3D游戲引擎術(shù)語介紹.doc

3D游戲引擎術(shù)語介紹作者：韓紅雷1. 3D引擎（3D engine）、3D編程語言（3D language）和3D創(chuàng)作系統(tǒng)（3D authoringsystem）的區(qū)別是什么？3D引擎是3D圖形函數(shù)庫。在因特網(wǎng)上有很多3D引擎，其中有一些還是免費(fèi)的，有些商業(yè)化的引擎價(jià)格在50美元到25萬美元之間。3D引擎需要使用外部的開發(fā)系統(tǒng)來編寫程序，使用最多的是是微軟的VisualC+。圍繞3D引擎通過編程來開發(fā)游戲具有極大的自由度，但也需要很多的經(jīng)驗(yàn)、工作和時(shí)間。3D編程語言提供了一種更加容易的編寫3D應(yīng)用程序的方法，因?yàn)槟闶褂玫氖且环N專門為3D游戲設(shè)計(jì)的腳本語言來編寫DirectX界面。這種語言不受3D引擎速度和自由度的影響，并且避免了使用“真正”編程語言帶來的問題。很多3D編程語言使用Basic一種比較容易學(xué)習(xí)的語言，但由于其落后的語言結(jié)果，所以并不適合于編寫大而復(fù)雜的游戲。比較適合于當(dāng)前游戲開發(fā)需要的是基于C或者JavaScript的語言。創(chuàng)作游戲最簡(jiǎn)單的方法是使用3D創(chuàng)作系統(tǒng)它們有自己的3D引擎，并且具備可視化編輯器，可以很快地創(chuàng)作一個(gè)游戲原型。當(dāng)然了，只有很簡(jiǎn)單的游戲才可能繞開編程，創(chuàng)作系統(tǒng)一般都提供腳本語言來進(jìn)行編程或定制游戲。利用創(chuàng)作系統(tǒng)，再加上對(duì)獨(dú)立3D引擎的編程，可以在很短的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)作一款游戲，很多大的游戲公司都開始使用創(chuàng)作系統(tǒng)來開發(fā)游戲了。一些簡(jiǎn)單的創(chuàng)作系統(tǒng)針對(duì)FPS（First or third PersonShooters），不提供或者只提供有限的腳本編程。盡管利用他們開發(fā)的FPS游戲并沒有什么市場(chǎng)，但如果你不希望使用腳本或者不想讓你的游戲商業(yè)化的話，也可以使用他們來開發(fā)游戲。而多數(shù)的創(chuàng)作系統(tǒng)可以用來開發(fā)任何種類的游戲或者3D應(yīng)用程序。下面是一個(gè)當(dāng)下流行的系統(tǒng)和引擎的對(duì)比表：*代表可以被顯示，但需要第三方工具來創(chuàng)建。$表示發(fā)行或者銷售游戲需要額外收費(fèi)或履行特定的條件。該表格基于2005年秋的各廠家說明書，不保證所有數(shù)據(jù)的正確性。如果有多種許可版本，選擇價(jià)格適中的版本列出。列出的Gamestudio/A6屬性基于Gamestudio網(wǎng)站最新的更新版本。上表并不是要說明哪個(gè)系統(tǒng)更好。即使功能很相似，各系統(tǒng)之間在速度或穩(wěn)定性方面也會(huì)有差距。對(duì)于你來說哪個(gè)系統(tǒng)更加出色主要取決于你的工程、目標(biāo)、個(gè)人傾向，當(dāng)然還有你的預(yù)算。你可以通過分析屏幕截圖、演示和使用試用版來決定你使用哪個(gè)系統(tǒng)。2. 什么是渲染器（Renderer），什么是頂點(diǎn)變換和光照（T&L）？渲染器是3D引擎的核心部分，它完成將3D物體繪制到屏幕上的任務(wù)。根據(jù)3D硬件使用方法的不同，可以分為DirectX和OpenGL兩種渲染器。OpenGL渲染器通過OpenGL圖形庫來使用3D硬件，多數(shù)3D卡支持這種方法。而DirectX渲染器使用微軟的DirectX庫歸并到Windows操作系統(tǒng)中。在老的3D卡上面，OpenGL一般繪制速度較快一些，而在現(xiàn)代的3D卡上面，DirectX表現(xiàn)則更加出色?