游戲引擎剖析（五）

2019-11-17 04:52:24

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供稿：網(wǎng)友

原文作者：Jake Simpson
譯者：向海
Email：GameWorldChina@myway.com

第5部分: 物理，運(yùn)動(dòng)，效果

世界建造
　　經(jīng)常在建立一個(gè)含有任何3D成分的游戲時(shí)，你最終要試圖建立一個(gè)將會(huì)在里面產(chǎn)生游戲動(dòng)作的3D環(huán)境。不知怎么的游戲開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)建立這種環(huán)境的方，它輕易修改，有效率，有較低的多邊形數(shù)量，對(duì)于游戲既輕易渲染又輕易運(yùn)用物理學(xué)。很簡(jiǎn)單，對(duì)嗎？當(dāng)做這個(gè)的時(shí)候我用左手在做什么？當(dāng)做這的時(shí)候 , 我對(duì)我的左手做什么? 是的。不錯(cuò)。

　　雖然那里有許多3D結(jié)構(gòu)程序，從CAD/CAM程序到3D Studio Max，建造游戲世界是不同于建造內(nèi)部或外部世界的模型的尷尬。你有三角形數(shù)量問(wèn)題 -- 任何給定的渲染器一次只能渲染這么多的多邊形，這對(duì)于天才的關(guān)卡設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)永遠(yuǎn)都不夠。不知這些，你也只能每個(gè)關(guān)卡存儲(chǔ)預(yù)定數(shù)量的多邊形，所以即使你的渲染器能夠在視野中處理250，000個(gè)多邊形，即使你只能在合理數(shù)量的空間中存儲(chǔ)500，000個(gè)多邊形，那么取決于你怎么處理它，最后你的關(guān)卡價(jià)值像兩個(gè)房間那么小。不好。

　　任何方法，開(kāi)發(fā)者需要提出一個(gè)創(chuàng)作工具 -- 最好足夠靈活，答應(yīng)游戲引擎需要的各種事物 – 比如，在世界中放置對(duì)象，在進(jìn)入游戲以前對(duì)關(guān)卡的適當(dāng)預(yù)覽，以及準(zhǔn)確的光照預(yù)覽。在他們花三個(gè)小時(shí)預(yù)先處理關(guān)卡來(lái)產(chǎn)生一個(gè) '引擎可消化的' 格式之前 , 這些能力答應(yīng)游戲開(kāi)發(fā)者看到關(guān)卡將在游戲中看起來(lái)怎么樣。開(kāi)發(fā)者需要關(guān)于關(guān)卡，多邊形數(shù)量，網(wǎng)格數(shù)量等等的相應(yīng)數(shù)據(jù)。他們需要一個(gè)合宜而友好的方式能夠讓世界有紋理背景圖，輕易存取多邊形數(shù)量縮減工具，如此等等。這個(gè)清單可以繼續(xù)列下去。

　　在先前已經(jīng)存在的工具中找到這個(gè)功能是可能的。許多開(kāi)發(fā)者使用Max或者M(jìn)aya建造他們的關(guān)卡，但即使3D Max需要對(duì)它的功能有一些任務(wù)特定的擴(kuò)展來(lái)有效率地完成關(guān)卡建造工作。甚至可能使用關(guān)卡建造工具，像QERadient（見(jiàn)下圖），而且把它的輸出重新處理成你的引擎能夠解釋的格式。

不能看見(jiàn)它? 別煩擾…
　　回想一下我們?cè)诘谝徊糠钟懻摰腂SP (二叉空間分割) 樹(shù)，你也可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)潛在可視集合（PVS）這個(gè)術(shù)語(yǔ)正被四處談?wù)摗烧叨加邢嗤哪繕?biāo)，不去探究涉及到的繁雜的數(shù)學(xué)，它是一種把世界分解為你能從世界任何給定位置看見(jiàn)的墻壁的最小子集的方式。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，它們僅僅返回你能看見(jiàn)的那些，而不是那些隱藏在可能被遮擋的墻壁后面的。你能想象出這給軟件渲染器帶來(lái)的好處，渲染的每個(gè)像素(可能是這樣的情形)極為重要。它們也按從后到前的順序返回那些墻壁，在渲染時(shí)這是很方便的，因?yàn)槟隳軌蛟阡秩敬涡蛑写_定一個(gè)對(duì)象的實(shí)際位置。

