ipod
发表于 2007-8-18 13:37:00
游戏引擎剖析（全书完结，如果各位觉得好就鼓下掌）
<strong><font color="#0000ff"><font size="4">觉得一下子发完估计没多少人会看，最多就是收藏起来留着以后随便翻一下而已。所以每天更新的方式。本书出略介绍了引擎的构成及运作原理，适合想步入游戏业和初学者使用，如果觉得这书确实有学习的地方，我会以后继续更新知道完毕，否则也就不再浪费大家宝贵的时间了。<br/><br/></font>从这里开始吧，12.13号<br/><br/></font><font size="6">游戏引擎剖析</font></strong><br/><br/><b>有关作者</b><br/> Jake Simpson 是一个游戏程序员，断断续续在这个行业已经有大约20 年了。他在英国本土从15岁开始，在C64的时代，Sinclair Spectrums和 BBC Micros，经历了 Amiga 和ST，离开了一段时间，然后90年代中期至后期在Mideay Games写街机游戏。他最近在Raven Software工作过，制作有Soldier of Fortune， Heretic， Hexen， Star Trek : Voyager : Elite force 和 Jedi Knight II : Outcast，在北加州的Maxis可以找到他，为Will Wright的游戏产品工作。业余时间他为GameBoy Color和Advance编写代码，因为“你能尽可能地远离C++编码，而且，如同John Carmack所说，底层编程对程序员的灵魂有好处”。<br/><br/><br/><font color="#ff0000">第1部分: 游戏引擎介绍， 渲染和构造3D世界</font><br/><br/><br/><b>介绍</b><br/> 自Doom游戏时代以来我们已经走了很远。 DOOM不只是一款伟大的游戏，它同时也开创了一种新的游戏编程模式: 游戏 "引擎"。 这种模块化，可伸缩和扩展的设计观念可以让游戏玩家和程序设计者深入到游戏核心，用新的模型，场景和声音创造新的游戏， 或向已有的游戏素材中添加新的东西。大量的新游戏根据已经存在的游戏引擎开发出来，而大多数都以ID公司的Quake引擎为基础， 这些游戏包括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。事实上， "游戏引擎" 已经成为游戏玩家之间交流的标准用语，但是究竟引擎止于何处，而游戏又从哪里开始呢?像素的渲染，声音的播放，怪物的思考以及游戏事件的触发，游戏中所有这一切的幕后又是什么呢？ 如果你曾经思考过这些问题， 而且想要知道更多驱动游戏进行的东西，那么这篇文章正好可以告诉你这些。 本文分多个部分深入剖析了游戏引擎的内核， 特别是Quake引擎，因为我最近工作的公司Raven Software已经在Quake引擎的基础上开发出了多款游戏，其中包括著名的Soldier of Fortune 。 <br/><br/><br/><b>开始</b><br/> 让我们首先来看看一个游戏引擎和游戏本身之间的主要区别。 许多人们会混淆游戏引擎和整个游戏 。这有点像把一个汽车发动机和整个汽车混淆起来一样 。 你能够从汽车里面取出发动机， 建造另外一个外壳，再使用发动机一次。 游戏也像那。 游戏引擎被定义为所有的非游戏特有的技术。 游戏部份是被称为 '资产' 的所有内容 (模型，动画，声音，人工智能和物理学)和为了使游戏运行或者控制如何运行而特别需要的程序代码， 比如说AI--人工智能。 <br/><br/> 对于曾经看过 Quake 游戏结构的人来说， 游戏引擎就是 Quake。exe ，而游戏部分则是 QAGame。dll 和 CGame。dll 。 如果你不知道这是什么意思， 也没有什么关系；在有人向我解释它以前， 我也不知道是什么意思。 但是你将会完全明白它的意思。 这篇游戏引擎指导分为十一个部份。 是的， 从数量上来说，总共是十一个部份! 每个部分大概3000字左右。现在就从第一部分开始我们的探索吧，深入我们所玩游戏的内核，在这里我们将了解一些基本的东西， 为后面的章节作铺垫。。。<br/><br/><br/><b>渲染器</b><br/> 让我们从渲染器来开始游戏引擎设计的探讨吧， 我们将从游戏开发者(本文作者的背景)的角度来探讨这些问题。事实上，在本文的各个段落，我们将常常从游戏开发者的角度探讨， 也让您像我们一样思考问题! <br/><br/> 什么是渲染器，为什么它又这么重要呢？好吧，如果没有它，你将什么也看不到。它让游戏场景可视化，让玩家/观众可以看见场景，从而让玩家能够根据屏幕上所看到的东西作出适当的决断。 尽管我们下面的探讨可能让新手感到有些恐惧，先别去理会它。 渲染器做些什么？为什么它是必须的？我们将会解释这些重要问题。 <br/><br/> 当构造一个游戏引擎的时候， 你通常想做的第一件事情就是建造渲染器。 因为如果看不见任何东西 <font color="#bbbbbb"><br/></font>
