第一章 导论
游戏引擎的技术
- 低阶基础系统（low-level foundation system）
- 渲染引擎（rendering engine）
- 碰撞系统（collision system）
- 物理模拟（physics simulation）
- 人物动画（character animation）
- 游戏性基础层（gameplay foundation layer）
- 游戏对象模型（game object model）
- 世界编辑器（world editor）
- 事件系统（event system）
- 脚本系统（scripting system）
游戏性编程（gameplay programming）
- 玩家机制（player mechanics）
- 摄像机（camera）
- 人工智能（artificial intelligence, AI）
1. 典型游戏团队的结构
游戏工作室（game studio）通常包含5个专业领域的人员
工程师（engineer）
- 运行时程序员（runtime programmer）
- 工具程序员（tool programmer）
领导角色：lead engineer、technical director, TD、chief technical officer, CTO
艺术家（artist）
- 概念艺术家（concept artist）
- 三维建模师（3D modeler）
- 前景建模师（foreground modeler）：其中包含负责人物建模的角色建模师（character modeler）或称为角色艺术家（character artist）
- 背景建模师（background modeler）：又叫关卡建模师（level modeler）、环境建模师（environment modeler）或关卡美术设计师（level artist）
- 纹理艺术家（texture artist）
- 灯光师（lighting artist）
- 动画师（animator）
- 动画捕捉演员（motion capture actor）
- 音效设计师（sound designer）
- 配音演员（voice actor）
- 作曲家（composer）
领导角色：艺术总监（art director）
游戏设计师（game desinger）
关卡设计师（level designer）、作家（writer）
领导角色：游戏总监（game director）
制作人（producer）
其他管理/支持人员（市场策划、法律、信息科技/技术支持、行政等）
2. 游戏是什么
电子游戏作为软实时模拟
软实时（soft real-time）互动（interactive）基于代理（agent-based）计算机模拟（computer simulation）
建模（model）：近似化（approximation）、简化（simplification）
基于代理
时间性模拟（temporal simulation）：动态的（dynamic）、互动时间性模拟（interactive temporal simulation）、互动实时模拟（interactive real-time simulation）
时限（deadline）
软实时系统（soft real-time system）
3. 游戏引擎是什么
没有工作室可以完美地划分游戏和引擎。因为随着游戏设计的逐渐成形，这两个组件的定义会经常转移。
数据驱动架构（data-driven architecture）或许可以用来分辨一个软件的哪些部分是引擎，哪些部分是游戏。
大部分游戏引擎是针对特定游戏及特定硬件平台精心制作及微调的。因为设计高效的软件需要取舍，而这些取舍是基于一些假设的。
4. 运行时引擎架构
(1) 目标硬件
(2) 设备驱动程序
(3) 操作系统
(4) 第三方软件开发包和中间件
- 数据结构及算法
- 图形
- 碰撞和物理
- 角色动画
- 人工智能
- 生物力学角色模型
(5) 平台独立层
(6) 核心系统
核心系统层的一些常见功能：
- 断言（assertion）
- 内存管理
- 数学库：提供矢量（vector）、矩阵（matrix）、四元数（quaternion）旋转、三角学（trigonometry）、直线/光线/球体/平截头体（frustum）等的几何操作、样条线（spline）操作、数值积分（numerical integration）、解方程组等
- 自定义数据结构及算法：基础数据结构（链表、动态数组、二叉树、散列表等）以及算法（搜寻、排序等）。
(7) 资源管理
(8) 渲染引擎
最大及最复杂的组件之一。通常采用分层架构（layered architecture）。
a. 低阶渲染器（low-level renderer）
着重于高速渲染丰富的几何图元（geometric primitive）集合。
