原文作者：Jake Simpson
譯者： 向海
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FROM：CSDN

第1部分: 游戲引擎介紹， 渲染和構(gòu)造3D世界


介紹
　　自Doom游戲時代以來我們已經(jīng)走了很遠。 DOOM不只是一款偉大的游戲，它同時也開創(chuàng)了一種新的游戲編程模式: 游戲 "引擎"。 這種模塊化，可伸縮和擴展的設計觀念可以讓游戲玩家和程序設計者深入到游戲核心，用新的模型，場景和聲音創(chuàng)造新的游戲， 或向已有的游戲素材中添加新的東西。大量的新游戲根據(jù)已經(jīng)存在的游戲引擎開發(fā)出來，而大多數(shù)都以ID公司的Quake引擎為基礎， 這些游戲包括Counter  Strike， Team Fortress， Tac Ops， Strike Force， 以及Quake Soccer。Tac Ops 和Strike Force 都使用了Unreal Tournament 引擎。事實上， "游戲引擎" 已經(jīng)成為游戲玩家之間交流的標準用語，但是究竟引擎止于何處，而游戲又從哪里開始呢?像素的渲染，聲音的播放，怪物的思考以及游戲事件的觸發(fā)，游戲中所有這一切的幕后又是什么呢？ 如果你曾經(jīng)思考過這些問題， 而且想要知道更多驅(qū)動游戲進行的東西，那么這篇文章正好可以告訴你這些。 本文分多個部分深入剖析了游戲引擎的內(nèi)核， 特別是Quake引擎，因為我最近工作的公司Raven Software已經(jīng)在Quake引擎的基礎上開發(fā)出了多款游戲，其中包括著名的Soldier of Fortune 。  


開始
　　讓我們首先來看看一個游戲引擎和游戲本身之間的主要區(qū)別。 許多人們會混淆游戲引擎和整個游戲 。這有點像把一個汽車發(fā)動機和整個汽車混淆起來一樣 。 你能夠從汽車里面取出發(fā)動機， 建造另外一個外殼，再使用發(fā)動機一次。 游戲也像那。 游戲引擎被定義為所有的非游戲特有的技術(shù)。 游戲部份是被稱為 '資產(chǎn)' 的所有內(nèi)容 (模型，動畫，聲音，人工智能和物理學)和為了使游戲運行或者控制如何運行而特別需要的程序代碼， 比如說AI--人工智能。  

　　對于曾經(jīng)看過 Quake 游戲結(jié)構(gòu)的人來說， 游戲引擎就是 Quake。exe ，而游戲部分則是 QAGame。dll 和 CGame。dll 。 如果你不知道這是什么意思， 也沒有什么關(guān)系；在有人向我解釋它以前， 我也不知道是什么意思。 但是你將會完全明白它的意思。 這篇游戲引擎指導分為十一個部份。 是的， 從數(shù)量上來說，總共是十一個部份! 每個部分大概3000字左右�，F(xiàn)在就從第一部分開始我們的探索吧，深入我們所玩游戲的內(nèi)核，在這里我們將了解一些基本的東西， 為后面的章節(jié)作鋪墊。。。


渲染器
　　讓我們從渲染器來開始游戲引擎設計的探討吧， 我們將從游戲開發(fā)者(本文作者的背景)的角度來探討這些問題。事實上，在本文的各個段落，我們將常常從游戲開發(fā)者的角度探討， 也讓您像我們一樣思考問題!  

　　什么是渲染器，為什么它又這么重要呢？好吧，如果沒有它，你將什么也看不到。它讓游戲場景可視化，讓玩家/觀眾可以看見場景，從而讓玩家能夠根據(jù)屏幕上所看到的東西作出適當?shù)臎Q斷。 盡管我們下面的探討可能讓新手感到有些恐懼，先別去理會它。 渲染器做些什么？為什么它是必須的？我們將會解釋這些重要問題。  

　　當構(gòu)造一個游戲引擎的時候， 你通常想做的第一件事情就是建造渲染器。 因為如果看不見任何東西 – 那么你又如何知道你的程序代碼在工作呢? 超過 50% 的 CPU 處理時間花費在渲染器上面； 通常也是在這個部分，游戲開發(fā)者將會受到最苛刻的評判。 如果我們在這個部分表現(xiàn)很差，事情將會變得非常糟糕， 我們的程序技術(shù)，我們的游戲和我們的公司將在 10 天之內(nèi)變成業(yè)界的笑話。 它也是我們最依賴于外部廠商和力量的地方，在這里他們將處理最大限度的潛在操作目標。 如此說來， 建造一個渲染器確實不象聽起來那么吸引人（事實如此）， 但如果沒有一個好的渲染器， 游戲或許永遠不會躋身于排行榜前10 名。  