，F(xiàn)在的OpenGL版本只有一個(gè)，而DirectX版本有很多：DX6基本的3D支持，沒有硬件T&L，整合于Windows95中DX7與DX6相似，但具有硬件T&L，整合于Windows98中DX8有了重大改進(jìn)，支持著色器，整合于Windows2000、ME、XP中DX9和DX8類似，具有類C的著色器語言，整合于WindowsXP SP2中在一個(gè)物體被繪制到屏幕之前，必須先計(jì)算它的光照，并且將它從3D世界轉(zhuǎn)換到屏幕二維坐標(biāo)系中（這兩個(gè)過程稱為光照和頂點(diǎn)變換，也就是T&L，Transformation&Lighting）。渲染器可以使用自己的算法（軟件T&L），也可以使用3D硬件（硬件T&L，OpenGL和DirectX7或以上版本）來完成這個(gè)任務(wù)。在老的系統(tǒng)上，必須模擬硬件T&L，所以運(yùn)行速度很慢；而在新一代的3D卡（GeForce和Radeon）上面，硬件T&L運(yùn)行十分快，并且比軟件T&L光照效果要好。一些渲染器對(duì)兩種方法都支持，這樣可以讓硬件發(fā)揮最大的效果。3. 什么是剔除（culling）系統(tǒng)和LOD系統(tǒng)？剔除系統(tǒng)可以只繪制出游戲場(chǎng)景中未被墻及其他物體遮擋的部分。一般的剔除系統(tǒng)是基于BSP樹或者入口（Portal）的。BSP樹系統(tǒng)是最快和最有效的場(chǎng)景組織結(jié)構(gòu)，特別是對(duì)于室內(nèi)場(chǎng)景來說，但是BSP樹必須在場(chǎng)景編輯器中預(yù)計(jì)算。渲染器不支持使用八叉樹（Octree）來組織場(chǎng)景的剔除。多數(shù)商業(yè)化3D引擎使用基于BSP樹的剔除系統(tǒng)。如果使用BSP樹的剔除系統(tǒng)的話，室內(nèi)渲染速度和場(chǎng)景大小、對(duì)象數(shù)目無關(guān)，甚至在老的PC上都可以使游戲以正常的幀率運(yùn)行。LOD系統(tǒng)可以增加室外場(chǎng)景的幀率。如果攝像機(jī)離物體比較遠(yuǎn)的話，它可以自動(dòng)將物體轉(zhuǎn)換為“簡(jiǎn)單”形體，這樣就減少了每幀要繪制的多邊形數(shù)目。4. 什么是陰影貼圖（Shadow Mapping）？也叫做光照貼圖（LightMapping）這是一種可以在不減少幀率的情況下達(dá)到真實(shí)感光照和陰影效果的方法。陰影貼圖編輯器允許在場(chǎng)景中放置任意數(shù)目的靜態(tài)光源，它會(huì)為每個(gè)面預(yù)計(jì)算光流量（lightflow）和靜態(tài)陰影?，F(xiàn)代商業(yè)3D游戲中多數(shù)都會(huì)使用到陰影貼圖。如下圖所示，平滑的光照和陰影極大地提升了游戲的氛圍。5. 什么是粒子系統(tǒng)粒子系統(tǒng)是一種特效發(fā)生器，它可以制造大量的小粒子來達(dá)到某種特殊的效果，比如煙霧、火焰或者爆炸。好的粒子效果甚至比渲染好的動(dòng)畫都出色，正因?yàn)槿绱?，?dāng)前幾乎所有的游戲中都使用了粒子系統(tǒng)。為了制造真實(shí)的粒子效果，粒子發(fā)生器必須在不影響幀率的情況下控制成千上萬的粒子運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)單的粒子系統(tǒng)只允許設(shè)置粒子的一些屬性，比如生存時(shí)間、重力或者顏色；復(fù)雜的粒子系統(tǒng)允許為每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)函數(shù)編寫代碼。一些粒子系統(tǒng)也包含了光線生成器來創(chuàng)建光線或者軌跡。6. 什么是著色器(shader)?著色器為圖形渲染增加了新的方案，它允許頂點(diǎn)和像素級(jí)別的變換（transform）、光照（lighting），以及在運(yùn)行時(shí)間渲染方式的修改。一個(gè)著色器是一段小腳本，運(yùn)行在圖形硬件上，為渲染到屏幕上的每個(gè)頂點(diǎn)或像素提供渲染方式。這就為用戶提供了一種新的靈活的像素渲染的方法。頂點(diǎn)和像素著色器可以用來生成真實(shí)感水波、卡通風(fēng)格、為模型覆蓋毛發(fā)或者控制火山的熔巖等。很多新的游戲引擎都支持著色器。7. 什么是骨骼動(dòng)畫（bones animation）當(dāng)前有兩種模型動(dòng)畫的方式：頂點(diǎn)動(dòng)畫和骨骼動(dòng)畫。頂點(diǎn)動(dòng)畫中，每幀動(dòng)畫其實(shí)就是模型特定姿態(tài)的一個(gè)“快照”。