Introduction⚓︎

• 游戏：现代计算机技术的奇迹（包含了最前沿的计算机技术，集成了几乎 CS 领域内的所有门类，技术含量之高可想而知）
• 游戏引擎(game engine)：皇冠上的钻石
  • 会用游戏引擎设计游戏好比开车，会开车的人很多，但会造车（即开发游戏引擎）的人却很少
  • 有很高的技术壁垒

Why We Need to Learn?⚓︎

游戏引擎是虚拟世界的基础，相信下一个时代是用游戏引擎技术构建虚拟现实的时代。

History of Game Engine⚓︎

• 早期的电子游戏——红白机 (Famicon, FC（家庭电脑）)（任天堂，20 世纪 80 年代）

  
  • 当时相当于游戏史上的寒武纪，各种游戏和创意如雨后春笋般冒出，尽管这些游戏在现在看来比较简单

• 游戏引擎之父：约翰 · 卡马克(John Carmack)

  • 他构思并实施了一种组织计算机游戏组件的新方法：把游戏引擎执行的核心功能（写游戏时可重用的代码），与创建游戏空间和内容创意分离开来

  • 发明的游戏：

    • 《德军总部 3D》(Wolfstein 3D)：3D 射击游戏之父，第一次展示了游戏引擎的应用

      

    • 《毁灭战士》(Doom)：

      
      • 与前作一样，该游戏定义了 FPS 类型的游戏，并启发了许多类似的游戏，通常被称为《毁灭战士》的克隆
      • 这是第一款在线发行游戏，它开创了包括 3D 图像、网络多人游戏和通过打包 WAD 文件支持自定义修改在内的技术

      • 1994 年，ID Software 将 Doom 引擎授权给 Raven 公司，后者基于该引擎开发了一款成功的游戏 ShadowCaster

        

    • 《雷神之锤》(Quake)：与《毁灭战士》引擎不同，《雷神之锤》的引擎提供了完整的实时 3D 渲染功能，并通过 OpenGL 支持早期的 3D 加速技术

      

      • 当时 3dfx 公司的 Voodoo 显卡诞生，Quake 就是在其基础上做了第一代的 3D 游戏，当时它的画面、沉浸感震撼到了玩家

        

• 硬件的发展：以 PlayStation 为例，从第一代到第五代，26 年内算力整整近 20 万倍！

  

• 游戏引擎家族

  
  • 免费引擎主要以开发轻量级的休闲游戏为主，就复杂性而言，和那些商业引擎相比还是有差距的

• 游戏引擎的中间件(middleware)

  • 由于现在的游戏引擎越来越复杂，因此出现了这些专门做某个模块的中间件公司（虽说生命周期不长）
  

What is Game Engine?⚓︎

抛开 wiki 上冗长繁琐的定义，我们对游戏引擎的定义如下：

• 构建像《黑客帝国》这样的虚拟世界的技术基础
• 人类创造 / 想象力的生产力工具

• 一门复杂性的艺术

  • 我们希望用游戏引擎尽可能地展现更多的细节，呈现更加真实的画面

    

  • 不管系统多么复杂，虚拟世界的一切都是用 0/1 表达的

    • 计算机的理论模型——图灵机

    • 对于以下一个简单的两人联机动作游戏，也要考虑诸多的系统，比如渲染系统、动画系统、控制系统，以及网络相关的部件等

      

    • 所以，游戏引擎涉及的知识远远不止渲染；更恐怖的是，图形学在游戏引擎中仅占一小部分：

      

开发游戏引擎会面临的挑战有：

• 游戏引擎开发者是一位只有有限算力，却要求满足实时要求的上帝

  • 计算机的算力有限
  • 实时(realtime) 是游戏引擎中的一个重要概念：无论算法多么强大，凡是不能在 1/30s（≈33ms）内出结果，那么这个算法就是无效的
  • 大多数动作游戏都要求 60fps 以上（≈16ms）

