3D游戲引擎構(gòu)架及游戲動(dòng)畫渲染技術(shù)分析

陳凌超

（福州英華職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350018）

0 前言

2019年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》。隨后，教育部聯(lián)合其他相關(guān)部門印制并發(fā)布《關(guān)于在院校實(shí)施“學(xué)歷認(rèn)證+若干職業(yè)技能等級(jí)證書”制度試點(diǎn)方案》（簡(jiǎn)稱“1+X”證書制度試點(diǎn)），3D引擎技術(shù)應(yīng)用職業(yè)技能等級(jí)認(rèn)證引發(fā)了在校師生的關(guān)注，虛擬動(dòng)畫應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫亟待完善、更新。因此，分析3D游戲引擎構(gòu)架、游戲動(dòng)畫渲染技術(shù)具有非常重要的意義。

1 游戲動(dòng)畫渲染

游戲動(dòng)畫渲染是一種去真實(shí)感的方法，即利用類似手繪的效果代替電腦生成的圖像。一般需要專業(yè)人員利用專門的卡通渲染著色器使游戲圖像、卡通以及漫畫達(dá)到形似且簡(jiǎn)潔明了的效果。游戲動(dòng)畫渲染是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的“副產(chǎn)物”，可以借助.FX文件靈活渲染游戲關(guān)卡，保證實(shí)際場(chǎng)景與游戲運(yùn)行階段的效果相同，規(guī)避因多次切換渲染程序而導(dǎo)致出現(xiàn)渲染幀率水平下降的問題。還可以根據(jù)前期制作的渲染效果庫，以添加C++代碼的方式引用渲染程序模塊，將渲染程序中的參數(shù)編碼到模型、紋理以及頂點(diǎn)中，達(dá)到提高渲染速率的目的。

2 3D游戲引擎構(gòu)架

在“1+X”證書制度試點(diǎn)的過程中，“1+X”證書職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)與《現(xiàn)世代游戲建模與手繪貼圖》、《專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)》等專業(yè)課程的實(shí)踐內(nèi)容實(shí)現(xiàn)了有效銜接，保證游戲設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)滿足行業(yè)規(guī)范要求。在3D游戲的實(shí)訓(xùn)過程中，3D游戲引擎的組建必不可少。3D游戲引擎主要包括以下5個(gè)模塊。

2.1 系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)模塊是引擎、機(jī)器本身開展信息交互的模塊，也是平臺(tái)移植時(shí)唯一需要進(jìn)行代碼擴(kuò)加的模塊。系統(tǒng)模塊一般包括輸入、計(jì)時(shí)器、圖形、配置以及聲音5個(gè)子模塊，可以在主系統(tǒng)內(nèi)對(duì)全部子模塊進(jìn)行初始化、關(guān)閉或更新。其中，輸入子模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)游戲板、鍵盤以及游戲手柄等輸入裝置的輸入觸發(fā)進(jìn)行統(tǒng)一控制、接收和處理，通過向輸入子模塊發(fā)送請(qǐng)求來獲取玩家位置等信息，從而滿足玩家自由切換的需求。計(jì)時(shí)器負(fù)責(zé)為時(shí)間觸發(fā)開展移動(dòng)變化提供支持。圖形子模塊則是利用軟件渲染、OpenGL以及Direct3D等工具抽象出“圖形層”并將其放置在API實(shí)現(xiàn)層上，以提高系統(tǒng)的兼容性、增強(qiáng)表現(xiàn)效果。配置位于頂端，負(fù)責(zé)讀取命令行參數(shù)、配置記錄文件或進(jìn)行設(shè)置修改，在系統(tǒng)初始化、正式運(yùn)行期間，配置需要與全部子模塊進(jìn)行信息交互，為游戲載入、聲音支持選項(xiàng)、按鈕定義、圖像解析度調(diào)整以及色深調(diào)整提供支持。聲音負(fù)責(zé)載入、播放3D聲音。