通過在幀之間插值的方法，引擎可以得到平滑的動(dòng)畫效果。在骨骼動(dòng)畫中，模型具有互相連接的“骨骼”組成的骨架結(jié)構(gòu)，通過改變骨骼的朝向和位置來為模型生成動(dòng)畫。骨骼動(dòng)畫比頂點(diǎn)動(dòng)畫要求更高的處理器性能，但同時(shí)它也具有更多的有點(diǎn)，骨骼動(dòng)畫可以更容易、更快捷地創(chuàng)建。不同的骨骼動(dòng)畫可以被結(jié)合到一起比如，模型可以轉(zhuǎn)動(dòng)頭部、射擊并且同時(shí)也在走路。一些引擎可以實(shí)時(shí)操縱單個(gè)骨骼，這樣就可以和環(huán)境更加準(zhǔn)確地進(jìn)行交互模型可以俯身并向某個(gè)方向觀察或射擊，或者從地上的某個(gè)地方撿起一個(gè)東西。多數(shù)引擎支持頂點(diǎn)動(dòng)畫，但不是所有的引擎都支持骨骼動(dòng)畫。一些引擎包含面部動(dòng)畫系統(tǒng)，這種系統(tǒng)使用通過音位（phoneme）和情緒修改面部骨骼集合來表達(dá)面部表情和嘴部動(dòng)作。8. 什么是保存/讀取系統(tǒng)（save/load system）？這種系統(tǒng)允許終端用戶保存整個(gè)游戲狀態(tài)，它自動(dòng)“凍結(jié)”所有正在運(yùn)行的腳本和對(duì)象以及游戲變量，將它們寫到一個(gè)文件中，有時(shí)候也有一張屏幕截圖。如果要在以后的某個(gè)時(shí)間繼續(xù)游戲或者在任意點(diǎn)離開和進(jìn)入游戲場(chǎng)景的話，這種功能就十分必要。存儲(chǔ)整個(gè)游戲狀態(tài)看起來并沒有什么難度，但在實(shí)際開發(fā)的時(shí)候卻并不簡(jiǎn)單，它必須在游戲引擎的核心代碼中實(shí)現(xiàn)。如果沒有這個(gè)系統(tǒng)，為了保存游戲，就必須寫一個(gè)腳本來存儲(chǔ)每個(gè)變量和對(duì)象的狀態(tài)十分難使用，只有可能應(yīng)用在簡(jiǎn)單的游戲中。所以說來，多數(shù)商業(yè)化高端引擎都包括存取系統(tǒng)。9. 什么是物理引擎？物理引擎通過為剛性物體賦予真實(shí)的物理屬性的方式來計(jì)算它們的運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和碰撞反映。為每個(gè)游戲使用物理引擎并不是完全必要的簡(jiǎn)單的“牛頓”物理（比如加速和減速）也可以在一定程度上通過編程或編寫腳本來實(shí)現(xiàn)。然而，當(dāng)游戲需要比較復(fù)雜的物體碰撞、滾動(dòng)、滑動(dòng)或者彈跳的時(shí)候（比如賽車類游戲或者保齡球游戲），通過編程的方法就比較困難了。物理引擎使用對(duì)象屬性（動(dòng)量、扭矩或者彈性）來模擬剛體行為，這不僅可以得到更加真實(shí)的結(jié)果，對(duì)于開發(fā)人員來說也比編寫行為腳本要更加容易掌握。好的物理引擎允許有復(fù)雜的機(jī)械裝置，像球形關(guān)節(jié)、輪子、氣缸或者鉸鏈。有些也支持非剛性體的物理屬性，比如流體。物理引擎可以從另外的廠商購(gòu)買，而一些游戲開發(fā)系統(tǒng)具備完整的物理引擎。但是要注意，雖然有的系統(tǒng)在其特性列表中說他們有物理引擎，但其實(shí)是一些簡(jiǎn)單的加速和碰撞檢測(cè)屬性而已。10. 什么是客戶端/服務(wù)器（client/server）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)？現(xiàn)在的多人游戲存在兩種基本的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)類型：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（peer-to-peer）和客戶端/服務(wù)器。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)中，所有連接起來的PC地位都是平等的，每個(gè)PC獨(dú)立運(yùn)行游戲，并且同其他PC都進(jìn)行更新信息的傳輸。