• 创作者的工具链 (toolchain)

  • 人们很早意识到，游戏引擎的用户不仅仅是程序员，真正最大的用户是设计师和艺术家；我们需要意识到这一点
  • 早期（Quake 时代）的工具链可能就只是一个编辑器

  • 而现代游戏引擎是一个庞然大物，使用者是有着不同技能的人，包括动画师、关卡设计者等

    

  • 当然程序员也是核心用户：游戏引擎中可扩展的 API 接口允许程序员在不改变核心的情况下定义多种游戏玩法

  • 游戏引擎的一个很重要的属性是可协作(collaborative)，能够让上百人的，有着不同技能团队能够顺利合作开发出一款游戏来

• 游戏引擎的架构设计

  • 设计好整个体系、工具后并不意味着万事大吉——之后仍然需要不断地完善和升级，实现更好的表现和功能
  • 不过需要保证在底层技术升级的同时，现有的基于游戏引擎开发的游戏还能正常跑起来，这就是所谓的 "Update the Engine in the Air"

How to Study?⚓︎

看看这个仓库（吓哭了）

是的，它列出了以下所有的书：

笔者想除了从娃娃开始就决定致力于游戏引擎的工作的人，可能没多少人能够看完所有的书吧

显然要在短期内学完这些书是不现实的。所以本系列笔记将以 GAMES104 课程为参考，先走完游戏引擎学习之旅的主干道，之后等到有需要了再另寻资源深入学习某些领域。

Course Content⚓︎

• 基本要素

  • 引擎结构和层级
  • 数据组织和管理
  

• 渲染

  • 模型、材质、着色器、纹理
  • 光照和阴影
  • 渲染管线
  • 天空、地形 (terrain) 等
  

• 动画

  • 基本概念
  • 动画结构和管线
  

• 物理

  • 物理系统的基本概念
  • 游戏玩法应用
  • 性能优化
  

• 游戏玩法

  • 事件系统
  • 脚本系统
  • 图驱动
  

• 杂项

  • 特效
  • 寻路
  • 相机
  • ...
  

• 工具链

  • C++ 反射 (reflection)：在编辑器中暴露使用的变量和函数，也就是说游戏创作工具会对开发者提供的代码进行某种形式的反射（或类似机制），从而能够在编辑器内向设计师展示部分代码内容。
  • 数据模式 (data schema)：系统所处理结构的形式定义
  

• 在线游戏

  • 锁步同步 (lockstep synchronization)
  • 状态同步 (state synchronization)
  • 一致性 (consistency)
  

• 进阶技术

  • 动作匹配：一种在游戏中为角色制作动画的简单而强大的方法。与其他方法相比，一旦有了基础设置，它几乎不需要太多手动操作：无需将片段组织成图表结构、仔细剪辑或同步它们，也无需明确地在状态之间创建新的过渡。
  • PCG（程序化内容生成 (procedural content generation)）：是一种通过算法而非手动方式创建数据的方法，通常结合了人工生成的资源与算法，以及计算机产生的随机性和处理能力。

  • 面向数据编程(DOP)：一种新范式，消除了将数据和代码结合到对象与类中所带来的常见复杂性。

    • 应用程序数据被保存在持久化的通用数据结构中，与程序代码相分离
    • 使用通用函数来操作这些数据而无需改变其本身
    • 这种方法让应用摆脱了状态相关的错误，并使代码更易于理解和维护
    

  • 作业系统(job system)：通过创建作业而非线程来管理多线程代码

    

  • Lumen：来自虚幻引擎 5 的全新全动态全局光照和反射系统，专为次世代游戏主机设计。它能够在从毫米到公里级别的大型精细环境中，渲染出具有无限反弹的漫反射互映和间接高光反射效果。

  • Nanite：来自虚幻引擎 5 的新虚拟化几何系统，采用了一种新的内部网格格式和渲染技术，能够呈现像素级别的细节并支持大量物体的渲染。

    

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