2.2 底層渲染模塊

在3D游戲引擎架構(gòu)中，底層渲染模塊又可劃分為碰撞檢測(cè)與反饋、可見裁剪、動(dòng)態(tài)幾何體、靜態(tài)幾何體、粒子系統(tǒng)、攝像器、節(jié)點(diǎn)陰影、光線、輸出、網(wǎng)格、布告板以及天空體。底層渲染模塊由若干個(gè)獨(dú)立的軟件工具庫構(gòu)成，可被引擎上層多次、重復(fù)利用，提供最原始的渲染功能，并根據(jù)控制臺(tái)數(shù)據(jù)調(diào)用圖形API，以完成渲染工作。一般在底層渲染模塊的應(yīng)用過程中，需要先對(duì)其進(jìn)行封裝，根據(jù)OpenGL庫、Direct3D庫從業(yè)務(wù)渲染提交程序中進(jìn)行拆解，也可以利用多邊形裁剪算法（Sutherland Hodgman）、基于Voronoi區(qū)域的碰撞算法或基于BSP引擎的碰撞檢測(cè)算法直接進(jìn)行操作。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包括3D游戲引擎內(nèi)全部數(shù)學(xué)成分、文件載入器、存儲(chǔ)管理器以及數(shù)據(jù)容器等。其中，游戲引擎中數(shù)學(xué)成分主要為面、點(diǎn)和矩陣等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要負(fù)責(zé)定義游戲內(nèi)使用的數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)組織方式。例如游戲文件內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組織、游戲運(yùn)行階段內(nèi)存數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)讀取以及保存歷程等。在3D游戲中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類庫較多，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類庫之間也存在相應(yīng)的傳遞、保存渠道。例如，在游戲運(yùn)行階段內(nèi)存數(shù)據(jù)組織時(shí)，就可以采用指針、鏈表對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類庫關(guān)系進(jìn)行處理，從而滿足數(shù)據(jù)快速傳遞、即時(shí)保存的需求。

2.4 控制臺(tái)模塊

控制臺(tái)模塊是3D游戲引擎構(gòu)架的核心模塊，可以通過命令行函數(shù)、變量調(diào)整來滿足用戶在不重啟的情況下改變游戲引擎設(shè)置的需求。從本質(zhì)上來說，控制臺(tái)模塊逐一用于3D引擎設(shè)置以及調(diào)試。例如，在開發(fā)控制臺(tái)模塊時(shí)，如果需要測(cè)試系列命令行變量值，開發(fā)人員就要將其輸入控制臺(tái)中，快速測(cè)試變量是否準(zhǔn)確，從而提高開發(fā)效率。在3D游戲引擎運(yùn)行期間，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么技術(shù)人員可以在不立即退出程序的情況下對(duì)游戲引擎運(yùn)行錯(cuò)誤進(jìn)行簡(jiǎn)便控制、“disable”處理，以提高調(diào)試效率。

2.5 游戲接口模塊

游戲接口模塊多為3D游戲引擎、游戲開發(fā)工作者連接端口，游戲開發(fā)工作者可以通過游戲接口來利用3D游戲引擎的局部或整體功能。例如，游戲接口模塊可以為游戲渲染模塊的每個(gè)子模塊提供接口，從而與系統(tǒng)相關(guān)屬性配置模塊（設(shè)置、方向和位置）連接，進(jìn)而根據(jù)3D游戲引擎每個(gè)部分的動(dòng)態(tài)屬性進(jìn)行靈活改變。同時(shí)，游戲接口模塊還負(fù)責(zé)連接控制臺(tái)與系統(tǒng)模塊，便于控制臺(tái)模塊實(shí)時(shí)修正輸入操作、聲效播放、攝像器、光線、碰撞檢測(cè)與反饋等子模塊。一般來說，游戲接口模塊多為對(duì)象+圖形界面的形式，也可以通過關(guān)卡編輯器設(shè)計(jì)邏輯腳本語言，便于游戲開發(fā)工作者在更高層上編寫游戲事件與方法。

3 3D游戲動(dòng)畫渲染技術(shù)

