游戲引擎研究與分析

王龍+李韜偉+楊振發(fā)

摘 要：電子游戲在近半個(gè)世紀(jì)發(fā)展過(guò)程中，成為了發(fā)展最迅速的行業(yè)之一。游戲引擎是縮短游戲開發(fā)周期、提高游戲研發(fā)效率的應(yīng)用程序組件集合，包含多種功能模塊接口，是保證游戲開發(fā)質(zhì)量的關(guān)鍵。通過(guò)分析游戲引擎的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，剖析游戲引擎的組成原理，提出了游戲引擎的基本架構(gòu)，分析了游戲引擎開發(fā)中繪制和事件雙驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行流程機(jī)制，設(shè)計(jì)了游戲引擎評(píng)價(jià)分析因子，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明，最后展望了游戲引擎的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：電子游戲；游戲引擎；Unreal；CryEngine；Unity3D

DOIDOI：10.11907/rjdk.172317

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）002-0005-03

0 引言

電子游戲從上世紀(jì)60年代出現(xiàn)以后，在短短的幾十年時(shí)間發(fā)展迅速，極大地推動(dòng)了軟硬件行業(yè)發(fā)展。2013 年游戲《Grand Theft Auto V》（Rockstar 2014）發(fā)布的 24小時(shí)內(nèi)，就為開發(fā)商創(chuàng)造了8億美元的收入[1-2]。無(wú)獨(dú)有偶，2016年游戲《王者榮耀》成為騰訊科技公司的最佳項(xiàng)目之一，為公司帶來(lái)豐厚的利潤(rùn)與廣闊的市場(chǎng)空間。電子游戲已然成為當(dāng)今時(shí)代一個(gè)現(xiàn)象級(jí)的產(chǎn)物，不僅能夠娛樂(lè)大眾，還推動(dòng)了各個(gè)行業(yè)的發(fā)展，是經(jīng)濟(jì)的重要組成部分之一[3]。

游戲引擎是縮短游戲開發(fā)周期、提高游戲研發(fā)效率的應(yīng)用程序組件集合，包含多種功能模塊接口，是游戲開發(fā)質(zhì)量的關(guān)鍵。游戲開發(fā)是多個(gè)工種合力完成的一項(xiàng)大型復(fù)雜的工程[7-9]。游戲引擎出現(xiàn)之前，需要各個(gè)領(lǐng)域的專家耗費(fèi)大量時(shí)間與精力才能完成一個(gè)簡(jiǎn)單的游戲。游戲引擎出現(xiàn)后，許多功能組件都進(jìn)行了封裝，開發(fā)人員不再需要面對(duì)底層開發(fā)，不必從零開始，從而有效提高了游戲開發(fā)效率。

游戲引擎在最近幾年得到了快速發(fā)展，也成為互聯(lián)網(wǎng)用戶訪問(wèn)搜索的熱點(diǎn)話題之一，圖1是游戲引擎的百度指數(shù)圖。百度指數(shù)是以大量網(wǎng)民在百度產(chǎn)生的互聯(lián)網(wǎng)行為數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究關(guān)鍵詞搜索趨勢(shì)、洞察網(wǎng)民興趣和需求、監(jiān)測(cè)輿情動(dòng)向等問(wèn)題的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。百度指數(shù)能夠反映事物在大眾傳播和輿論中的影響力。游戲引擎的搜索趨勢(shì)圖顯示了游戲引擎受大眾關(guān)注的程度。游戲引擎自2011年后，整體發(fā)展比較平穩(wěn)，15、16年出現(xiàn)過(guò)一次較大波動(dòng)。具體而言，2014年雙核心顯卡成功問(wèn)世，意味著普通PC已可以渲染、繪制更精致細(xì)膩的3D電子游戲畫面，因此游戲引擎引起了商業(yè)界、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。2015年Unity3D多平臺(tái)游戲引擎Unity5正式對(duì)外發(fā)布，圖1 游戲引擎百度指數(shù)圖使獨(dú)立開發(fā)游戲變得越來(lái)越容易，一時(shí)間游戲引擎的概念再次被熱議。2016年為VR元年，VR受到了廣泛熱捧，游戲引擎也因此備受關(guān)注。