低阶渲染器通常提供视区（viewport）抽象，每个视区结合了摄像机至世界矩阵（camera-to-world matrix），三维投影参数如视野（field of view）、近远剪切平面（near/far clipping plane）的位置等。
低阶渲染器也使用**材质系统（material system）及动态光照系统（dynamic lighting system）**去管理图形硬件的状态和游戏的着色器（shader）。
- 材质：描述当渲染图元时，该使用什么纹理（texture），设置什么设备状态，并选择哪一对顶点着色器（vertex shader）和像素着色器（pixel shader）。
- 光源：决定如何应用动态光照计算于图元上。
i. 图形设备接口（graphics device interface）
ii. 其他渲染器组件
收集须提交的几何图元（geometric primitive，又称为渲染包/render packet），包括：网格（mesh）、线表（line list）、点表（point list）、粒子（particle）、地形块（terrain patch）、字符串等。
b. 场景图/剔除优化
基于某些可视性判别算法去限制提交的图元数量。
低阶渲染器不太考虑图形是否确实可见（除了背面剔除（back-face culling）和摄像机平截头体的剪切平面）。
非常小的游戏世界可能只需要平截头体剔除（frustum cull）算法。比较大大的游戏世界需要较高阶的**空间细分（spatial subdivision）**数据结构，这种数据结构可以快速判别潜在可见集（potentially visible set, PVS），令渲染更有效率。
- 二元空间分割树（binary space partitioning, BSP tree）
- 四叉树（quadtree）
- 八叉树（octree）
- kd树
- 包围球树（bounding sphere tree）
- ……
空间分割又是称为场景图（scene graph），尽管技术上这是另一种数据结构，并不归入空间分割。渲染引擎软件层也可应用入口（portal）及遮挡剔除（occlusion culling）等方法。
c. 视觉效果
包括：
- 粒子系统（particle system），用作烟、火、水花等。
- 贴花系统（decal system），用作弹孔、脚印等。
- 光照贴图（light mapping）及环境贴图（environment mapping）。
- 动态阴影（dynamic shadow）。
- 全屏后期处理效果（full-screen post effect），在渲染三维场景至屏外缓冲（off-screen）后使用。
- 高动态范围（high dynamic range, HDR）光照及敷霜效果（bloom）。
- 全屏抗锯齿（full-screen anti-aliasing, FSAA）
- 颜色校正（color correction）及颜色偏移（color-shift）效果，包括略过漂白（bleach bypass）、饱和度（saturation）、去饱和度（desaturation）等。
游戏引擎常有效果系统组件，专门负责管理粒子、贴花、其他视觉效果的渲染需要。粒子和贴花通常是渲染引擎的读出组件，并作为低阶渲染器的输入端。
渲染引擎通常在内部处理光照贴图、环境贴图、阴影。
全屏后期效果可以在渲染器内实现，或在运行于渲染器输出缓冲的独立组件内实现。
d. 前端
大多数游戏为了不同目的，都会使用一些二维图形去覆盖三维场景。这些目的包括：
- 游戏内的平视显示器（heads-up display, HUD）
- 游戏内置菜单、主控台、其他开发工具（可能不随最终产品一起发行）。
- 游戏内置图形用户界面（graphic user interface, GUI）
这类二维图形通常会用附有纹理的四边形（quad）（一对三角形）结合正射投影（orthographic projection）来渲染。另一种方法是用完全三维的四边形公告板（billboard）渲染，这些公告板能一直面向摄像机。
**全动视频（full-motion video, FMV）**系统，该系统负责播放之前录制的全屏幕电影。
**游戏内置电影（in-game cinematics, IGC）**系统，该组件可以在游戏本身以三维形式渲染电影情节。
(9) 剖析和调试工具
游戏工程师经常要剖析游戏性能，以便优化。内存资源容易短缺，开发者也要大量使用内存分析工具（memory analysis tool）。
包括剖析工具和游戏内置调试功能。
调试功能包括：调试用绘图、游戏内置菜单、主控台，以及能够录制及回放游戏过程的功能。
(10) 碰撞和物理
碰撞检测（collision detection）
刚体动力学模拟（rigid body dynamics）
一些游戏包含真实或半真实的动力学模拟（dynamics simulation），这在游戏业界里称为“物理系统（physics system）”，比较正确的术语是刚体动力学模拟，因为游戏中通常只考虑刚体的运动（motion），以及产生的力（force）和力矩（torque）。研究运动的物理学分支是运动学（kinematics），而研究力和力矩是动力学（dynamics）。
