Game Engine Architecture 游戏引擎架构

游戏引擎架构 (豆瓣)

第一部分：基础

1 导论

*   典型游戏团队的结构
*   游戏是什么
*   游戏引擎是什么
*   不同游戏类型中的引擎差异
*   游戏引擎概观
*   运行时引擎架构
*   工具及资产管道

游戏是一种软实时（soft real-time）
互动（interactive）基于代理（agent-based）
计算模拟（computer simulation）型计算机应用。

• 街机游戏（arcade game）
• 任天堂的 8 位红白机（Famicom）
• id software 的 id 发音如 kid 的 id，来自 id（本我），ego（自我）与 superego（超我）
• runtime programmer（做游戏）
• tool programmer（做做游戏的辅助工具）
• generalist（通才）
• lead engineer（首席工程师）
• technical director，TD（技术总监）
• chief technical officer（CTO）
• motion capture actor（动画捕捉演员）
• voice actor（配音演员）
• game designer
• first-party developer（第一方开发商），例如顽皮狗是索尼的第一方开发商
• Monopoly（游戏：大富翁）
• massively multiplayer online games，MMOG（大型多人在线游戏）
• interactively temporal simulation（互动时间性模拟）
• interactively real-time simulation（互动实时模拟）
• soft real-time system，不实时只是效果差点，无大碍
• hard real-time system，不实时会导致重大事故，如核电站的控制棒（control rod）系统
• force feedback（力反馈）
• FPS，first person shooter，第一人称射击游戏
• heads-up display（平视显示器）
• hovercraft（气垫船）
• 主角的能力（ability）以及运动模式（locomotion mode）
• non-player character，NPC（非玩家角色）
• Tekken（游戏：铁拳）
• subsurface scattering，SSS（次表面散射）
• brawler，beat 'em up（痛殴他们）
• hash and slash（切和斩）
• oblique top-down view（斜面俯视）
• height field terrian（高度场地形）
• persistent word（持久世界）
• god game（上帝模拟游戏）
• Castle Wolfenstein 3D，1992，德军总部，第一个 FPS 游戏
• 虚幻引擎是强大的原型制作（prototyping）工具和商业游戏平台
• preeptive multitasking（抢占式多任务）
• collision detection（碰撞检测）
• rigid body dynamics（刚体力学）
• low-level renderer（低阶渲染器）
• message pump（消息泵（beng））
• back-face culling（背面剔除）
• frustum cull（平截头体剔除）
• potentially visible set，PVS（潜在可见集）
• 场景图（scene graph）
• decal system（贴花系统）
• full-screen post effect（全屏后期处理效果）
• high dynamic range，HDR（高动态范围）
• bloom（敷霜效果）
• bleech bypass（略过漂白）
• full-motion video，FMV（全动视频）
• in-game cinematics，IGC（游戏内置电影）
• print statement / log 的 verbosity level
• force（力） and torque（力矩）
• skeletal animation（骨骼动画）
• morph target animation（变形目标动画）
• ragdoll（布娃娃）
• game asset，/æsɛt/（游戏资产）
• asset conditioning pipeline（资产调节管道）
• digital content creation，DCC（数字内容创作）

2 专业工具

*   版本控制
*   微软 Visal Studio
*   剖析工具
*   内存泄露和损坏检测
*   其他工具

• translation unit（翻译单元）
• cl /c foo.cpp /Fo foo.obj /Wall /Od /Zi，Od 关掉优化，/Zi 产生调试信息
• F11 step into，F10 step over
• VS wathing window：,d 十进制，,x 十六进制，,6，六个元素
• conditional breakpoint（条件断点）
• Pareto principle（帕累托法则），也叫 80-20 rule，计算机中更常见的是 90-10 rule
• unobtrosive（不唐突）
• hex editor
• three-way merge tool
• difference/diff tool

3 游戏软件的工程基础

*   重温 C++ 及最佳实践
*   C/C++ 的数据、代码及内存
*   捕捉及处理错误

• 只容许从一个单继承层次结构中多重继承一些简单且无父的类，这些类称为嵌入类（mix-in class）
• 尾数（mantissa）/mæn'tɪsə/，指数（exponent），IEEE 浮点数：
  $(-1)^{s}\cdot (1+m)\cdot 2^{e-127}$，|S|-E(8)-|-M(23)-|，
  M 的基底是 1/2, 1/4, 1/8, ...
• SIMD，single instruction multiple data（单指令多数据）

4 游戏所需的三维数学

*   在二维中解决三维问题
*   点和矢量
*   矩阵
*   四元数
*   比较各种旋转表达方式
*   其他数学对象
*   硬件加速的 SIMD 运算
*   产生随机数