而在客戶端/服務(wù)器系統(tǒng)中，其中的一個(gè)PC是掌管和運(yùn)行游戲的服務(wù)器，其他所有的PC都是客戶端，只進(jìn)行玩家屬性的更新和從服務(wù)器接收信息。為了不另外增加PC，一般情況下，一個(gè)PC在作為服務(wù)器的同時(shí)也是客戶端。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)在最初的多人游戲中使用，但在現(xiàn)在的游戲中很少使用這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因?yàn)樗泻芏嗳毕?。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)游戲不能保證同步運(yùn)行，比如一個(gè)子彈在一臺(tái)PC上擊中了一個(gè)目標(biāo)，但可能在另一臺(tái)PC上卻沒有（這是一致性問題）。另外，由于連接起來的PC通信經(jīng)常沖突，所以連接到一起的玩家數(shù)目不可能太多。超過4個(gè)玩家數(shù)目的聯(lián)網(wǎng)游戲一般就要使用客戶端/服務(wù)器系統(tǒng)。區(qū)域系統(tǒng)(zonesystem)是改進(jìn)的客戶端/服務(wù)器系統(tǒng)，它可以有多個(gè)服務(wù)器，游戲世界可以分割為由不同服務(wù)器控制的多個(gè)場(chǎng)景（區(qū)域）。區(qū)域系統(tǒng)用在玩家數(shù)量無限的大型多人在線游戲中?？蛻舳?服務(wù)器系統(tǒng)中允許的玩家數(shù)量多少主要取決于多玩家通信時(shí)所需帶寬的大小。如果玩家移動(dòng)很快而可預(yù)知的移動(dòng)很少的話，需要的帶寬就大。在最壞的情況下（單服務(wù)器在線空中格斗游戲），利用modem連接的玩家數(shù)量一般要低于25個(gè)。如果游戲世界被分成多個(gè)區(qū)域，并且玩家僅僅是走路或者交談的話，即使1000個(gè)玩家也是可以同時(shí)在線的。11. 什么是腳本編譯器（script compiler）？多數(shù)的3D游戲系統(tǒng)包含腳本語言，可以用來控制物體或角色。每秒運(yùn)動(dòng)的物體越多，需要用到的腳本指令就越多。一般的腳本語言都是解釋型的，也就是說腳本指令首先被轉(zhuǎn)換為中介（intermediate）二進(jìn)制代碼，然后在游戲運(yùn)行時(shí)由引擎執(zhí)行。由于處理器需要逐字節(jié)地解釋代碼，所以解釋型腳本語言運(yùn)行很慢，會(huì)極大影響幀率，在基于解釋型腳本語言的游戲中，一個(gè)場(chǎng)景包含的角色或物體數(shù)量不能太多，并且行為也不能太復(fù)雜。而腳本編譯器不是僅僅將腳本語言轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼，而是將它轉(zhuǎn)換為真正的機(jī)器代碼（machinecode）也就是處理器的本機(jī)語言。編譯好的腳本語言比解釋型腳本語言的運(yùn)行速度要快10倍左右，并且即使在同時(shí)有成千上萬移動(dòng)對(duì)象的游戲中，也不會(huì)影響幀率。注意：有些系統(tǒng)在他們的特性列表中宣揚(yáng)具有編譯器，但他們所謂的編譯僅僅是編譯為中介二進(jìn)制代碼，也就是說使用的仍然是解釋型腳本。12. C-Script腳本語言和“真正”的C/C+有什么區(qū)別？C-Script和C/C+的語法類似，但前者對(duì)于初學(xué)者來說更容易掌握。主要的區(qū)別有：l在C/C+中，你可以定義結(jié)構(gòu)體或者類，而C-Script僅支持預(yù)定義對(duì)象的結(jié)構(gòu)體，比如entity或者panel等。在C-Script中是不能自定義結(jié)構(gòu)體和類的。lC/C+有很多表示數(shù)字的類型，而在C-Script中只有一種數(shù)字變量類型，對(duì)float和integer類型都是通用的。lC/C+中，如果有錯(cuò)誤發(fā)生的話，整個(gè)程序都會(huì)中止。而C-Script會(huì)給出一個(gè)準(zhǔn)確的出錯(cuò)消息，減少錯(cuò)誤發(fā)生的可能性。比如，在C-Script中你不可能對(duì)字符串或者數(shù)組越界訪問，而且你不用擔(dān)心什么情況下使用“.”、“-”還是“&”來存取對(duì)