碰撞和物理系统一般是紧密联系的。因为碰撞发生时，碰撞几乎总是由物理积分及约束满足（constraint satisfaction）逻辑来解决的。
引擎通常使用第三方的物理SDK。
(11) 动画
游戏会用到5种基本动画：
- 精灵/纹理动画（sprite/texture animation）
- 刚体层次结构动画（rigid body hierarchy animation）
- 骨骼动画（skeleton animation）
- 每顶点动画（per-vertex animation）
- 变形目标动画（morph target animation）
现今游戏中，骨骼动画是最盛行的动画方式。典型的骨骼动画系统：
| 动画状态树及层 | 反向动力学（IK） | 游戏专用的后期处理 |
| 线性插值及加法混合 | 动画播放 | 子骨骼动画 |
| 动画解压 |
骨骼网格渲染组件是连接渲染器和动画系统的桥梁。动画系统生成骨骼中所有骨头的姿势，这些姿势以矩阵调色板（matrix palette）形式传至渲染引擎。之后渲染器利用矩阵表去转换顶点，每个顶点用一个或多个矩阵生成最终混合顶点位置。此过程称为蒙皮（skinning）。
当使用**布娃娃（ragdoll）**时，动画和物理系统便产生紧密耦合。布娃娃是无力的（经常是死了的）角色，其运动完全由物理系统模拟。物理系统把布娃娃当作受约束的刚体系统，用模拟来决定身体每部分的位置及方向。动画系统计算渲染引擎所需的矩阵表，用来在屏幕上绘画角色。
(12) 人体学接口设备
游戏的玩家输入来自多个人体学接口设备（human interface device, HID），如：
- 键盘和鼠标
- 游戏手柄（joypad）
- 其他专用游戏控制器
该组件有时称作**玩家输入/输出（player I/O）**组件，因为有些人体学接口设备也提供输出功能，如力反馈/震动、音频输出等。
HID引擎从硬件取得原始数据，为每个摇杆（stick）设置环绕中心点的死区（dead zone），去除按钮抖动（de-bounce），检测按下和释放按钮事件，演绎加速计（accelerometer）的输入并使其平滑等。HID引擎通常容许玩家调整输入配置。HID引擎也可能包含一个系统，负责检测弦（chord）（即数个按钮一起按下）、序列（sequence）（即按钮在时限内顺序按下）、手势（gesture）（即按钮、摇杆、加速计等输入的序列）。
(13) 音频
游戏引擎的音频和图形同样重要。
音频引擎的功能差异很大。
(14) 在线多人/网络
多人游戏最少有4种基本形式
- 单屏多人（single-screen multiplayer）
- 切割屏多人（split-screen multiplayer）
- 网络多人（networked multiplayer）
- 大型多人在线游戏（massively multiplayer online game, MMOG）
多人网络层：
- 安排比赛及游戏管理
- 对象管辖权策略
- 游戏状态复制
支持多人游戏会深切影响某几个游戏引擎组件的设计。游戏世界对象模型、人体学接口设备、玩家控制系统、动画系统等都会收到影响。
(15) 游戏性基础系统
**游戏性（gameplay）**是指：游戏内进行的活动、支配游戏虚拟世界的规则（rule）、玩家角色的能力（也称为玩家机制/player mechanics）、其他角色和对象的能力、玩家的长短期目标（goal and objective）。游戏性通常用两种编程语言实现，除了用引擎其余部分使用的原生语言，也可用高阶脚本语言，又或者两者皆用。
为了连接低阶的引擎子系统和游戏性代码，多数游戏引擎会引入一个软件层，笔者称之为游戏性基础层（gameplay foundation layer）。该软件层提供一组功能，以方便实现其上的游戏专有逻辑。
a. 游戏世界和游戏对象模型
游戏世界含动态及静态元素。游戏世界的内容通常用面向对象方式构建（多数使用面向对象语言）。组成游戏的对象类型集合，称为游戏对象模型（game object model）。游戏对象模型为虚拟游戏世界里的各种对象集合提供实时模拟。
典型的游戏对象集合：
- 静态背景几何物体，如建筑、道路、地形（常为特例）等。
- 动态刚体，如石头、饮料罐、椅子等。
- 玩家角色（player character, PC）。
- 非玩家角色（non-player character, NPC）。
- 武器。
- 抛射物（projectile）。
- 载具（vehicle）。
- 光源（可在运行时用于动态场景，也可离线用于静态场景）。
- 摄像机。
游戏对象模型与**软件对象模型（software object model）**紧密结合。软件对象模型是指，用于实现面向对象软件的一组语言特征、原则（policy）、惯例（convention）。
b. 事件系统