• cartesian coordinate system（笛卡尔坐标系）
• cylindrical coordinate system（圆柱坐标系）
• sphericial coordinate system（球坐标系）
• RH，right-handed，LH， left-handed，
  利手（handedness）对叉积有影响
  （视觉化一个叉积时，右手坐标系用右手法则，左手坐标系用左手法则）
• right hand rule（右手法则）
• position vector/radius vector
• $\otimes$ Hadamard product
• Pythagorean theorem（勾股定理），/paɪˌθæɡəˈriən/
• reciprocal（倒数）
• 叉积定义了 positive rotation（正旋）方向
• linear interpolation（线性插值），这个运算常被称作 LERP
• weighted average
• model space / object space / local space
• camera space / view space
• ellipsoid 椭球
• normed division algebra（赋范可除代数）
• 四元数：$q=[q_V q_S]=[\vec a\cdot \sin{\frac{\theta}{2}} \cos{\frac{\theta}{2}}]$
• LERP → SLEPR (spherical linear interpolation)
• gimbal lock（万向节死锁）
• SQT（scale，quaternion，translation）
• point-normal form（点法式）
• AABB（axis-aligend bounding box），$[x_{min}, x_{max}, y_{min}, y_{max}, z_{min}, z_{max}]$
• OOB（oriented bounding box）
• frustum（平截头体）
• multimedia extension，MMX，多媒体扩展
• streaming SIMD extensions，SSE（单指令多数据流扩展）
• 随机数（random number）
  
  • 线性同余产生器（linear congruential generator，LCG）
  • 梅森旋转（mersenne twiter，MT）
  • 所有之母及 Xorshift（mother of all pseudo-random number generator）

第二部分：低阶引擎系统

5 游戏支持系统

*   子系统的启动和终止
*   内存管理
*   容器
*   字符串
*   引擎配置

• 蛮力方法总优于其他方法
• memory access pattern（内存访问模式）
• write-thgouth cache（透写式缓存）
• write-back / copy-back（回写）

6 资源及文件系统

*   文件系统
*   资源管理器

• Modern C++ Design，Loki
• intrusive list（侵入式链表）
• 多字节字符集（multibyte character set，MBCS）
• UTF-16，wide character set（WCS）
• per-use option（个别用户选项）
• volume specifer（卷指示符），path separator（路径分割符）
• current working directory，present working directory

7 游戏循环及实习模拟

*   渲染循环
*   游戏循环
*   游戏循环的架构风格
*   抽象时间线
*   测量及处理时间
*   多处理器的游戏循环
*   网络多人游戏循环

• rectangle invalidation（矩阵失效）
• render loop，game loop
• abstract timeline，real timeline，game timeline
• oscilloscope（示波器）
• frame time，time delta / delta time，frame period
• perceived speed
• frame-rate spike
• frame-rate governing
• vertical blanking interval（垂直消隐区间）
• 1/300s 位时间单位（原理和 60 进制一样）
• 多人架构对于游戏主循环的结构有深远影响

8 人体接口设备（HID）

*   各种人体学接口设备
*   人体学接口设备的接口技术
*   输入类型
*   输出类型
*   游戏引擎的人体学接口设备系统
*   人体学接口设备使用实践

• light emitting diode，LED（发光二极管），['daɪod]
• 震动反馈（rumble）
• button-mapping table（按钮映射表）
• dead zone
• moving average
• grapple（扑捉技）

9 调试及开发工具

*   日志及跟踪
*   调试用的绘图功能
*   游戏内置菜单
*   游戏内置主控台
*   调试用摄像机和游戏暂停
*   作弊
*   屏幕截图和录像
*   游戏内置性能剖析
*   游戏内置的内存统计和泄露检测

• printf 调试法
• playtest 关卡（qia），游戏测试关卡
• sprint（快速跑）
• in-game menu
• invincible（不死）
• in-game profiling tool

第三部分：图形及动画

10 渲染引擎

*   采用深度缓冲的三角形光栅化基础
*   渲染管道
*   高级光照及全局光照
*   视觉效果和覆盖层
*   延伸阅读

• visual property（视觉特性）
• sloving the rendering equation（求解渲染方程），也叫着色方程（shading equation）
• light transport model
• opaque（不透明）
• transparent（透明）
• translucent（半透明）
• piecewise linear approximation（分段线性逼近）
• tessellation（镶嵌）
• 三角化（triangulation）
• level-of-detail，LOD（层次结构）
• dynamic tessellation
• progressive mesh
• winding order（缠绕顺序）
• cache coherency（缓存一致性）
• model-to-world matrix（模型至世界矩阵）
• diffuse（漫反射）
• specular（镜面反射）
• absorb（吸收），反射（reflect），折射（refract），衍射（diffract）
• subsurface scattering，SSS
• anisotropic（各向异性）
• color model，color channel，color format
• bits per pixel，BPP
• RGB888，RGB565
• paletted format
• per-vertex dynamic lighting
• Gourand shading（高氏着色器）
• 各种贴图
  
