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游戏引擎是什么？游戏引擎的层级架构
游戏引擎是什么？游戏引擎的层级架构
游戏引擎，是一组完整的解决方案，能够在保持一定弹性的原则下，提供最大程度的功能性与便利性。除了包含绘图引擎的功能之外，可能也会包含播放音乐音效的音效引擎、判断物理碰撞行为的物理引擎等其他功能面的元件。
在游戏程式的领域中，最常听到的专有名词，可以说是非 Game Engine（游戏引擎）莫属了。听起来是个很炫很酷的名词，但其实游戏引擎一词经常被过度泛称与误用。所谓的游戏引擎架构，由低阶 (Low-Level) 至高阶 (High-Level) 可细分为以下三个层级 (Layer)：
绘图 API（例如：DirectX 与 OpenGL）
绘图引擎（例如：OGRE、Renderware 与 Gamebryo）与其他引擎
游戏引擎（例如：Unreal 与 Torque）
绘图 API，负责掌管程式与硬体间的沟通，将硬体层的功能与特徵抽象化，提供一组标准化的介面供程式设计者使用。目前 DirectX 与 OpenGL 已成为业界两大标准。此层级属于绘图底层的规格化与标准化，有利于引擎与游戏开发者以及整个业界的发展，使开发者可以专注在更具体与游戏相关的引擎架构上，而不会受制于各家厂商不同硬体实做内容所产生的限制。
绘图引擎，将底层的绘图 API 包装成与实做无关的介面，甚至能够提供数种不同平台的绘图 API 以供跨平台开发使用，更进一步的为程式设计者带来许多的功能性以及便利性。使用绘图引擎对于开发者来说最大的益处，就是可以使用以绘图 API 建构起来的各种绘图架构与技术，例如 Scene Graph 架构、空间分割、资源管理、光影处理等等。
游戏引擎，则是一组完整的解决方案，能够在保持一定弹性的原则下，提供最大程度的功能性与便利性。除了包含绘图引擎的功能之外，可能也会包含播放音乐音效的音效引擎、判断物理碰撞行为的物理引擎等其他功能面的元件。相较于单纯的绘图引擎，一个完整的游戏引擎，更需要提供许多的编辑器与工具，例如地形编辑器、人物动作编辑器等等。而游戏引擎与美术设计软体（例如 3ds Max）的整合性也相当重要；如果引擎内含强大的编辑工具与外挂输出程式，不仅能为程式开发者节省时间，为企画与美术设计者带来便利性，更能够降低人为错误的发生率，进一步加速游戏的开发流程。
除了上述的绘图 API、绘图引擎与游戏引擎层级之外，还有一个称为游戏框架 (Game Framework) 的层级。在软体开发的领域中，所谓的 Framework 是指一个在软体系统中可重复利用的设计。与游戏相关的着名框架系统有用来开发 Xbox360 游戏的 XNA Framework 与微软大力推行的 .NET Framework。框架系统需要能在提供现成实做版本的情况下，同时保留具有弹性且可扩充的介面，以期达到框架的可重复利用性。
此外，由于游戏产业的蓬勃发展，专注于开发绘图引擎与游戏引擎的公司也越来越多，于是出现了一个新兴的专有名词称之为 Middleware（中介软体）。中介软体是用来提供某特定层面的功能性元件，目的在于节省游戏开发的时程与风险，包含像是绘图引擎、物理引擎、人工智慧引擎、音效引擎等等都可以算是中介软体的一种。目前也有中介软体开发厂商，提供包含伺服器端与客户端程式在内，开发 MMO 游戏的完整解决方案。
在游戏程式开发中，最困难的关键点往往在于各层级间的桥接与沟通部分。对于各个层级，开发者需要尽可能使它们达到彼此独立不相依的情况，减少各层级之间的耦合性，在这样的设计模式之下，才有利于达到元件化、层级化的高度可再利用游戏引擎。简而言之，也就是将介面与实做分离的设计概念。在最理想的情况下，希望能够将引擎框架的泛用程式码与和特定游戏相关的程式码两部分完全分离而治，以期达到在引擎相关程式码变动最少的情况之下，能够提供给不同的游戏程式码来使用。
游戏引擎所提供的功能，就像是玩乐高玩具一样，我们可以使用积木箱里各种不同形状的基本积木，组合出梦想蓝图中的巨大模型。这些基本积木就像是游戏引擎中的各种元件，可以根据不同游戏专案的不同需求，取出合适的积木元件拼凑组合成为一个完整的游戏。而这个从积木组成模型的步骤，则需要一个规格化、标准化的程序，使得「组装」这个动作，变得很直觉易懂，无论未来积木的内容材料是否有改变，都不会对使用者造成太大的影响。积木的「组装」动作就像是程式的「介面」一样，任意变动积木的组合方法或是介面的使用方法，都会造成使用者的困扰与不便，并且大幅降低复制使用经验的可能性。