在國(guó)家印制并發(fā)布《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》后，“1+X”證書成為動(dòng)漫游戲人才培養(yǎng)的主要抓手。“游戲美術(shù)設(shè)計(jì)職業(yè)技能等級(jí)證書”是游戲及相關(guān)專業(yè)職業(yè)技能等級(jí)考試的重要內(nèi)容，主要考查內(nèi)容為3D游戲動(dòng)畫渲染技術(shù)，特別是基于Unity軟件的動(dòng)畫制作與渲染操作。3D游戲動(dòng)畫渲染技術(shù)及應(yīng)用的要點(diǎn)如下。

3.1 Unity引擎參與制作CF大動(dòng)畫

CF動(dòng)畫是一款FPS游戲，中文名為《穿越火線》，部分環(huán)節(jié)和內(nèi)容的制作離不開Unity引擎，利用Unity改進(jìn)傳統(tǒng)動(dòng)畫流程，以奠定全引擎流程的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)動(dòng)畫制作時(shí)特效、角色以及動(dòng)畫模塊劃分的模式相比，Unity引擎參與制作的CF動(dòng)畫是數(shù)字資產(chǎn)的組織，Unity二進(jìn)制文件在同一時(shí)刻實(shí)現(xiàn)便捷操作的難度較大，此時(shí)，就需要從提高效率的角度出發(fā)，落實(shí)并行分工原則，由導(dǎo)演、執(zhí)行導(dǎo)演分別利用Cinemachine、Timeline制作鏡頭以及白模Layout場(chǎng)景。對(duì)“子彈發(fā)射出去”的場(chǎng)景來說，將Cinemachine的Target“綁”到子彈上就可以保證鏡頭隨子彈進(jìn)行平滑運(yùn)動(dòng)。在高模進(jìn)入尾聲后，因?yàn)轶w型、關(guān)節(jié)點(diǎn)已確定，所以可以綁定3D Max拓?fù)涞湍＿M(jìn)行UV劃分，并由材質(zhì)師在Unity內(nèi)模擬布料進(jìn)行ID貼圖，再由地編師利用Unity打包各種主界面、副本場(chǎng)景，將其放入Loading圖，促使一系列游戲?qū)ο笳故驹贖ierarchy層級(jí)窗口內(nèi)，完成初版場(chǎng)景的搭建工作并分層輸出序列幀。例如，在港口拍攝場(chǎng)景內(nèi)需要進(jìn)行Timelin類型場(chǎng)景拆分，并嵌套“組員”、“組長(zhǎng)”以及“導(dǎo)演”3個(gè)級(jí)別的Timeline，實(shí)現(xiàn)出片場(chǎng)景整合的目標(biāo)。同時(shí)，選擇主拍攝場(chǎng)景燈光、拆分區(qū)域，并加載多區(qū)域燈光的Unity場(chǎng)景。

Unity引擎參與制作CF大動(dòng)畫的流程如圖1所示。

圖1 Unity引擎參與制作CF大動(dòng)畫的流程

第一步，封裝標(biāo)簽，創(chuàng)建1個(gè)“Tags”腳本，以const常量的方式對(duì)項(xiàng)目?jī)?nèi)全部待使用標(biāo)簽進(jìn)行分裝，局部標(biāo)簽分裝腳本如下。

Using System.Shoucang；

Using System.tongyongjihe；

Using danyuanfadongji；

Public class Tags{

Public const string wanjia=“wanjia”；//

Public const string youxikongzhiqi=“youxikongzhiqi”；//

Public const string diren=“diren”；//

第二步，為了實(shí)現(xiàn)屏幕淡入、淡出的效果，將1個(gè)“FadeInOut”空物體創(chuàng)建到場(chǎng)景面板內(nèi)并加入組件GUI Teture，將顏色設(shè)置、Texture分別設(shè)置為黑色（black）、swatch_black_dff（在導(dǎo)入資源內(nèi)搜索）。同時(shí)，為FadeInOut創(chuàng)建1個(gè)效果實(shí)現(xiàn)腳本，局部FadeInOut效果創(chuàng)造腳本如下。