ipod
发表于 2007-8-18 13:38:00
<strong>基本的图形管线流程<br/><br/><br/></strong> 一个简单的例子，从游戏到多边形绘制的图形管线过程大致是这样:<br/> ・ 游戏决定在游戏中有哪些对象， 它们的模型， 使用的纹理， 他们可能在什么动画 <font color="#c0c0c0"><br/></font>
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发表于 2007-8-18 13:38:00
<strong>建造3D世界<br/></strong> 最近，当我和一位从事计算机图形方面工作长达数年之久的人会谈时，她向我吐露道， 当她第一次看到实时操纵计算机 3D 图象时， 她不知道这是怎么实现的， 也不知道计算机如何能够存储 3D 图象。 今天这对于在大街上的普通人来说或许是真实的，即使他们时常玩 PC 游戏， 游戏机游戏， 或街机游戏。<br/><br/> 下面我们将从游戏设计者的角度讨论创造 3D 世界的一些细节，你也应该看一看 Dave Salvator 所写的“3D 管线导论“，以便对3D 图象生成的主要过程有一个整体的了解。<br/><br/> 3D 物体（对象）被储存成 3D 世界中的一系列点(被称为顶点)， 彼此之间有相互关系，所以计算机知道如何在世界中的这些点之间画线或者是填充表面。 一个立方体由8个点组成，每个角一个点。立方体有6个表面， 分别代表它的每一个面。 这就是 3D 对象储存的基础。 对于一些比较复杂的 3D 物体， 比如说一个 Quake 的关卡，将有数以千计(有时数以十万计)的顶点， 和数以千计的多边形表面。 <br/><br/> 参见上图的线框表示（注：原文在这里有一幅图）。 本质上与上面的立方体例子类似， 它仅仅是由许许多多的小多边形组成的一些复杂场景。模型和世界如何储存是渲染器的一部份功能， 而不属于应用程序/游戏部份。 游戏逻辑不需要知道对象在 <font color="#c0c0c0"><br/></font>
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发表于 2007-8-18 13:38:00
<strong>基本的剔除方法<br/><br/></strong> 最简单的剔除方式就是把世界分成区域， 每个区域有一个其他可见区域的列表。 那样， 你只需要显示针对任何给定点的可见部分。 如何生成可见视野区域的列表是技巧所在。 再者， 有许多方法可以用来生成可见区域列表， 如 BSP 树， 窥孔等等。 <br/><br/> 可以肯定，当谈论 DOOM 或 QUAKE 时，你已经听到过使用 BSP 这个术语了。 它表示二叉空间分割。 <br/><br/> BSP 是一种将世界分成小区域的的方法，通过组织世界的多边形，容易确定哪些区域是可见的而哪些是不可见的 <font color="#bbbbbb"><br/></font>
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发表于 2007-8-18 13:38:00
<strong>曲面片（高次表面）<br/><br/><br/></strong> 除了三角形，曲面片的使用现在正变得更普遍。 因为他们能用数学表达式来描述几何 ( 通常涉及某种曲线的几何形体) ，而不仅仅只是列出大量的多边形以及在游戏世界中的位置， 所以曲面片 ( 高次表面的另一个名称) 非常好。 这样，你实际上就能够动态地根据方程式来建立( 和变形 )多边形网格， 并决定你实际想要从曲面片上看到的多边形数量。 因此，举例来说，你可以描述一个管道， 然后在世界中就可以有这种管道的许多样例。 在一些房间中， 你已经显示了 10，000个多边形，你可以说，"因为我们已经显示了大量的多边形，而且任何更多的多边形将会使 <font color="#bbbbbb"><br/></font>
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发表于 2007-8-18 13:39:00