時(shí)至今日，游戲引擎的數(shù)量在世界范圍內(nèi)有上百種，著名的有Unreal、CryEngine、Unity3D、Torque3D等[5-6]。不同的游戲引擎有著共同的框架結(jié)構(gòu)，本文對(duì)游戲引擎的原理以及基本組成進(jìn)行了研究，針對(duì)Unreal、CryEngine、Unity3D等最常用的游戲引擎展開分析，并對(duì)游戲引擎的發(fā)展作出展望。

1 游戲引擎基本架構(gòu)

引擎在信息技術(shù)領(lǐng)域是指電子平臺(tái)上運(yùn)行程序或系統(tǒng)的核心組件，開發(fā)人員利用游戲引擎能夠高效、便捷地設(shè)計(jì)和編寫程序需要實(shí)現(xiàn)的功能[6]。游戲引擎是信息技術(shù)領(lǐng)域常見(jiàn)的三大引擎之一，即搜索引擎、殺毒引擎和游戲引擎。游戲引擎常被比作汽車引擎，游戲者感受到的游戲場(chǎng)景、劇情、音樂(lè)、邏輯等猶如汽車之于用戶的速度、扭矩等，游戲引擎就是汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，將游戲中的所有元素有序地組織在一起，為游戲提供強(qiáng)力支撐[10-11]。

游戲開發(fā)整個(gè)過(guò)程可以描述為，開發(fā)人員在計(jì)算機(jī)、音響、顯示器等硬件設(shè)備上，在程序開發(fā)環(huán)境下利用開發(fā)工具，將游戲場(chǎng)景與真實(shí)世界融合顯示給玩家，并針對(duì)情景設(shè)計(jì)游戲故事主題，以保證游戲的趣味性。因此，基于游戲引擎開發(fā)過(guò)程的思維角度，本文將游戲引擎架構(gòu)設(shè)計(jì)為以下組成部分，如圖2所示。

游戲引擎框架包括4部分：硬件、開發(fā)、場(chǎng)景、游戲性，這4個(gè)部分共同作用實(shí)現(xiàn)游戲引擎，具體介紹如下：①硬件部分主要包括：I/O接口、聲音、網(wǎng)絡(luò)和圖形，此部分完成游戲引擎對(duì)硬件資源的管理與使用；②開發(fā)部分主要包括：開發(fā)環(huán)境、腳本解析、插件，為開發(fā)人員使用引擎、靈活裝配功能組件提供支持；③場(chǎng)景部分為兩部分：渲染引擎和物理引擎，這是游戲引擎最核心的部分。其中，渲染引擎還包括：光照、陰影、動(dòng)畫、粒子特效等子系統(tǒng)，是游戲體現(xiàn)真實(shí)感、交互性的關(guān)鍵組成。物理引擎由兩部分組成：一是碰撞檢測(cè)部分，碰撞檢測(cè)是虛擬世界中模型與模型之間的物理關(guān)系，確保了虛擬場(chǎng)景中的模型不被“穿過(guò)”，提高了場(chǎng)景的交互真實(shí)感；二是物理模擬部分，包括重力、剛性物理、柔性物理，豐富了虛擬場(chǎng)景對(duì)真實(shí)世界的模擬；④游戲性部分主要包括：資源管理、場(chǎng)景管理、數(shù)學(xué)庫(kù)與人工智能（AI），該部分包括了游戲邏輯、關(guān)卡設(shè)計(jì)，是用戶游戲趣味性體驗(yàn)的重要部分。

2 游戲引擎運(yùn)行流程

游戲引擎運(yùn)行在計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備等硬件平臺(tái)上，通過(guò)引擎初始化啟動(dòng)硬件資源，按照繪制流程運(yùn)行游戲設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的代碼，實(shí)現(xiàn)游戲整個(gè)過(guò)程。游戲引擎目前已支持在多種不同平臺(tái)上運(yùn)行，既可支持傳統(tǒng)的桌面平臺(tái)，也支持頁(yè)面牽引的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)；既支持桌面端的Windows系統(tǒng)和Mac系統(tǒng)，也支持移動(dòng)端的Andriod系統(tǒng)和iPhone系統(tǒng)。不同平臺(tái)、不同系統(tǒng)運(yùn)行略有差異，總體上都滿足如圖3所示的運(yùn)行流程。