Using system.Shoucang；

Using System.tongyongjihe；

Using danyuanfadongji；

Using danyuanfadongji.shiyongdemingmingkongjian；//shiyongdemingmingren

Public class FadeInOut：danyixingwei

第三步，將標(biāo)簽（Tag）為GameController的空物體創(chuàng)建到場(chǎng)景面板內(nèi)，完成按鍵輸入封裝工作。

第四步，將名稱為FP_wanjia的空物體創(chuàng)建到場(chǎng)景面板內(nèi)，并將空物體在方向的位置設(shè)置為16.44，在方向的位置設(shè)置為-45.65。同時(shí)，加入角色控制組件——character controller，將參數(shù)中心內(nèi)的縱軸（）、半徑（）分別改為1.0、0.4，使角色控制器控制全部角色行為，完成用戶輸入?yún)?shù)封裝工作。

第五步，創(chuàng)建1個(gè)fps_FPInput的腳本并將其拖動(dòng)到FP_wanjia內(nèi)，完成用戶輸入?yún)?shù)賦值工作。創(chuàng)建1個(gè)主要攝像機(jī)（第一人稱）并將其設(shè)定到FP_wanjia的子目錄內(nèi)；同時(shí)，新建腳本，完成第一人稱相機(jī)控制工作。

第六步，在FP_wanjia物體下進(jìn)行fps_wanjiaControl腳本創(chuàng)建，完成“none”（無）、“idle”（無用）、“walk”（工作）、“crouch”（低頭）以及“run”（跑動(dòng)）等角色控制參數(shù)定義。同時(shí)，將Audio Source組件創(chuàng)建到FP_wanjia內(nèi)，并將FootstepRouck05（Audio文件夾內(nèi)）、JumpGeneric分別拖動(dòng)到AudioClip、JunpAudio（fps_wanjiaControl）內(nèi)。

3.2 Cartoon CG卡通渲染

Cartoon CG卡通特指以計(jì)算機(jī)為主要工具，利用3D模擬引擎制作完成的三維動(dòng)畫短片，具有畫面絢麗、情景真實(shí)的特點(diǎn)，例如暴雪公司出產(chǎn)的魔獸爭(zhēng)霸3戰(zhàn)役、星際爭(zhēng)霸2開頭等。在制作CG動(dòng)畫的過程中，需要利用3D動(dòng)畫軟件進(jìn)行虛擬角色搭載，在實(shí)現(xiàn)完美手繪表達(dá)的同時(shí)利用卡通渲染、材質(zhì)貼圖的方式將三維立體影像渲染為單一顏色、線條展現(xiàn)的二維畫面，降低手動(dòng)繪制動(dòng)畫工作量。最后利用手工對(duì)渲染后的線條進(jìn)行修改，獲得個(gè)性化模擬手工繪制風(fēng)格的繪畫。Cartoon CG常用工具為Cel-shading等具有藝術(shù)風(fēng)格的光線渲染算法，可以減少色階數(shù)量，用單調(diào)的平面色彩（白灰雙色階）代替顏色豐富的漸變色彩。同時(shí)，利用維基百科貼圖等多層次漸變采樣貼圖代替代碼幅值顏色，從而豐富細(xì)節(jié)，進(jìn)而利用片段光照權(quán)重（單位法向量、單位光源朝向向量）進(jìn)行UV采樣。在該基礎(chǔ)上，為了獲得類似于漫畫書、卡通的獨(dú)特紙質(zhì)紋理，需要運(yùn)用shader方法對(duì)其進(jìn)行處理。以街頭籃球題材的Cartoon CG卡通渲染為例，根據(jù)其充滿動(dòng)感、電影視聽表達(dá)以及手繪動(dòng)畫的特點(diǎn)，首先，可以利用Low-polygon Moder進(jìn)行低面數(shù)模型建模，盡可能地壓縮“面”的量，從而準(zhǔn)確描述形態(tài)結(jié)構(gòu)。其次，根據(jù)自然運(yùn)動(dòng)規(guī)律調(diào)控角色模型骨骼，使其做出超現(xiàn)實(shí)的夸張動(dòng)作。最后，利用Cel-shading渲染技術(shù)，配合3D計(jì)算機(jī)軟件內(nèi)虛擬攝像機(jī)位置、視點(diǎn)操縱，賦予模型卡通材質(zhì)并將粗細(xì)適當(dāng)?shù)倪吘€添加到模型上，對(duì)精彩動(dòng)畫鏡頭進(jìn)行渲染，凸顯“線”的豐富藝術(shù)美感。