　　如今，在屏幕上生成像素，涉及到 3D 加速卡， API ，三維空間數(shù)學， 對 3D 硬件如何工作的理解等等。對於主機（游戲機）游戲來說，也需要相同類型的知識，但是至少對于主機， 你不必去嘗試擊中一個移動中的目標。 因為一臺主機的硬件配置是固定的 "時間快照"， 和PC（個人計算機）不同， 在一臺主機的生命期中，它的硬件配置不會改變。  

　　在一般意義上，渲染器的工作就是要創(chuàng)造出游戲的視覺閃光點，實際上達到這個目標需要大量的技巧。3D圖形本質(zhì)上是用最少的努力創(chuàng)造出最大效果的一門藝術(shù)， 因為額外的 3D 處理在處理器時間和和內(nèi)存帶寬方面都是極為昂貴的。 它也是一種預算， 要弄清楚你想在什么地方花費處理器時間，而你寧愿在什么地方節(jié)省一些從而達到最好的整體效果。 接下來我們將會介紹一些這方面的工具，以及怎樣更好的用它們讓游戲引擎工作。


建造3D世界
　　最近，當我和一位從事計算機圖形方面工作長達數(shù)年之久的人會談時，她向我吐露道， 當她第一次看到實時操縱計算機 3D 圖象時， 她不知道這是怎么實現(xiàn)的， 也不知道計算機如何能夠存儲 3D 圖象。 今天這對于在大街上的普通人來說或許是真實的，即使他們時常玩 PC 游戲， 游戲機游戲， 或街機游戲。

　　下面我們將從游戲設計者的角度討論創(chuàng)造 3D 世界的一些細節(jié)，你也應該看一看 Dave Salvator 所寫的“3D 管線導論“，以便對3D 圖象生成的主要過程有一個整體的了解。

　　3D 物體（對象）被儲存成 3D 世界中的一系列點(被稱為頂點)， 彼此之間有相互關(guān)系，所以計算機知道如何在世界中的這些點之間畫線或者是填充表面。 一個立方體由8個點組成，每個角一個點。立方體有6個表面， 分別代表它的每一個面。 這就是 3D 對象儲存的基礎。 對于一些比較復雜的 3D 物體， 比如說一個 Quake 的關(guān)卡，將有數(shù)以千計(有時數(shù)以十萬計)的頂點， 和數(shù)以千計的多邊形表面。  

　　參見上圖的線框表示（注：原文在這里有一幅圖）。 本質(zhì)上與上面的立方體例子類似， 它僅僅是由許許多多的小多邊形組成的一些復雜場景。模型和世界如何儲存是渲染器的一部份功能， 而不屬于應用程序/游戲部份。 游戲邏輯不需要知道對象在內(nèi)存中如何表示， 也不需要知道渲染器將怎樣把他們顯示出來。 游戲只是需要知道渲染器將使用正確的視野去表示對象， 并將在正確的動畫幀中把正確的模型顯示出來。

　　在一個好的引擎中，渲染器應該是可以完全被一個新的渲染器替換掉， 并且不需要去改動游戲的一行代碼。許多跨平臺引擎， 而且許多自行開發(fā)的游戲機引擎就是這樣的，如 Unreal 引擎， --舉例來說， 這個游戲 GameCube 版本的渲染器就可以被你任意的替換掉。  

　　讓我們再看看內(nèi)部的表示方法—除了使用坐標系統(tǒng)，還有其他方法可以在計算機內(nèi)存里表示空間的點。在數(shù)學上，你可以使用一個方程式來描述直線或曲線， 并得到多邊形， 而幾乎所有的 3D 顯示卡都使用多邊形來作為它們的最終渲染圖元。 一個圖元就是你在任何顯示卡上面所能使用的最低級的繪制（渲染）單位，幾乎所有的硬件都是使用三個頂點的多邊形(三角形)。 新一代的 nVidia 和 ATI 顯卡可以允許你以數(shù)學方式渲染(被稱為高次表面)， 但因為這不是所有圖形卡的標準， 你還不能靠它作為渲染策略。