  • texure map（纹理贴图）
  • emmisive texture map（放射光贴图）
  • diffuse map（漫反射贴图）
  • albedo map（反照率贴图）
  • normal map（法线贴图）
  • gloss map（光泽贴图）
  • environment map（环境贴图）
  • light map（光照贴图）
• texture addressing mode（纹理寻址模式）
  
  • wrap mode（缠绕）
  • mirror mode（镜像）
  • clamp mode（截取）
  • border color mode（边缘颜色）
• texel density（纹素密度）
• mipmapping（多级渐远纹理）
• trilinear filtering（三线性过滤）来混合采样生成新一 level 的 texture map
• Cornell box（康奈尔盒子）
• local illumination model（局部光照模型）
• global illumination model
• ray tracing（光纤追踪）
• radiosity（辐射度算法）
• Phong 氏光照模型，Phone reflection model：
  $$I = k_AA + \sum_i{[k_D(N\cdot L_i)+k_S(R_i\cdot V)^\alpha]C_i}$$
  
  • $k_A$ 环境光因子
  • $k_D$ 漫反射因子
  • $k_S$ 镜面反射因子
  • $C_i$ 光源颜色及强度 $C_i = [C_{R_i} C_{G_i} C_{B_i}]$
• Blinn-Phone 反射模型
• BRDF（bidirectional reflection distrubtion function）
• ambient light（环境光）
• directional light（平行光）
• point light（点光）
• 全向光（omni-directional light）
• spot light（聚光）
• umbra，['ʌmbrə]（本影），penumbra，[pɪ'nʌmbrə]（半影）
  
• perspective foreshortening（透视收缩）
• homogeneous clip space（齐次裁剪空间），通常左手坐标系
• aspect ratio
• 屏幕空间
• triple buffering（三缓冲法）
• depth buffer（深度缓冲），也称 z-buffer（z 缓冲）
• stencil buffer（模板缓冲）
• full-screen antialiasing，FSAA（全屏幕抗锯齿）
• multisample antialiasing，MSAA（多重采样抗锯齿）
• z-fighting
• w-buffer（w 缓冲）
• Unreal Engine 3（虚幻引擎 3）
• visibility determination（可见性判断）
• quadrant（象限）
• binary space partitioning（二元空间分割）
• constructive solid geometry（构造实体几何）
• image-based lighting（基于图像的光照）
  
  • normal map（法线贴图）
  • height map（高度贴图）：parallax mapping（视差贴图法），浮雕贴图（relief mapping）
• spherical environment map, cubic environment map
• 方位角（azimuthal angle）/,æzɪ'mjʊθl/
• 天顶（zenith）/'zɛnɪθ/
• high dynamic range，HDR，可以无失真地同时保留亮区和暗区的细节
• tone mapping（色调映射）
• silhouette edge（阴影体积）/,sɪlu'ɛt/
• shadow map（阴影贴图）
• shadow volume（阴影体积）
• ambient occlusion（环境遮挡）
• contact shadow（接触阴影）
• caustics（焦散）
• geometry buffer（几何缓冲，G-buffer）
• sky dome（天空穹顶），sky box（天空盒）
• cathode ray tube，CRT（阴极射线管）
• depth-of-field blur（景深模糊）
• vignette（晕影）

Normal map（法线贴图），Advances in Real-Time Rendering in 3D Graphics and Games - SIGGRAPH 2010
下 CryENGINE 3: Reaching the Speed of Light 介绍了其编码。

11 动画系统

*   角色动画的类型
*   骨骼
*   姿势
*   动画片段
*   蒙皮及生成矩阵调色板
*   动画混合
*   后期处理
*   压缩技术
*   动画系统架构
*   动画管道
*   动作状态机
*   动画控制器

• cel animation（赛璐璐动画）
• sprite animation（精灵动画）
• rigid hierarchical animation（刚性层阶式动画）
  
