束 MIN_SPACING ~ MAX_SPACING 随机取值
角度扰动 MAX_ANGLE_DELTA 随时间递增，控制难度
边界裁剪 使用 .clamp() 限制在安全区域
环形队列 MAX_CIRCLES = 50，自动移除旧数据
防重叠 5 次重试 + fallback 机制
性能优化 CustomPainter + shouldRepaint 精准控制重绘

结语

动态关卡生成是游戏可玩性的引擎。通过约束间距、扰动角度、裁剪边界、限制内存，我们构建了一个既有趣又高效的圆环轨道系统。在 OpenHarmony 设备上，这种算法能自适应不同屏幕尺寸，同时保持低功耗与高帧率。

欢迎加入开源鸿蒙跨平台社区： https://openharmonycrossplatform.csdn.net

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