　　從計算的角度來看，這通常有些昂貴，但它時常是新的實驗技術(shù)的基礎，例如，地表的渲染，或者對物件銳利的邊緣進行柔化。 我們將會在下面的曲面片小節(jié)中更進一步介紹這些高次表面。


剔除概觀
　　問題來了。 我現(xiàn)在有一個由幾十萬個頂點/多邊形描述的世界。 我以第一人稱視角位于我們這個 3D 世界的一邊。 在視野中可以看見世界的一些多邊形， 而另外一些則不可見， 因為一些物體， 比如一面看得見的墻壁， 遮擋住了它們。 即使是最好的游戲編碼人員， 在目前的 3D 顯卡上， 在一個視野中也不能處理 300，000個三角形且仍然維持 60fps (一個主要目標)。 顯卡不能處理它， 因此我們必須寫一些代碼，在把它們交給顯卡處理之前除去那些看不見的多邊形。 這個過程被稱為剔除。

　　有許多不同的剔除方法。 在深入了解這些之前，讓我們探討一下為什么圖形顯示卡不能處理超高數(shù)量的多邊形。 我是說，最新的圖形卡每秒鐘不能處理幾百萬個多邊形嗎？它不應該能夠處理嗎? 首先，你必須理解市場銷售宣稱的多邊形生成率和真實世界的多邊形生成率。 行銷上宣稱的多邊形生成率是圖形顯示卡理論上能夠達到的多邊形生成率。  

　　如果全部多邊形都在屏幕上， 相同的紋理，相同的尺寸大小， 正在往顯示卡上傳送多邊形的應用程序除了傳送多邊形以外什么也不做， 這時顯卡能處理多少多邊形數(shù)量， 就是圖形芯片廠商呈現(xiàn)給你的數(shù)字。  

　　然而，在真實的游戲情形中，應用程序時常在后臺做著許多其他的事情 -- 多邊形的 3D 變換， 光照計算， 拷貝較多的紋理到顯卡內(nèi)存， 等等。 不僅紋理要送到顯示卡， 而且還有每個多邊形的細節(jié)。一些比較新的顯卡允許你實際上在顯卡內(nèi)存本身里面儲存模型/世界幾何細節(jié)， 但這可能是昂貴的，將會耗光紋理正常可以使用的空間，所以你最好能確定每一幀都在使用這些模型的頂點， 否則你只是在浪費顯示卡上的存儲空間。 我們就說到這里了。 重要的是，在實際使用顯卡時，并不必然就能達到你在顯卡包裝盒上所看到的那些指標，如果你有一個比較慢速的CPU ， 或沒有足夠的內(nèi)存時，這種差異就尤為真實。


基本的剔除方法
　　最簡單的剔除方式就是把世界分成區(qū)域， 每個區(qū)域有一個其他可見區(qū)域的列表。 那樣， 你只需要顯示針對任何給定點的可見部分。 如何生成可見視野區(qū)域的列表是技巧所在。 再者， 有許多方法可以用來生成可見區(qū)域列表， 如 BSP 樹， 窺孔等等。  

　　可以肯定，當談論 DOOM 或 QUAKE 時，你已經(jīng)聽到過使用 BSP 這個術(shù)語了。 它表示二叉空間分割。  

　　BSP 是一種將世界分成小區(qū)域的的方法，通過組織世界的多邊形，容易確定哪些區(qū)域是可見的而哪些是不可見的 – 從而方便了那些不想做太多繪制工作的基于軟件的渲染器。它同時也以一種非常有效的方式讓你知道你位于世界中的什么地方。  

　　在基于窺孔的引擎 ( 最早由 3D Realms 已經(jīng)取消的 Prey 項目引入游戲世界 )里，每個區(qū)域 ( 或房間) 都建造有自己的模型， 通過每個區(qū)域的門 ( 或窺孔 )能夠看見另外的區(qū)段。 渲染器把每個區(qū)域作為獨立的場景單獨繪制。 這就是它的大致原理。 足以說這是任何一個渲染器的必需部份，而且非常重要。  