除Low-polygon Moder、Cel-shading渲染技術(shù)外，Unity在Cartoon CG卡通渲染中也較為常用。在實(shí)際應(yīng)用過程中，首先，需要以Step函數(shù)或RampMap貼圖的方式修改光照模型，對(duì)NDotL計(jì)算蘭伯特光照進(jìn)行修改。其中，Step函數(shù)修改光照模型主要是通過直接給定1個(gè)數(shù)值，使光照結(jié)果在給定數(shù)值之間平滑過渡。給定數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)為，當(dāng)其大于相應(yīng)數(shù)值時(shí)為1，小于相應(yīng)數(shù)值時(shí)為0；而RampMap貼圖方式則是將蘭伯特光照視為映射值，利用ramp圖（LUT查找表）的色彩過渡獲得對(duì)應(yīng)的風(fēng)格化光照。其次，在光照模型修改后，可以在Unity的“Shader Graph”中計(jì)算Fresnel 節(jié)點(diǎn)，獲得基礎(chǔ)的邊緣光。一般卡通的基礎(chǔ)邊緣光傾向于軟、硬2層邊緣光的混合。深度偏移邊緣光需要將模型頂點(diǎn)偏移后重新對(duì)采樣深度進(jìn)行調(diào)整，使調(diào)整后模型深度與初始模型深度超過某一值域（邊緣），從而獲得類似于《原神》人物邊緣的亮邊效果。再次，在控制NdotL值實(shí)現(xiàn)像素顏色變化的同時(shí)要實(shí)現(xiàn)卡通著色，就可以在法線區(qū)域內(nèi)進(jìn)行二值化陰影、頭發(fā)投影以及面部陰影操作，使其合并到NDotL內(nèi)。同時(shí)，混合加入高光、頭發(fā)與線性光，保證卡通渲染中色彩混合效果。最后，為了獲得整潔的邊緣線，可以利用Unity內(nèi)的“Sobel算子”進(jìn)行邊緣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)多余的描邊信息后，將不同色塊的純色填充到邊緣檢測(cè)區(qū)。在邊緣線渲染后，可以對(duì)Unity內(nèi)的UV進(jìn)行打直處理，僅繪制與軸（或軸）呈90°的直線，獲得銳利的本村線。此外，在實(shí)際操作過程中，因?yàn)榭ㄍㄤ秩咎卣魃婕拜^多非物理屬性，所以需要根據(jù)項(xiàng)目情況對(duì)多個(gè)差異性特征參數(shù)進(jìn)行取舍。

4 結(jié)語

綜上所述，游戲引擎特指基于通用技術(shù)細(xì)節(jié)整理與封裝的游戲應(yīng)用程序接口，可以幫助游戲開發(fā)工作者縮短開發(fā)周期。在“1+X”證書制度試點(diǎn)背景下，游戲引擎的應(yīng)用備受關(guān)注。而渲染是游戲引擎的一部分，根據(jù)游戲類型的差異，對(duì)3D游戲動(dòng)畫渲染的要求也具有較大差異。技術(shù)操作者應(yīng)根據(jù)游戲類型，選擇適應(yīng)3D游戲引擎框架的渲染技術(shù)。一般CF大動(dòng)畫可以選擇基于Unity的動(dòng)畫渲染技術(shù)，而CG卡通則可以選擇Cel-shading渲染技術(shù)，在規(guī)避渲染程序多次、重復(fù)切換的同時(shí)保證游戲可以高幀率地運(yùn)行。