事件驱动架构（event-driven architecture）常用于典型图形用户界面，也常用于对象间通信。
c. 脚本系统
使游戏独有游戏性的规则和内容，能更易、更快地开发。
d. 人工智能基础
一般而言，人工智能（artificial intelligence, AI）一直是为个别游戏专门开发的软件，一般不隶属于游戏引擎。但近期游戏开发商找到一些差不多每个AI系统都共有的模式，使这些基础部分逐渐进入游戏引擎的范畴。
(16) 个别游戏专用子系统
5. 工具及资产管道
游戏引擎需要读取大量数据，包括游戏资产（game asset）、配置文件、脚本等。
(1) 数字内容创作工具
美术人员使用数字内容创作（digital content creation DCC）应用软件制作。
(2) 资产调节管道
DCC应用所使用的数据格式，鲜有适合直接用于游戏中的，主因有二：
- DCC软件在内存中的数据模型，通常比游戏所需的复杂很多。游戏引擎通常只需这些信息的一小部分就能在游戏中渲染模型。
- 在游戏中读取DCC软件格式的文件，其速度通常过慢。有些格式更是不公开的专有格式。
因此，通常需要导出为更容易读取的标准格式或自定义格式，以便在游戏中使用。
当数据自DCC软件导出后，有时必须再处理，才能放在游戏引擎里使用。
从DCC到游戏引擎的管道，有时称为资产调节管道（asset conditioning pipeline）。每个引擎都有某种形式的资产调节管道。
(3) 三维模型/网格数据
游戏中可见的几何图形，通常由两种数据组成。
a. 笔刷几何图形
笔刷几何图形（brush geometry）由凸包（convex hull）几何定义，每个凸包则由多个平面定义。笔刷通常直接在游戏世界编辑器中创建及修改。
其优点为：
- 制作迅速简单。
- 便于游戏设计师用来建立粗略关卡，制作原型。
- 既可以用作碰撞体积（collision volume），又可用作可渲染几何图形。
其缺点为：
- 分辨率低，难以制作复杂图形。
- 不能支持有关节的（articulated）物体或运动的角色。
b. 三维模型（网格）
对于细致的场景元素而言，三维模型（3D model，也称为网格/mesh）优于笔刷几何图形。
网格是复杂的图形，由三角形和顶点（vertex）组成。网格也可以由四边形和高次细分曲面（higher order subdivision surface）建立。但现时的图形硬件，几乎都是专门为渲染光栅化三角形而设计的，渲染前须把所有图形转换为三角形。每个网格通常使用一个或多个材质（material），以定义其视觉上的表面特性，如颜色、反射度（reflectivity）、凹凸程度（bumpiness）、漫反射纹理（diffuse texture）等。
网格通常在三维建模软件里制作。我们必须编写导出器（exporter）才能从DCC工具获取数据并储存为引擎可读的格式。
(4) 骨骼动画数据
骨骼网格（skeletal mesh）是一种特殊网格，为关节动画而绑定到骨骼层次结构（skeletal hierarchy）之上。骨骼网格在看不见的骨骼上形成皮肤，因此，骨骼网格有时候又称为皮肤（skin）。骨骼网格的每个顶点包含一组关节索引（joint index），表明顶点绑定到骨骼上的哪些关节。每个顶点也包含一组关节权重（joint weight），决定每个关节对该顶点的影响程度。
游戏引擎需要3种数据去渲染骨骼网格。
- 网格本身。
- 骨骼层级结构，包含关节名字、父子关系、当网格绑定到骨骼时的姿势（bind pose）。
- 一个至多个动画片段（animation clip），指定关节如何随时间而动。
网格和骨骼通常由DCC软件导出成单个数据文件。可是，如果多个网格都绑定到同一个骨骼，那么骨骼最好导出成独立的文件。而动画通常是分别导出，特定时刻可只载入需要的动画到内存。然而，有些引擎支持导出动画库（animation bank）至单个文件，有些引擎更把网格、骨骼、动画全部放到一个庞大的文件里。
未优化的骨骼动画是由以每秒30帧的频率，对骨骼中每个关节采样（sample），记录成4×3矩阵。因此，动画数据生来就是内存密集的，通常会用高度的压缩的格式储存。
(5) 音频数据
音频片段（audio clip）有不同的格式和采样率（sampling rate）。音频文件可为单声道（mono）、立体声（stereo）、5.1、7.1或其他多声道配置（multichannel configuration）。音频文件通常组织成音频库（audio bank），以方便管理、容易载入及串流。
(6) 粒子系统数据
当今游戏采用复杂的粒子效果（particle effect），粒子效果由视觉特效的专门设计师制作。多数引擎有自制的粒子效果编辑工具，只提供引擎支持的效果。
(7) 游戏世界数据及世界编辑器
游戏引擎的所有内容都集合在游戏世界。不少商用游戏引擎提供优良的世界编辑器。
(8) 一些构建工具的方法
可以用不同方式去构建游戏引擎工具套装。一些工具可能是独立的软件，一些工具可能构建在运行时引擎使用的低阶软件层之上，一些工具可能嵌入游戏本身。