  • pelvis（盆骨）
  • torso（躯体）
  • upper arm（上臂/胳臂（bei））
  • lower arm（下臂/手臂）
  • upper leg（大腿）
  • lower leg（小腿）
  • hand（手）
  • feet（脚部）
  • head（头部）
• morph target animation（变形目标动画）
• facial animation（面部动画）
• skinned animation（蒙皮动画）
• pivotal movement（轴转移动）
• targeted movement（靶向移动）
• one-dimentional LERP blending（一维线性插值混合）
• $P_{LERP} = \alpha P_0 + \beta P_1 + (1-\alpha -\beta)P_2$
• delaunay triangulation（Delaunay 三角分割）
• partial-skeleton blending（骨骼分部混合）
• blend mask（混合遮罩）
• inverse kinematics，IK（逆运动学）
• forward kinematics，FK（正向运动学）
• end effector（末端受动器）
• action state machine（动作状态机）
• animation state machine（动画状态机）

12 碰撞及刚体力学

*   你想在x游戏中加入物理吗
*   碰撞/物理中间件
*   碰撞检测系统
*   刚体动力学
*   整合物理引擎至游戏
*   展望：高级物理功能

• je ne sais quoi（难以言喻的特质）
• trigger volume（触发体积）
• buoyancy（水面模拟及浮力）/'bɔɪənsi/
• collision representation（碰撞表达形式）
• gameplay representation（游戏性表达形式）
• visual representation（视觉表达形式）
• convex（凸），non-convex / concave（凹）
• collision primitive（碰撞原型）
• capsule（胶囊体）
• swept sphere（扫掠球体）
• cuboid（长方体）
• polytope（多胞形）
• discrete oriented polytope，DOP（离散定向多胞体），k-DOP 是任意 k 个平面所构成的形状
• arbitrary convex volume（任意凸体积）
• polygon soul，poly soup（多边形汤），多用于静态表面建模，如地形和建筑
• compound shape（复合形状）
• analytical geometry（解析几何）
• separating axis theorem（分离轴定理）
• CJK
  
  • Christer Ericson 的 SIGGRAPH 演示 PPT
  • Casey Muratori Implementing GJK — 2006
• Minkowski difference（闵可夫斯基差）
• simplex（单纯体）
• bullet through paper，tunneling（隧穿）
• continuous collision detection，CCD（连续碰撞检测）
• time of impact（冲击时间）
• broad phase，midphase，narrow phase
• sweep and prune（扫掠裁剪）
• rigid body dynamics 教参：Rigid Body Dynamics - Chris Hecker's Website
• MKS 单位系统，m：meter，k：kilogram，s：second
• center of mass，CM/COM（质心）
• centroid（几何中心）
• linear momentum（线性动量）
• stiffness（刚度）
• mechnical viscous damper（减震器）
• angular dynamics（旋转动力学）
• moment of inertia（转动惯量）
• Gaffer on Games | Game Physics
• David Baraff： An Introduction to Physically Based Modeling
• inertia tensor（惯性张量）
• product of inertia（惯量积）
• Newton's law of restitution for instanteous collisions with no friction（无摩擦力下瞬时碰撞的牛顿恢复定律）
• coefficient of restitution（恢复系数）
• perfectly elastic（完全弹性）
• perfectly plastic（完全塑性）
• point-to-point constraint（点对点约束）
• stiff spring constraint（刚性弹簧约束）
• hinge constraint（铰链约束）
• prismatic constraint（滑移铰约束）
• pulley（滑轮）
• procedural animation（程序式动画）
• contraint solver（约束求解程序）

第四部分：游戏性

13 游戏性系统简介

*   剖析游戏世界
*   实现动态元素：游戏对象
*   数据驱动游戏引擎
*   游戏世界编辑器

• world chunk（world chunk）
• level（关卡）
• map（地图）
• state（舞台）
• area（地区）
• cut-scene（过场动画）
• in-game cinematics
• noninteractive sequence，NIS（非交互连续镜头）
• full-motion video，FMV
• game object（GO，游戏对象），entity，agent，actor
• particle emitter（粒子发射器）
• spline（样条）

14 运行时系统性基础系统

*   游戏性基础系统的组件
*   各种运行时对象模型架构
*   世界组块的数据格式
*   游戏世界的加载和串流
*   对象引用与世界查询
*   实时更新游戏对象
*   时间与消息泵
*   脚本
*   高层次的游戏流程

• load-and-stay-resident，LSR（载入并驻留）
• imperative（命令式）语言
• declarative（声明式）语言
• functional（函数式）语言
• procedural（过程式）与 object-oriented（面向对象）语言
• reflective（反射式）语言

总结

15 还有更多内容吗

*   一些未谈及的引擎系统
*   游戏性系统

• 音频再次牺牲……（据说本书第二版有）