　　大體而言，BSP 樹(shù)最近正不受歡迎，由于它們的一些古怪，而且因?yàn)槲覀儚漠?dāng)今3D顯示卡獲得的像素吞吐量，再加上Z緩沖像素測(cè)試，BSP 經(jīng)常成了一個(gè)多余的過(guò)程。它們?cè)谟?jì)算出你在世界的確切位置和正在你四周的幾何物體方面是便利的，但經(jīng)常有比BSP樹(shù)更好而且更直觀的方式來(lái)存儲(chǔ)這些信息。

　　潛在可視集像它聽(tīng)上去一樣非常好。它是這么一個(gè)方法，在任何給定時(shí)間，給定你在世界的位置，它決定世界的哪些表面，哪些對(duì)象實(shí)際上可以看得見(jiàn)。這時(shí)常用來(lái)在渲染之前剔除對(duì)象，也剔除它們來(lái)減少AI和動(dòng)畫(huà)處理。究竟，假如你實(shí)際上不能看見(jiàn)它們,為什么還要費(fèi)腦筋處理呢。多半這真的是不重要的，假如一個(gè)非玩家角色（NPC）正在播放動(dòng)畫(huà)，或者甚至在運(yùn)行它的AI思考。

游戲物理學(xué)
　　既然我們已經(jīng)在內(nèi)存中得到了世界的結(jié)構(gòu)，我們必須防止我們的角色從里面掉落出去，并處理地板，斜坡，墻壁，門(mén)，以及移動(dòng)平臺(tái)。加之，我們必須正確地處理地心引力，速度變化，慣性，和放置在世界里面的其它對(duì)象的碰撞。這被看作是游戲物理學(xué)。而且在我們進(jìn)一步深入討論之前，我想現(xiàn)在就在這里消除一個(gè)神話。任何時(shí)候你在世界中看見(jiàn)物理，或者任何人在一個(gè)復(fù)雜的游戲環(huán)境中宣稱(chēng)“真實(shí)的物理”，很好，它是BS。超過(guò)80%的建造一個(gè)有效率游戲物理系統(tǒng)的精力花在簡(jiǎn)化用來(lái)處理世界中對(duì)象的真實(shí)方程式上面。甚至那時(shí)，你時(shí)常忽略什么是‘真實(shí)的’，并創(chuàng)造一些‘有趣的’東西，究竟，這是目標(biāo)所在。

　　經(jīng)常地游戲者將會(huì)忽視真實(shí)世界的牛頓物理學(xué)，并扮演他們自己的，更有趣的真實(shí)版本。例如，在QuakeII里面，你能夠立即從0加速到35MPH，并快速停下來(lái)。沒(méi)有摩擦力，而且斜坡不提供真實(shí)斜坡提供的相同類(lèi)型的重力問(wèn)題。身體沒(méi)有它們應(yīng)該的作用在所有關(guān)節(jié)上的地心引力 -- 你看不見(jiàn)身體像真實(shí)生活中那樣倒在桌子上面或者邊緣 -- 而且地心引力它本身甚至可能是可變的。面對(duì)現(xiàn)實(shí)吧，在真正的世界中，空間中的飛船不像二戰(zhàn)飛行戰(zhàn)斗員在它們的表面操作那樣實(shí)行。在空中，全部是力和反作用力，力在重量點(diǎn)四周作用，等等。不像 X-Wing中的Luke Skywalker那樣嘯叫。盡管那樣做更加有趣！

　　作為游戲開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，無(wú)論我們做什么，我們需要能夠檢測(cè)墻壁，檢測(cè)地板，在世界中處理和其他對(duì)象的碰撞。這些是現(xiàn)代游戲引擎的必備 – 我們決定對(duì)它們進(jìn)一步要做的取決于我們和我們的游戲需要。

效果系統(tǒng)
　　如今絕大多數(shù)的游戲引擎建造有某種效果產(chǎn)生器，這答應(yīng)我們表現(xiàn)出有洞察力的游戲者期盼的所有可愛(ài)的吸引眼球的東西。然而，效果系統(tǒng)幕后所進(jìn)行的東西能夠急劇影響幀速率，所以這是我們需要非凡關(guān)心的地方。如今我們有很棒的3D顯示卡，我們能夠傳送大量的三角形給它們，而且他們?nèi)匀灰蟾嗟娜切巍２⒉豢偸悄菢印?在Heretic II，使用它的可愛(ài)的軟件渲染模式，由于他們漂亮的符咒效果，Raven碰到了相當(dāng)嚴(yán)重的過(guò)度繪制問(wèn)題。回想當(dāng)你在屏幕上繪制相同的像素超過(guò)一次時(shí)，過(guò)度繪制就發(fā)生了。當(dāng)你有許多效果正在進(jìn)行，按其性質(zhì)你有許多三角形，多個(gè)三角形可能相互堆疊在彼此上面。結(jié)果是你有許多重復(fù)繪制的像素。加上Alpha，這意味著在重新繪制之前你必須讀取舊像素并和新的像素混合，這會(huì)消耗更多的CPU時(shí)間。