<font color="#ff0000">第2部份: 3D环境的光照和纹理<br/><br/><br/></font><b>世界的灯光</b><br/><br/><br/> 在变换过程中， 通常是在称为观察空间的坐标空间中， 我们遇到了最重要的运算之一: 光照计算。 它是一种这样的事情， 当它工作时，你不关注它，但当它不工作时， 你就非常关注它了。有很多不同的光照方法，从简单的计算多边形对于灯光的朝向，并根据灯光到多边形的方向和距离加上灯光颜色的百分比值，一直到产生边缘平滑的灯光贴图叠加基本纹理。而且一些 API 实际上提供预先建造的光照方法。举例来说，OpenGL 提供了每多边形，每顶点，和每像素的光照计算。 <br/><br/> 在顶点光照中，你要决定一个顶点被多少个多边形共享，并计算出共享该顶点的所有多边形法向量的均值（称为法向量），并将该法向量赋顶点。一个给定多边形的每个顶点会有不同的法向量，所以你需要渐变或插值多边形顶点的光照颜色以便得到平滑的光照效果。 你没有必要用这种光照方式查看每个单独的多边形。 这种方式的优点是时常可以使用硬件转换与光照（T & L）来帮助快速完成。 不足之处是它不能产生阴影。 举例来说，即使灯光是在模型的右侧，左手臂应该在被身体投影的阴影中，而实际上模型的双臂却以同样的方式被照明了。<br/><br/> 这些简单的方法使用着色来达到它们的目标。 当用平面光照绘制一个多边形时， 你让渲染（绘制）引擎把整个多边形都着上一种指定的颜色。这叫做平面着色光照。 (该方法中，多边形均对应一个光强度，表面上所有点都用相同的强度值显示，渲染绘制时得到一种平面效果，多边形的边缘不能精确的显示出来) 。<br/><br/> 对于顶点着色 ( Gouraud 着色) ，你让渲染引擎给每个顶点赋予特定的颜色。 在绘制多边形上各点投影所对应的像素时，根据它们与各顶点的距离，对这些顶点的颜色进行插值计算。 (实际上Quake III 模型使用的就是这种方法， 效果好的令人惊奇)。 <br/><br/> 还有就是 Phong 着色。如同 Gouraud 着色，通过纹理工作，但不对每个顶点颜色进行插值决定像素颜色值， 它对每个顶点的法向量进行插值，会为每个顶点投影的像素做相同的工作。对于 Gouraud 着色，你需要知道哪些光投射在每个顶点上。对于 Phong 着色，你对每个像素也要知道这么多。 <br/><br/> 一点也不令人惊讶， Phong 着色可以得到更加平滑的效果，因为每个像素都需要进行光照计算，其绘制非常耗费时间。平面光照处理方法很快速， 但比较粗糙。Phong 着色比 Gouraud 着色计算更昂贵，但效果最好，可以达到镜面高光效果("高亮" )。 这些都需要你在游戏开发中折衷权衡。<br/>
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发表于 2007-8-18 13:39:00
<strong>纹理与MIP映射<br/></strong> 纹理在使3D场景看起来真实方面异常重要，它们是你应用到场景区域或对象的一些分解成多边形的小图片。多重纹理耗费大量的内存，有不同的技术来帮助管理它们的尺寸大小。纹理压缩是在保持图片信息的情况下，让纹理数据更小的一种方法。纹理压缩占用较少的游戏CD空间，更重要的是，占用较少内存和3D 显卡存储空间。另外，在你第一次要求显卡显示纹理的时候，压缩的(较小的) 版本经过 AGP 接口从 PC 主存送到3D 显卡， 会更快一些。纹理压缩是件好事情。 在下面我们将会更多的讨论纹理压缩。 <br/><br/><br/><b>MIP 映射（多纹理映射）</b><br/> 游戏引擎用来减少纹理内存和带宽需求的另外一个技术就是 MIP 映射。 MIP 映射技术通过预先处理纹理，产生它的多个拷贝纹理，每个相继的拷贝是上一个拷贝的一半大小。为什么要这样做?要回答这个问题，你需要了解 3D 显卡是如何显示纹理的。最坏情况，你选择一个纹理，贴到一个多边形上，然后输出到屏幕。我们说这是一对一的关系，最初纹理映射图的一个纹素 (纹理元素) 对应到纹理映射对象多边形的一个像素。如果你显示的多边形被缩小一半，纹理的纹素就每间隔一个被显示。这样通常没有什么问题 -- 但在某些情况下会导致一些视觉上的怪异现象。让我们看看砖块墙壁。 假设最初的纹理是一面砖墙，有许多砖块，砖块之间的泥浆宽度只有一个像素。如果你把多边形缩小一半， 纹素只是每间隔一个被应用，这时候，所有的泥浆会突然消失，因为它们被缩掉了。你只会看到一些奇怪的图像。 <br/><br/> 使用 MIP 映射，你可以在显示卡应用纹理之前，自己缩放图像，因为可以预先处理纹理，你做得更好一些，让泥浆不被缩掉。当 3D 显卡用纹理绘制多边形时，它检测到缩放因子，说，"你知道，我要使用小一些的纹理，而不是缩小最大的纹理，这样看起来会更好一些。" 在这里， MIP 映射为了一切，一切也为了 MIP 映射。<br/>