然而在真正的开发过程中，我们可能会发现，要达成各层独立、介面实做分开是非常不容易的任务。特别是在程式架构不良的情况下，会使得日渐庞大的游戏程式码层层交叠、错综盘根，就像是地基不稳却又拼命往上加盖的高楼一样摇摇欲坠。因此正如设计模式书中的设计思维所述：应该着力于将「变动」与「不变动」的部分抽离分开，分别封装「变动」与「不变动」的概念，才能够将进行变动时所需耗费的心力降至最低。【编辑推荐】【责任编辑： TEL：（010）】
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淘豆网网友近日为您收集整理了关于基于开源技术架构的跨平台3D赛车游戏的设计与实现的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：Abstract3D digital media technology and game software design onintelligence mobiledevice has plexity and broad prospect.One of typical problemsin this area is developing the 3D racing game which involves伊aphic rendering,physic simulation and artifi砌intelligence.In this paper,we focus on keytechnologies of 3D digital entertainment for mobile devices,using the 3D racinggame as 0111&experimental instance.mercial game engine with open source game engine,weindicate the ing of open source game engine,and then we add debuginformation management,sc宅ne management and rendering optimization to the openSOUgce framework to plete 3D game engine architecture.We introduceoctree space partition and view frustum dip base on this game engine.The result ofexperiment indicates the improved efficiency of SCelle rendering.This paperintroduces a vehicle physic model of simulation based On ray east.The suspensionsystem,steering and driving mechanism have been implement based on this model.We implement a hi曲level imagination physical simulation by designing the torquecurve and gearbox shift map.The result of simulation proves the right and efficiencyof our design.We design artificial intelligence module for the 3D racing game andestablish the automatically management for the track and the intelligent movementcontrol for the racing vehicle,which reflects the autonomy and the adversarialcharacteristics.The playfulness of ourgame increases.The result ofourpaper has been essfully used in oBr 3D racing game on iOSplatform.This verifies the effectiveness ofour work and realizes the industry value.Keyword3D Racing Game,Scene Optimization,Vehicle Dynamics,AI VehiclelI目录图1.1 Real Racing 2截图.