　　盡管一些這樣的技術(shù)歸類在 "遮擋剔除"之下，但是他們?nèi)�部都有同樣的目�? 盡早消除不必要的工作。 對於一個FPS游戲(第一人稱射擊游戲) 來說，視野中時常有許多三角形，而且游戲玩家承擔視野的控制，丟棄或者剔除不可見的三角形就是絕對必要的了。 對空間模擬來說也是這樣的， 你可以看見很遠很遠的地方 – 剔除超過視覺范圍外面的東西就非常重要。 對于視野受到限制的游戲來說 – 比如 RTS (即時戰(zhàn)略類游戲)--通常比較容易實現(xiàn)。 通常渲染器的這個部份還是由軟件來完成， 而不是由顯卡完成， 由顯卡來做這部分工作只是一個時間問題。


基本的圖形管線流程
　　一個簡單的例子，從游戲到多邊形繪制的圖形管線過程大致是這樣:
　　　　· 游戲決定在游戲中有哪些對象， 它們的模型， 使用的紋理， 他們可能在什么動畫幀，以及它們在游戲世界里的位置。 游戲也決定照相機的位置和方向。

　　　　· 游戲把這些信息傳遞給渲染器。以模型為例 ，渲染器首先要查看模型的大小 ，照相機的位置， 然後決定模型在屏幕上是否全部可見， 或者在觀察者 (照相機視野) 的左邊，在觀察者的后面，或距離很遠而不可見。它甚至會使用一些世界測定方式來計算出模型是否是可見的。 (參見下面這條)

　　　　· 世界可視化系統(tǒng)決定照相機在世界中的位置，并根據(jù)照相機視野決定世界的哪些區(qū)域 / 多邊形是可見的。有許多方法可以完成這個任務， 包括把世界分割成許多區(qū)域的暴力方法，每個區(qū)域直接為"我能從區(qū)域 D 看見區(qū)域 AB & C"， 到更精致的 BSP(二叉空間分割)世界。 所有通過這些剔除測試的多邊形被傳遞給多邊形渲染器進行繪制。  

　　　　· 對於每一個被傳遞給渲染器的多邊形， 渲染器依照局部數(shù)學 ( 也就是模型動畫) 和世界數(shù)學(相對于照相機的位置?)對多邊形進行變換，并檢查決定多邊形是不是背對相機 (也就是遠離照相機)。背面的多邊形被丟棄。 非背面的多邊形由渲染器根據(jù)發(fā)現(xiàn)的附近燈光照亮。然后渲染器要看多邊形使用的紋理，并且確定 API/ 圖形卡正在使用那種紋理作為它的渲染基礎。 在這里，多邊形被送到渲染 API，然后再送給顯卡。  

　　很明顯這有些過分簡單化了，但你大概理解了。 下面的圖表摘自Dave Salvator's 3D 管線一文，可以給你多一些具體細節(jié):  

　　3D 管線
　　- 高層的概觀
　　　1. 應用程序/ 場景
　　·場景/ 幾何數(shù)據(jù)庫遍歷
　　·對象的運動，觀察相機的運動和瞄準
　　·對象模型的動畫運動
　　·3D 世界內(nèi)容的描述
　　·對象的可見性檢查，包括可能的遮擋剔除
　　·細節(jié)層次的選擇 (LOD)

　　2. 幾何
　　·變換 (旋轉(zhuǎn)，平移， 縮放)
　　·從模型空間到世界空間的變換 (Direct3D)
　　·從世界空間到觀察空間變換
　　·觀察投影
　　·細節(jié)接受/ 拒絕 剔除
　　·背面剔除 (也可以在后面的屏幕空間中做)
　　光照
　　·透視分割 - 變換到裁剪空間
　　·裁剪
　　·變換到屏幕空間

　　3. 三角形生成
　　·背面剔除 ( 或者在光照計算之前的觀察空間中完成)
　　·斜率/ 角度計算
　　·掃瞄線變換

　　4. 渲染 / 光柵化
　　·著色
　　·紋理
　　·霧
　　·Alpha 透明測試
　　·深度緩沖
　　·抗鋸齒 (可選擇的)
　　·顯示

　　通常你會把所有的多邊形放到一些列表內(nèi)， 然後根據(jù)紋理對這個列表排序(這樣你只需要對顯卡傳送一次紋理， 而不是每個多邊形都傳送一次)， 等等。在過去，會把多邊形按照它們到相機的距離進行排序，首先繪制那些距離相機最遠的多邊形， 但現(xiàn)在由于 Z 緩沖的出現(xiàn)，這種方法就不是那么重要了。 當然那些透明的多邊形要除外，它們要在所有的非半透明多邊形繪制之后才能夠繪制 ，這樣一來，所有在它們后面的多邊形就能正確地在場景中顯現(xiàn)出來。 當然，象那樣，實際上你必須得從后到前地繪制那些多邊形。 但時常在任何給定的 FPS 游戲場景中， 通常沒有太多透明的多邊形。 它可能看起來像有，但實際上與那些不透明的多邊形相比，其比率是相當?shù)偷摹?nbsp; 