游戲引擎運(yùn)行是按照?qǐng)鼍袄L制和事件觸發(fā)組織整個(gè)游戲過(guò)程。根據(jù)運(yùn)行圖，流程包括兩部分：①場(chǎng)景繪制驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，主要是指在游戲場(chǎng)景中光影發(fā)生強(qiáng)弱改變、視角發(fā)生移動(dòng)、動(dòng)畫產(chǎn)生新序列、粒子系統(tǒng)粒子正常衰減等造成的場(chǎng)景內(nèi)容本身的變化，游戲引擎則會(huì)觸發(fā)重新繪制場(chǎng)景機(jī)制，運(yùn)行程序；②事件驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)景變化，比如：輸入設(shè)備感知到用戶發(fā)生了向前移動(dòng)的變化，以及場(chǎng)景模型碰撞被檢測(cè)、關(guān)卡切換等交互事件，同樣會(huì)引起運(yùn)行程序啟動(dòng)不同模塊。endprint

3 游戲引擎評(píng)價(jià)分析

游戲引擎經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已有上百種產(chǎn)品，功能也越來(lái)越豐富、強(qiáng)大，涌現(xiàn)出了一系列優(yōu)秀的游戲引擎，如：重量級(jí)的規(guī)模龐大的Unreal虛幻以及CryEngine；中量級(jí)易于快速掌握使用的Unity3D以及DOOM/Quake等?？梢哉f(shuō)對(duì)于任意一個(gè)新設(shè)計(jì)的游戲，它能實(shí)現(xiàn)什么樣的游戲效果，很大程度上依賴游戲引擎對(duì)它的支持。那么，如何評(píng)價(jià)眾多游戲引擎，本文給出以下幾個(gè)評(píng)價(jià)因素作為游戲引擎分析的依據(jù)，即：編輯器、第三方插件、SDK接口、場(chǎng)景繪制功能、硬件配置性能、平臺(tái)及市場(chǎng)占有率。

編輯器是開發(fā)人員的工具，“工欲善其事，必先利其器”，一個(gè)好的編輯平臺(tái)會(huì)大大縮短開發(fā)周期；對(duì)于第三方插件和SDK接口，當(dāng)前在軟件方面集成優(yōu)秀的庫(kù)與插件的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自己開發(fā)，這是游戲引擎兼容能力的體現(xiàn)；場(chǎng)景繪制能力是檢驗(yàn)游戲引擎的核心標(biāo)準(zhǔn)，是游戲最出彩的部分，包括場(chǎng)景光照、凹凸貼圖、水面、霧等高級(jí)效果是檢驗(yàn)游戲引擎最直觀的標(biāo)準(zhǔn)；目前，隨著移動(dòng)設(shè)備的快速發(fā)展，支持跨平臺(tái)發(fā)布游戲成為游戲引擎的最大需求；最后，市場(chǎng)占有率是能夠間接反映游戲引擎功能的一個(gè)指標(biāo)，市場(chǎng)越熱其發(fā)展越快，功能也更新、更完善。

下面結(jié)合實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明，如圖4所示，Unity3D在近幾年里，其百度搜索指數(shù)從2011年的與Unreal和CryEngine齊頭并進(jìn)，到2017年已成為游戲引擎的一枝獨(dú)秀。事實(shí)上，這幾年Unity3D已多次進(jìn)行了版本升級(jí)，構(gòu)建了完備的功能，從過(guò)去簡(jiǎn)單的游戲?qū)崿F(xiàn)方式，發(fā)展成如今的場(chǎng)景繪制栩栩如生，可支持多傳感器交互以及Windows、iOS、strawberry、Andriod等多個(gè)平臺(tái)，同時(shí)支持網(wǎng)頁(yè)游戲的開發(fā)與制作的多樣化功能。功能的全面與完善帶來(lái)了良好的口碑，在市場(chǎng)上發(fā)展勁頭十足。

4 總結(jié)與展望

本文通過(guò)對(duì)游戲引擎現(xiàn)狀與原理的研究，提出了游戲引擎的基本架構(gòu)，分析了利用游戲引擎開發(fā)游戲中繪制驅(qū)動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行流程機(jī)制，設(shè)計(jì)了游戲引擎評(píng)價(jià)分析因子，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。游戲引擎是一系列計(jì)算機(jī)軟硬件的接口，隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，游戲引擎可支持在更多平臺(tái)上運(yùn)行，游戲的開發(fā)周期也將大大縮短。此外，Unity3D作為一款中輕量級(jí)的游戲引擎，近年來(lái)在社區(qū)的經(jīng)營(yíng)推動(dòng)下，獲得了快速發(fā)展，在場(chǎng)景渲染與交互方面表現(xiàn)極為突出，已適應(yīng)在多種不同平臺(tái)下的開發(fā)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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