　　Heretic II的一些效果能說(shuō)明這點(diǎn)，我們?cè)谝粠飳?duì)整個(gè)屏幕重復(fù)繪制了四十遍。很驚奇，是嗎？因此他們?cè)谛Ч到y(tǒng)里面實(shí)現(xiàn)了一個(gè)系統(tǒng)采樣在過(guò)去30幀的幀速率，假如速度開(kāi)始減慢，它就自動(dòng)地縮減任何給定效果繪制的三角形數(shù)量。這樣使主要工作完成了，幀速率保持住了，但一些效果看上去很丑陋。

　　無(wú)論如何，因?yàn)槿缃窠^大多數(shù)效果傾向使用大量很小的粒子模擬火和煙等等，結(jié)果你在效果代碼里面每幀要處理許多的三角形。你必須把它們從一幀移動(dòng)到下一幀，決定它們是否完成了，甚至還要在它們身上運(yùn)用一些物理學(xué)以便讓它們?cè)诘匕迳厦孢m當(dāng)?shù)姆磸棥＿@在PC上面都是相當(dāng)昂貴的，因此甚至現(xiàn)在你必須對(duì)你所能夠做的有一些實(shí)際限制。舉例來(lái)說(shuō)，用一個(gè)像素粒子產(chǎn)生火的效果可能會(huì)很好，但當(dāng)你這么做的時(shí)候就別期望在屏幕上做更多別的事情。

　　粒子被定義為擁有它們自己的世界位置和速度的非常小的可繪制的物體。它們不同于有方向的精靈，大的粒子使用這些精靈 -- 比如噴出的一團(tuán)團(tuán)煙霧。它們面向照相機(jī)自動(dòng)而典型地旋轉(zhuǎn)，縮放，改變它們的透明級(jí)別，因此它們能夠隨著時(shí)間淡出。我們輕易看到大量的粒子，但我們卻限制精靈的數(shù)量—盡管兩者之間的真正不同如今正在模糊。將來(lái)，非凡是在 DX9 和更加高級(jí)的圖形硬件表面以后，我們可能看到更多的人們使用過(guò)程shader來(lái)產(chǎn)生跟粒子系統(tǒng)相似或者更好的效果，創(chuàng)造非常棒的動(dòng)畫(huà)效果。

　　當(dāng)談?wù)撔Ч到y(tǒng)時(shí)，你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)‘圖原’這個(gè)詞。一個(gè)圖原是你的效果系統(tǒng)將處理的效果的最低級(jí)別的物理表現(xiàn)。更進(jìn)一步解釋?zhuān)粋€(gè)三角形是一個(gè)圖原。那是絕大多數(shù)引擎最終在底層繪制的 -- 大量的三角形。當(dāng)你沿著系統(tǒng)向上時(shí)，你對(duì)圖原的定義隨著變化。比如說(shuō)，頂層的游戲程序員不想考慮處理個(gè)別的三角形。他僅僅想說(shuō),"這個(gè)效果在這里發(fā)生" 并讓系統(tǒng)以一種黑盒方式處理它。因此對(duì)于他來(lái)說(shuō)，一個(gè)效果圖原就是‘讓我們?cè)谑澜绲倪@點(diǎn)持續(xù)這么長(zhǎng)時(shí)間用這樣的引力產(chǎn)生一束粒子’。在效果系統(tǒng)內(nèi)部，它可能認(rèn)為一個(gè)效果圖原是它那時(shí)正在產(chǎn)生的每個(gè)單獨(dú)的效果，像一組遵循同樣的物理學(xué)規(guī)則的三角形—然后它傳送所有這些單獨(dú)的三角形到渲染器進(jìn)行渲染，因此在渲染器層次，圖原就是一個(gè)單獨(dú)的三角形。有一點(diǎn)困惑，但你知道總的思想了。

　　以上就是第五部分，下一個(gè)部分是關(guān)于聲音系統(tǒng)，和各種不同的音頻APIs，3D音頻效果，處理閉塞和障礙，各種不同材料對(duì)聲音的影響，音頻混合等等。

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