　　一旦應用程序?qū)�場景傳遞到 API， API 就能利用硬件加速的變換和光照處理 (T&L)， 這在如今的 3D 顯卡中是很平常的事情。 這里不討論涉及到的矩陣數(shù)學(參見Dave的 3D 管線導論)，幾何變換允許 3D 顯卡按照你的嘗試，根據(jù)相機在任何時間的位置和方向，在世界的正確角度和位置繪制多邊形。  

　　對于每個點或頂點都有大量的計算， 包括裁剪運算，決定任何給定的多邊形實際上是否可見，在屏幕上完全不可見或部分可見。 光照運算，計算紋理色彩明亮程度，這取決于世界的燈光從什么角度如何投射到頂點上。 過去，處理器處理這些計算，但現(xiàn)在，當代圖形硬件就能為你做這些事情， 這意謂著你的處理器可以去做其他的事情了。很明顯這是件好事情 (tm) ，由于不能指望市面上所有的 3D 顯卡板上都有T & L， 所以無論如何你自己將必須寫所有的這些例程 (再一次從游戲開發(fā)者角度來說)。 你將在本文各處的不同段落看到 "好事情 ( tm)" 這個詞匯。 我認為，這些特征為使游戲看起來更好作出了非常有用的貢獻。 毫不令人吃驚，你也將會看見它的對立面；你猜到了，那就是“壞事情 (tm)”。 我正在嘗試爭取這些詞匯的版權(quán)， 你要使用他們就得支付一筆小小的費用喲。


曲面片（高次表面）
　　除了三角形，曲面片的使用現(xiàn)在正變得更普遍。 因為他們能用數(shù)學表達式來描述幾何 ( 通常涉及某種曲線的幾何形體) ，而不僅僅只是列出大量的多邊形以及在游戲世界中的位置， 所以曲面片 ( 高次表面的另一個名稱) 非常好。 這樣，你實際上就能夠動態(tài)地根據(jù)方程式來建立( 和變形 )多邊形網(wǎng)格， 并決定你實際想要從曲面片上看到的多邊形數(shù)量。 因此，舉例來說，你可以描述一個管道， 然后在世界中就可以有這種管道的許多樣例。 在一些房間中， 你已經(jīng)顯示了 10，000個多邊形，你可以說，"因為我們已經(jīng)顯示了大量的多邊形，而且任何更多的多邊形將會使幀速率下降， 所以這個管道應該只有 100 個多邊形"。 但在另外一個房間中， 視野中只有 5，000個可見的多邊形，你可以說，"因為我們還沒有達到預算可以顯示的多邊形數(shù)量 ， 所以，現(xiàn)在這個管道能有 500 個多邊形"。 非常美妙的東西 --但你必須首先知道所有這些，并建立網(wǎng)格，這不是無足輕重的。 通過 AGP 傳送同一個對象的曲面方程確實要比傳送其大量頂點節(jié)省成本。 SOF2 就使用了這個方法的一種變體來建立它的地表系統(tǒng)。

　　事實上現(xiàn)在的 ATI 顯卡具有 TruForm， 它能帶一個以三角形為基礎的模型，并將該模型轉(zhuǎn)換為基于高次表面的模型，使其平滑 — 接著再用十倍三角形數(shù)量把模型轉(zhuǎn)換回基于大量三角形的模型 (被稱為retesselation)。然后模型送往管線做進一步的處理。 實際上 ATI 僅僅在 T & L 引擎之前增加了一個階段來處理這個過程。這里的缺點是，要控制哪些模型需要被平滑處理而哪些又不需要。你常常想要一些邊緣比較尖銳， 比如鼻子，但它卻被不恰當?shù)钠交�過了。 這仍然是一種很好的技術(shù)，而且我能預見它在將來會被更多的應用。  

　　這就是第一部份 -- 我們將會在第二部分繼續(xù)介紹光照和紋理，下面的章節(jié)會更加深入。