GAMES104.王希.01.游戏引擎导论

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游戏引擎导论

  • Overview of Game Engine
  • 王希：不鸣科技

算法 vs 系统

  • 写算法 \(\to\) 做系统
  • 将算法集成到系统中
  • 算法大家都会，但是如何做出一个好的系统
  • Game：Miracle of Modern Computer Technology
  • 游戏引擎：The Diamond on the Crown

游戏引擎的应用

  • 虚拟人（MetaHuman）
  • 影视行业（Cinematic & Animation）
    • 离线渲染
    • 在线，可以在现场调整光照
  • 模拟（simulation）
    • 战争模拟
  • 数字孪生（Digital Town）
    • 无人驾驶汽车，90% 的场景都是在虚拟系统中跑的

游戏引擎的历史

  • 红白机
    • FC（Famicon）
    • 魂斗罗、马里奥 ······
    • 没有游戏引擎的概念
    • 如何在存储限制的条件下做出游戏
      • 各种技巧用于减少存储容量
  • 游戏引擎之父：John Carmark
    • 写游戏的时候很多代码能够重用 \(\to\) 游戏引擎
    • Wolfenstein 3D（1992）
      • 德军总部 3D
      • FPS 游戏始祖
      • First-person Shooting game
        • 第一人称视角射击游戏
    • Doom
      • 毁灭战士
      • 这个游戏的核心代码变成了游戏引擎，授权给了要另外的公司，做了另一款游戏 ShadowCaster
        • 在商业上成功了！
        • 算是第一款游戏引擎，但是这个时候更多的知识代码的复用
  • Quake
    • 经典的射击对战游戏
    • Quake 的引擎
      • 提供了 3D 的渲染
      • 早期的显卡 3D 加速（OpenGL）
    • 一部分原因：显卡出现了
  • 硬件的发展推动了游戏引擎的进步
    • 同时也让游戏引擎系统变得更加复杂
  • 现在的游戏引擎如下

游戏引擎

  • 游戏大厂一般都有自己的游戏引擎
    • EA（Electronic Arts）：Frostbite Engine（寒霜引擎）
    • 育碧（Ubisoft）：
      • UBIart Framework
      • 雪花莲引擎（Snowdrop Engine）
      • 铁砧（Anvil）
        • 刺客信条
    • V 社（Valve）：起源引擎（source）
  • 开源免费的引擎：轻量级、2D
  • 商业引擎：功能更加完善、系统级别

中间件

  • Middlewares

  • 物理模拟、声音、渲染、植被场景生成
  • 中间件公司寿命都不长hhh，但是在游戏引擎生态中很重要

什么是游戏引擎

  • 3 个特点
    • Technology Foundation of Matrix
      • 黑客帝国
    • Productivity Tools of Creation：
      • 生产力的工具，能够通过过游戏引擎实现我们的想象
    • Art of Complexity
      • 复杂性的艺术，复杂的系统

组成

  • 看得到的
    • 渲染系统、动画系统 ······
  • 看不到的
    • 物理碰撞系统、控制系统、网络同步 ······
  • 游戏引擎不仅仅是渲染

游戏引擎的挑战

  • 有限的资源、算力、带宽
  • 数据传输的延迟
  • 实时性
    • 对算法复杂性的要求很高
    • 帧率
  • 引擎不仅仅是算法，而是一个生产力的工具
    • 早期游戏引擎：简单的一个软件
    • 现在的游戏引擎：很多工具链（实现不同功能）
      • 面向设计师、艺术家，不仅仅是程序员
  • 对程序员的要求
    • 引擎二次开发的能力，可扩展性
    • 可协作的能力（团队协作）
      • Nvidia Omniverse
    • 工具人实锤，服务于设计师
    • Update the Engine On the Fly
      • 在迭代过程中需要保证现有工程的稳定

如何学习游戏引擎

  • 课程不会细究某个技术点，而是向我们展示整个框架
  • 让我们知道如何去学习，知道什么知识该去寻找什么资料，知道去哪里寻找
  • 方法论的教学

课程内容

  • 20 节课
  • Basic Elements
    • 游戏引擎的架构
    • 数据的组织与管理
    • 学完之后知道如何下手去看一个游戏引擎的源码
    • Update() 函数
  • Rendering（渲染）
    • 模型、材质、shader、纹理
    • 光照与阴影
    • 渲染管线
      • deferred rendering、forward rendering
    • 天空、地形
    • 半透明与透明材质
    • 卡通渲染
    • 可定制的渲染管线
  • Animation（动画）
    • 动画的基本概念
    • Animation Structure and Pipeline
    • 如何让设计师能够参与进来
    • 如何交互
  • Physics（物理模拟）
    • 物理系统的基本概念
      • 几何原体
      • 刚体、弹性体、流体
    • 性能优化
    • Gameplay Application
  • Gameplay
    • 事件系统（Event System）
    • 脚本系统（Scripts System）
    • 图形化的驱动（Graph Driven）
    • 编程：设计，写代码、模块化组合都算编程
  • Misc. Systems
    • 特效系统（Effects）
    • 寻路系统（Navigation）
    • 相机系统（Camera）
  • Tool Set（工具链）
    • C++ 反射体系
    • Data Schema
  • Online Gaming（网络）
    • 同步与一致性
    • Lockstep Synchronization
    • State Synchronization
    • Consistency
  • Advanced Technology
    • Motion Matching
    • PCG（Procedural Contenct Generation）
    • DOP（Data-Oriented Programming）
    • Job System（任务系统），多线程
    • UE5：Lumen、Nanite

其他

  • 推荐读物
    • Jason Gregroy, “Game Engine Architecture”, 3rd or later editions
  • Mini Engine
    • 课程的小引擎

  • 课程目标
    • 能够做出一个简单的联网对战游戏
  • 可视化编程将会是未来的大趋势
    • 蓝图
  • 元宇宙
    • 挑战很大
    • 电影：头号玩家（Ready Player One）
  • 不同游戏引擎总体架构类似，但是会有一些特定领域的优化
  • ECS（Entity Object System）