关于程序员:游戏引擎-1概述

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该系列文章次要面向齐全没有引擎根底，但具备肯定编程根底的同学。解说的内容不会开展太深刻，只心愿读者能够对游戏引擎中的技术有一个根本的了解。如果大家对其中的某些内容感兴趣，能够评论留言。我会依据大家的冀望，力不从心地开展解说。

简介

电子游戏是一款软实时 (soft real-time) 模仿软件。软实时模仿软件须要做到能够响应实时操作，并且即便因为某些起因没有立刻响应也不会造成灾难性结果。在电子游戏这样的软实时模仿软件中的大部分数学问题没有闭合式解，因而须要进行离散的模仿能力失去一个后果。

游戏引擎正是为了实现游戏中各种各样的模仿而整合了各种各样的模块，例如物理模块、渲染模块、逻辑模块等。晚期的游戏引擎大多只能运行在特定平台，例如《雷神之锤》的引擎 Quake engine、魔兽世界用的暴雪自家引擎。

起初呈现了能够跨平台运行的通用游戏引擎，例如 Unity、Unreal。

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一般来说，越通用的游戏引擎，在特定平台上的运行效率会越不如那些只能运行于特定游戏平台的游戏引擎。因为性能优化总是基于特定假如的，这个假如越繁多，优化起来会越轻松。

硬件

硬件是运行游戏的物理设施，例如 pc、xBox Series X、PS5、ns。

驱动

驱动是负责和硬件进行通信的底层软件，常见的驱动有显卡驱动（Nvidia、AMD）、声卡驱动。有了这些驱动之后，开发人员就不须要为具体的硬件设施编写代码。驱动很好地暗藏了硬件设施的复杂性，使开发工作的复杂度升高。

操作系统

在操作系统层面上，大抵上能够分成游戏专用操作系统和非游戏专用操作系统。

游戏专用操作系统有 xbox 的 XBoxOS、ps4 的 Orbis OS、ns 的 Horizon。这些操作系统的通常常识一个轻量级的库，在游戏运行时，游戏程序简直能够占有硬件的所有资源和控制权，所以游戏运行效率很高。

而非游戏专用操作系统通常都会因为各种各样的起因只能占用硬件的局部资源和控制权，例如 windows 操作系统采纳基于工夫片 (time-slice) 的抢占式多任务 (preemptive multitasking) 形式来运行所有程序。

这也是为什么同一款游戏在同样硬件性能的 PC 和 PS3 下面运行，PC 上可能间接变成 PPT，而 PS3 却能够 30 帧稳固运行。

软件开发包(SDK)

软件开发包一批性能良好的函数的汇合，这些函数又称为称为 API(application programming interface)。

大部分游戏引擎都会接入第三方 SDK 以加强引擎的性能，通过接入 SDK 的形式给引擎减少性能能够缩小引擎的研发压力，同时又能取得良好的成果体现。

上面列举一些比拟常见的第三方 SDK：

物理引擎有 Havok、PhysX、Bullet 等。

动画引擎有 Havok Animation、Granny 等。

Havok Animation 能够在运行时给动画加上物理成果，也就是物理动画技术(Physically based animation)。

动画的制作流程比较复杂繁琐，局部有钱的游戏厂商会通过动捕 (motion cap) 的形式来制作动画，钱包的确顶不住的话能够应用 Endorphin 来主动生成帧动画，进步生产效率。还有一种缩小工作量的办法，应用 Euphoria 在游戏运行时生成合乎物理和生物力学的动画。

平台独立层

平台独立层会为特定模块封装各个平台的底层 API，让游戏引擎能够反对在多个平台上运行。这一层算是游戏引擎和外界环境进行沟通的桥梁。

外围零碎

外围零碎会为游戏引擎提供一个软件该有的底层性能，所有类型的软件都会有这一层。

这一层的内容也不少，咱们关注得比拟多的是内容治理模块。因为游戏引擎往往都须要保障最多每隔 32 毫秒就要执行一边整体代码，对于内存的治理要求会比拟高，须要实现高效地内存调配和开释，还会自定义数据结构及算法来缩小或齐全打消动态内存的调配。

渲染引擎

渲染这一块内容就比拟丰盛了，曾经被独立成一个业余学科 – 计算机图形学。个别游戏引擎都不会去开发本人的渲染引擎，因为投入产出比太低，而且现有的渲染引擎曾经很成熟了。所以游戏引擎个别都会接入已有的渲染引擎。

常见的渲染引擎有 DirectX、OpenGL、Vulkan、Edge 等。这里的 Edge 并不是指微软的 Edge 浏览器，而是专门为 PS3 渲染设计的，领有高效几何解决技术的渲染引擎，同时它还具备动画播放性能。

渲染引擎个别会采纳分层架构 (layered architecture) 来组织代码，个别会被分为低阶渲染器(low-level renderer)、场景图(scene graph)/ 剔除优化、视觉效果、前端。

低阶渲染器会应用图形 SDK 来设置好渲染器，实现几何图元 (geometric primitive) 的高速渲染。

场景图 / 优化剔除会为不同的游戏场景提供不同的算法来限度提交到 GPU 的图元数量。罕用的算法有平截头体剔除(frustum cull)、空间细分(spatial subdivision)、portal、遮挡剔除技术。其中空间细分算法能够应用不同的数据结构来构建场景图以疾速判断潜在可见集(potentially visible set, PVS)。