图目录图2.1基于OGRE的游戏引擎的系统结构图图2.2代码剖分结果图图2.3场景节点的处理流程图图2.4(a)四叉树和(b)八叉树空间划分模式…………图2.5八叉树构建流程图..2 场景节点八叉树空间划分剖面图……………….图2.7视锥示意图…。..图2.8帧数评测结果图图2.9无视锥裁剪的帧数分布图图2.10带视锥裁剪的帧数分布图……图2.n经美术优化后的帧数分布图图2.12赛车场景渲染效果图图3.1车辆物理模型纵向示意图图3.2车轮射线跟踪原理剖面图图3.3车辆侧力………………图3.4车辆驱动力和制动力…………图3.5车辆动力系统结构图………。图3.6发动机转速和扭矩关系图….图3.7自动挡变速箱档位转换图………。图3.8悬挂系统模拟结果图………………图3.9加速性能..图3.10刹车性能26 8;32。34..35。36..37..38..40图4.1用赛道段和段间分割线定义赛道…………….图4.2赛道段原理图……………………………图4.3 AI系统UML图………………………。图4.4场景中的物理碰撞多边形…………。VI7 89O1 23 34 11 12 22 22 2目录图4.5 AI车感知环境示意图.VIl43目录表2.1商必开源游戏引擎对比表表3.1车辆参数表表目录VlIl33第一章绪论第一章绪论第一节前言信息技术的飞速发展已经改变并将继续改变现代社会中人类的认知方法和生活方式。通过各种信息获取、信息存储和信息计算处理等数字化技术,人们可以在计算机中建立起生动的虚拟世界空间,为人类体验、探索和认识该空间提供了有效途径。数字娱乐技术作为近几十年来计算机学科一个迅速发展的领域,通过对客观世界的信息建模、信息计算以及人与虚拟环境的互动,来向用户提供逼真、生动、有趣的体验,使人类可以不受时空、物质和自身条件的限制,来参与和感知各种虚拟事件的发生过程。这些特性使得数字娱乐相关技术不仅仅可以被应用于当前蓬勃发展的互动游戏产业,而且在国防安全、文化教育、工程设计等重要部门越发显现出其重要作用【l】。据工业和信息化部统计,中国的网络游戏产业2010年年总产值已经达到300亿元左右。数字娱乐产业作为新时期高效益低消耗的绿色产业,目前受到了我国政府的大力推广。国家863计划白2003年以来,一直在支持数字媒体技术的研发,文化部也制订了促进文化创意产业发展的相关政策。目前,以网络游戏为核心的计算机数字娱乐行业正在成为国民经济的重要部分。但是,国内相关企业在自主技术方面积累不足,缺乏经验丰富的产业人才,造成产品质量不高,为我国数字娱乐产业的发展造成了严重的耗损。为此,迅速积累国内数字娱乐核心技术实力和培养技术研发人才,运用自主技术来满足国内庞大的消费市场,为国民经济创造价值,是当下国内信息科学和文化艺术领域共同的责任。第二节3D赛车游戏综述赛车是一种挑战时间与速度的运动,它已经成为了全世界吸引观众最多的一项体育赛事。然而这项运动的费用和危险高得惊人,以致令绝大多数爱好者只能坐在电视机前,借助想象力揣摩车手是如何驾驶赛车的。80年代,数字娱乐产业的迅猛发展改变了人们的生活,虽然游戏产业还处于起步阶段,受限于计算机的硬件处理能力,不允许进行更多的仿真,仅仅能够在玩法上给玩家带第一章绪论来乐趣;进入90年代,赛车游戏也进入到一个高速发展时期,模拟度越来越高的优秀作品不断给玩家和车迷带来惊喜,包括《极品飞车》、《世纪金冠军2》等大作;时光进入21世纪,赛车游戏产业已发展到一个相当完善的程度,某些高水平作品的模拟度甚至达到90%以上,一些顶级的赛车游戏已经成为其计算和图形能力的展示平台,因为这些游戏使用的物理模型和控制方法现在已经高度成熟,几乎不需要做任何更改。随着移动设备的硬件性能的不断提升,越来越多的PC视频游戏移植到移动设备上来。与此同时,在移动设备上的视频赛车游戏也越来越多,其中包括EA的《极品飞车》系列,Gameloft的(Asphalt))系列以及Firemint的((Real Racing))系列。图1.1展示的是2010年12月Firemint发行的iOS游戏((Real Racing 2》瞄J。图1.1 RealRacin92截图1.2.1 3D赛车游戏研究进展车辆驾驶模拟开始于70年代早期,Wierwille等人开创了车辆驾驶模拟的先河【3】【4】,他们基于硬件模拟真实的车辆环境。Michael Short等人【51建立了针对嵌入式平台的轿车纵向动力学的模型。Brian Beckman[61撰写了关于赛车物理的系2第一章绪论列文章,详细地介绍了赛车模拟中的各种物理问题。