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发表于 2007-8-18 13:39:00
<strong>不同的灯光<br/></strong> 接着是生成照明映射，你用第二个纹理映射（照明映射）与已有的纹理混合来产生照明效果。这样工作得很好， 但这本质上是在渲染之前预先生成的一种罐装效果。如果你使用动态照明 (即，灯光移动， 或者没有程序的干预而打开和关闭)，你得必须在每一 <font color="#bbbbbb"><br/></font>
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发表于 2007-8-18 13:39:00
<strong>多重纹理与凹凸映射<br/></strong> 单一纹理映射给整个3D 真实感图形带来很大的不同， 但使用多重纹理甚至可以达到一些更加令人难忘的效果。过去这一直需要多遍渲染（绘制），严重影响了像素填充率。 但许多具有多流水线的3D 加速卡，如ATI's Radeon 和 nVidia's GeForce 2及更高级的显卡，多重纹理可以在一遍渲染（绘制）过程中完成。 产生多重纹理效果时， 你先用一个纹理绘制多边形，然后再用另外一个纹理透明地绘制在多边形上面。这让你可以使纹理看上去在移动，或脉动， 甚至产生阴影效果 (我们在照明一节中描述过)。绘制第一个纹理映射，然后在上面绘制带透明的全黑纹理，引起一种是所有的织法黑色的但是有一个透明分层堆积过它的顶端 ， 这就是 -- 即时阴影。 该技术被称为照明映射 ( 有时也称为 暗映射)，直至新的Doom ，一直是Id引擎里关卡照明的传统方法。 <br/><br/> 凹凸贴图是最近涌现出来的一种古老技术。几年以前 Matrox 第一个在流行的 3D 游戏中发起使用各种不同形式的凹凸贴图。就是生成纹理来表现灯光在表面的投射，表现表面的凹凸或表面的裂缝。 凹凸贴图并不随着灯光一起移动 -- 它被设计用来表现一个表面上的细小瑕疵，而不是大的凹凸。 比如说，在飞行模拟器中，你可以使用凹凸贴图来产生像是随机的地表细节，而不是重复地使用相同的纹理，看上去一点趣味也没有。 <br/><br/> 凹凸贴图产生相当明显的表面细节，尽管是很高明的戏法，但严格意义上讲，凹凸贴图并不随着你的观察角度而变化。比较新的 ATI 和 nVidia 显卡片能执行每像素运算，这种缺省观察角度的不足就真的不再是有力而快速的法则了。 无论是哪一种方法， 到目前为止，没有游戏开发者太多的使用； 更多的游戏能够且应该使用凹凸贴图。<br/>
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发表于 2007-8-18 13:40:00
<strong>雾<br/></strong> 我们现在开始讲雾,它是某种视觉上的效果。如今绝大多数的引擎都能处理雾， 因为雾非常方便地让远处的世界淡出视野，所以当模型和场景地理越过观察体后平面进入视觉范围内时，你就不会看见它们突然从远处跳出来了。 也有一种称为体雾的技术。这种雾不是随物体离照相机的距离而定,它实际上是一个你能看见的真实对象，并且可以穿越它，从另外一侧出去 -- 当你在穿越对象的时候，视觉上雾的可见程度随着变化。想象一下穿过云团 -- 这是体雾的一个完美例子。体雾的一些好的实现例子是Quake III一些关卡中的红色雾，或新的Rogue Squadron II 之 Lucas Arts的 GameCube 版本。其中有一些是我曾经见过的最好的云--大约与你能看见的一样真实。<br/><br/> 在我们讨论雾化的时候,可能是简短介绍一下 Alpha 测试和纹理Alpha混合的好时机。当渲染器往屏幕上画一个特定像素时，假定它已经通过 Z- 缓冲测试 (在下面定义)，我们可能最后做一些Alpha测试。我们可能发现为了显示像素后面的某些东西，像素需要透明绘制。这意味着我们必须取得像素的已有值，和我们新的像素值进行混和，并把混合结果的像素值放回原处。这称为读-修改-写操作,远比正常的像素写操作费时。 <br/><br/> 你可以用不同类型的混合，这些不同的效果被称为混合模式。直接Alpha混合只是把背景像素的一些百分比值加到新像素的相反百分比值上面。还有加法混合，将旧像素的一些百分比,和特定数量(而不是百分比)的新像素相加。 这样效果会更加鲜明。 (Kyle's Lightsaber在 Jedi Knight II 中的效果)。<br/><br/> 每当厂商提供新的显卡时，我们可以得到硬件支持的更新更复杂的混合模式，从而制作出更多更眩目的效果。GF3+4和最近的Radeon显卡提供的像素操作，已经到了极限。