视觉效果层专门提供丰盛的视觉效果，其中包含粒子系统 (particle system)、贴花零碎(decal system)、光照贴图(light mapping)、环境贴图(evironment mapping)、动静暗影(dynamic shadow)、全屏后处理成果(full-screen post-processing effect) 等。其中全屏后处理成果包含高动静范畴 (high dynamic tange, HDR) 光照、敷霜成果 (bloom)、全屏抗锯齿(full-screen anti-aliasing, FSAA)、色彩较正(color correction) 等。其中色彩较正包含色彩偏移 (color-shift)、略过漂白(bleach bypass)、饱和度(saturation)、去饱和度(desaturation) 等。美术师个别会在这一层下面进行工作。

前端是开发者、玩家与游戏进行交互的桥梁，包含了平视显示器 (heads-up display, HUD)、辅助开发的工具（如内置菜单、主控台）、图形用户界面(graphical user interface, GUI)、全动视频(full-motion video, FMV) 零碎、游戏内置电影 (in-game cinematics, IGC) 零碎等。

人工智能

游戏中的传统人工智能并不是相似于深度学习的人工智能，而只是让角色看起来有智能。所有貌似领有智能的行为都是提前硬编码好的，无限状态机和行为树是最罕用的技术。当初游戏也缓缓开始退出了具备自我进化能力的人工智能，当前游戏过程中的不确定性会进一步减少。

性能剖析工具

为了晋升游戏运行效率，须要在研发过程中或研发实现时对游戏进行性能剖析。当初比拟成熟的性能剖析工具有 Intel 的 VTune、IBM 的 Quantify 和 Purify、Compuware 的 Bounds Checker。有些游戏引擎会开发本人的性能剖析工具，例如 unty 内置的 Profiler。一个性能剖析工具大抵须要具备以下性能：

1. 反对在游戏源码中手动退出测量代码，为心愿监测性能的代码进行计时。
2. 游戏运行期间，在屏幕上显示性能统计数据，这些数据包裹 CPU 占用率、GPU 占用率、显存占用量、内存占用量、内存使用率、1. 最高使用率、内存透露量、网络提早、FPS 等。
3. 将性能统计数据输入并保留下来，能够保留为文本文件、Excel 文件等。

4. 容许在代码内应用调试用打印语句(print statement)，能够切换不同的调试输入品种，并设置输入的简短级别(verbosity level)。

   物理

   游戏物理模仿是个大部头，如果我的项目有实在物理模仿的需要，那么个别会专门配置一位负责开发物理成果的程序员。

游戏物理和仿真物理的侧重点并不相同。仿真物理重视模仿成果的准确性，而不关注性能。游戏物理不谋求模仿百分百正确，只有最终的成果看起来正当就好，须要特地关注性能体现。因为游戏须要在配置个别的设施上运行，没有太多的算了投放到物理模仿中。只有成果看起来没太大问题，那么它就是对的。

动画

动画同样是一个大部头，如果我的项目的动画很多且简单细腻，个别也会专门配置一位专门负责开发动画成果的程序员。

动画成果能够很简略，也能够很简单。最简略的就是播放单个帧动画，简单的能够搞基于物理的动画、IK 成果等。

负责游戏动画的程序员除了要做好体现成果之外，还要做好资源管理，包含动画资源和动画状态机资源。因为当初大部分我的项目都是应用动画状态机以及动画交融技术来制作动画成果。

一个体现成果可能由多个动画 clip 交融而成。应用这种计划来做动画体现，产出的动画资源个别都不少。

如果某个模型的动画体现比拟细腻的话，它的动画状态机也会很简单。我已经见过一个动画状态机关上之后整个屏幕都是稀稀拉拉的 transition 连线。

人体学接口设施 (HID) 引擎

HID 引擎会将游戏外设和游戏引擎对接起来。比拟常见的游戏外设有键盘、鼠标、手柄。还有一些比拟小众的游戏外设，例如赛车模仿设施（方向盘 + 踏板 + 挡杆 + 手刹）、航行摇杆、VR 控制器。

游戏外设的输出信号会先被映射为输出代码，再映射为游戏的具体操作。

音频

游戏的音频也同样重要，好的音频成果能够营造良好的游戏气氛。个别游戏引擎都有本人研发的音频性能，例如 cocos、unity、unreal 都有。然而在游戏开发过程中个别不会间接应用引擎提供的性能，而是会应用第三方 SDK，例如 FMOD、Wwise。因为第三方 SDK 性能更加齐备。

网络

游戏引擎提供根本网络通信性能并不是什么特地难的事件，然而要提供一套成熟通用的网络同步性能十分艰难。不同游戏对网络同步的需要由很大的区别，所以游戏项目组个别都会开发本人的网络同步性能以匹配本人的游戏业务需要。

数字内容创作 (digital content creation, DCC) 应用软件及资产调节管道

设计师会通过 DCC 工具将模型、材质、贴图、音频等工具生产游戏素材。团队个别都会应用市面上以由的 DCC 工具，例如 3DMax、Maya、PhotoShop、FMOD Studio 等。这些工具输入的资源格局在大部分状况下没有方法被游戏引擎间接应用，须要游戏引擎对这些资源进行一次转换，转换为游戏引擎方便使用的格局。这个转换过程有资产调节管道来实现。例如每次往 unity 中拖入 fbx 模型资源的时候都会呈现一个 import 进度条，正是在进行资源转换。

最初

这节只是简略带过了各种模块的常识，因为局部内容开展之后量会十分大，所以会在该系列的后续文章中独自讲，也可能会另开一个专栏。心愿能帮忙到想要从事游戏研发的人。

参考资料

《游戏引擎架构》
《游戏编程权威指南》
《GAMES104- 古代游戏引擎：从入门到实际》

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