Ted Zuvich[7】等人提出了赛车游戏中的物理简化模型。Hoichang Kim[8】等人在此基础上针对移动设备环境设计和实现了智能物理系统,模拟出3D赛车环境。在赛车游戏的研究中,游戏的乐趣是很难进行评估的,因为不同的人对游戏的体验是存在着很大的差异的,而Simone til9]等人根据玩家的生理反应对赛车游戏的可玩性进行建模,使得赛车游戏的可玩性有据可循。1.2.2 3D赛车游戏人工智能研究进展在人工智能领域,模拟赛车游戏比赛正受到越来越多人的追捧,这是由于模拟赛车游戏的组织者提供了良好的系统架构,使得研究人员能够测试学习、进化、灵活性等各个方面的算法。第一次比赛是在2007年作为IEEE进化计算和计算智能与游戏会议(IEEE Congress on putation(CEC)putational Intelligence and Games Symposium(CI(3))的一部分而举办,比赛的结果出版在【lo】中,此次比赛提供了具有图像化的界面和简单的游戏逻辑,为参与者提供了良好的参与度。2008年,计算智能世界会议(IEEE World putational Intelligence)基于开源赛车游戏TORCS(The Open Racing CarSimulator)t11】组织了该次的赛车游戏人工智能竞赛【12】。TORCS开放了赛车逻辑,使得在同一条赛道上可以同时有多辆车进行比赛,为更为复杂的赛车控制提供了可能,关于这次比赛的结果,出版在【l3】中。I.2008之后,TORCS扩展了客户端/服务器架构,并应用到比赛中来【141。Craig W:Reynolds[15】系统地总结了自动控制角色的转向行为。在赛车游戏中,最常用的人工智能是在赛道中摆放道路关键点,然后控制人工智能车辆在道路关键点之间移动。但是,这种类型的寻路算法是非常耗时的。Jung-Ying Wangil6J等人提出了在车的左右前方分别放置一个检测点来控制车辆的转向,使用颜色映射图来进行碰撞检测,从而节省了寻路的时间消耗。在赛车游戏中,模拟人类的赛车行为成为一个非常有意思的研究课题。但是,很少被应用到商业视频游戏中。微软Xbox平台的赛车游戏Forza Motosport是应用模拟人类赛车的游戏之一。玩家可以在游戏中创建NPC角色来模仿自己并且能够替代自己进行比型1 71。Jorge Mu。noz[18】【19】等人通过学习人类操控玩家车辆的过程模拟出人工智能车辆,它们的目标是创建真实地模拟人类操控的控制器而非创建~个最快速的人工智能车辆。Julian Togelius[201 3第一章绪论等人使用演化算法为模拟赛车游戏创建神经网络控制器。Luis delaOssa[2H等人实现了基于蚁群优化算法的模拟赛车控制器。Pyea:tt and Howe等人瞄】在开源赛车模拟器RARSt23](TORCS的前身)中应用强化学习方法学习赛车行为。LuigiCard锄one【24】【25】【261等人在TORCS上使用机器监督学习方法和在线神经演化方法创建人工智能车辆,并且使用简单强化学习方法训练人工智能车辆使其具有超车的能力【271。Julian Togelius等人【28】提出了多人竞赛共同进化的车辆控制器,使得单个车辆控制器之间相互作用,更加符合比赛的整体特性。C.H.Tan等人[29】使用了在线自适应控制器来参与模拟赛车,它能够在比赛时吸收对手的玩法,让玩家感觉更具娱乐性。Martin V Butz等人【30】开发了名为COBOSTAR的模拟赛车控制策略集合,并且赢得了比赛(CEC 2009)。E.Onieva[3l】等人为TORCS赛车引擎提供了另外一个架构设计,它们使用模糊逻辑控制车辆。在【32】【33】中,模糊集和规则集演变为通用的算法来控制人工智能车辆。与前面的研究不同,Julian Togelius[34j等人将演化方法应用到赛道上,从而创造出更具挑战性的赛道。第三节本文研究背景和内容组织1.3.1本文研究背景与已经发展得非常成熟的国外赛车游戏市场相比,国内赛车游戏市场不仅仅在技术上要远远落后,而且在产业发展模式上没有形成良性循环。近几年的网络游戏的火爆为国内游戏市场带来了空前的繁荣,众多游戏企业开始投资网游市场,不过只有少量具有相当实力的大型网络游戏公司才能完成大规模多人在线网络游戏并且实现盈利。近两年来,随着高端智能移动设备的快速发展,以Apple的iOS和Google的Android系统为主导的高端智能手机操作系统得到越来越多的用户使用。由于良好的盈利模式,基于iOS的应用程序数量已经超过27万个,实现盈利近400亿美元,这同时也给国内许多小企业带来了发展机遇。正是在这样的条件下,我们展开了在ioS平台下和Android平台下开发3D赛车游戏的研究。填补了国内在移动设备上开发3D赛车游戏的空白。4第一章绪论1.3.2本文研究的难点和目标本文旨在研究基于开源技术架构的3D赛车游戏的设计与实现。包括搭建基于开源渲染引擎OGRE[35]的游戏引擎的体系结构,基于Bullet[36]物理引擎的车辆动力学模拟,以及设计和实现赛车游戏中的人工智能。由于开源渲染引擎相对于商业引擎来说,具有效率低,工具不完善,机制不健全等问题,特别是对于硬件处理能力相对低下的移动设备来说,构建高度优化,健全的游戏引擎是游戏成功的关键因素之一。Bullet物理引擎提供基本的形状,碰撞检测,碰撞处理等方面的内容,但高效地、真实地模拟赛车仍然是一项困难的任务。虽然国外的车辆物理仿真已经非常成熟,但是这项技术只被那些已经开发出高质量赛车游戏的游戏公司所掌握。赛车游戏中的人工智能技术涵盖的内容非常多,本文只讨论如何使得计算机控制的车辆顺利完成比赛并且使得整个赛车游戏更具娱乐性。1.3.3本文主要内容及组织结构本文将重点讨论三个问题。第一个是基于OGRE开源渲染引擎的游戏引擎的体系结构设计以及渲染优化问题;我们将首先从游戏引擎设计的可用性,易用性,稳定性等方面介绍引擎的设计原理,然后再着重讨论如何针对于赛车游戏进行场景空间划分和可视性裁剪等渲染优化问题。第二个问题是关于车辆动力学模拟问题;我们将首先将描述车辆的物理模型,然后基于该物理模型描述基于射线跟踪的车辆悬挂系统和驱动/N动的原理,最后将介绍车辆的核心动力系统,包括发动机,变速箱等以及对模拟的实验结果进行展示和分析。第三个问题是关于赛车游戏中涉及的人工智能方面的问题。我们首先将描述赛道的结构,然后描述我们设计和实现的人工智能的基本框架,最后描述人工智能车辆的设计方法和实现原理。第二章基于OGRE渲染引擎的游戏引擎的设计和实现第二章基于OGRE渲染引擎的游戏引擎的设计和实现良好的解决方案依赖于创建和维护解决方案的体系结构。游戏引擎作为游戏开发的基础,其体系结构对于基于其上的游戏开发尤为重要。游戏引擎的体系结构之所以重要,是因为优秀的游戏引擎是确保游戏长期成功的核心因素。大多数的游戏引擎的体系结构的寿命要长于创建该架构的设计和开发团队。在信息技术发展日新月异的今天,为了能够保证体系结构拥有更长的寿命,体系结构的可扩展性变得更加重要。良好的稳定性能延长游戏引擎体系结构的寿命,它可以减少版本更新过程中的重复劳动,从而降低游戏开发的成本。良好游戏引擎的体系结构能够使得游戏开发团队能够更加专注更为上层的复杂应用开发,而并非在基础架构不牢固的平台上浪费太多的精力。特别是在上层应用中涉及底层体系结构的问题,往往问题发现的成本要比在架构层面上设计的成本要大得多,特别是为了满足特定的需要,而必须大范围改变体系结构的情况,付出的代价则更高。可扩展性是衡量体系结构好坏的非常重要的尺度,为了吸引客户而需要提高客户的满意程度或增加新的功能时,如果能够在极少的成本下实现预期的目标,那这样的架构不仅仅对于开发者而言,而且对于客户而言都认为这是好的架构。游戏引擎的体系结构的最终目的在于减少游戏开发的总成本,从而实现游戏的盈利,这也正是良好的体系结构存在的价值。第一节开源游戏引擎与商业游戏引擎对比商业游戏引擎拥有高度优化的渲染器,易于扩展的插件系统,灵活的脚本系统,强大的游戏数据编辑工具和数据导出工具,但是其费用昂贵,特别是拥有源代码的版本费用更高。开源的游戏引擎拥有较为稳定但性能不高的渲染器,较好的插件系统,无脚本系统的支持,没有完整的游戏数据编辑工具和有限的数据导出工具,可以免费使用,而且根据开放源码的许可条件下使用,修改和发布。商业游戏引擎在平台移植性上要比开源游戏引擎差。以Trinigy 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Abstract3D digital media technology and game software design onintelligence mobiledevice has plexity and broad prospect.One of typical problemsin this area is developing the 3D racing game which involves伊aphic rendering,physic simulation and artifi砌intelligence.In this paper,we focus on keytechnol...
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