（计算机应用技术专业论文）3d游戏图形引擎设计.pdf

摘要 摘要 数字游戏是计算机行业中最有价值和发展潜力的领域之一，它同时有着非常 高的技术要求。它集中体现了计算机科学在图形处理、网络通信、实时运算和人 工智能等方面的最新成就，它的需求反过来又推动了这几个领域的发展。由于数 字游戏的广泛普及和巨大利润，从它诞生以来，资金和技术在这里就一直呈现出 高速增长的趋势，这一趋势还在继续。3 d 游戏是数字游戏发展的趋势，它已渐渐 开始成为主流。它在体现逼真现实世界的同时对技术提出了巨大的挑战。3 d 游戏 实现的关键在于游戏引擎技术，而图形引擎是其中最重要的部分之一。 本文在分析3 d 游戏引擎的结构及工作流程的基础上，构建了一个完整的3 d 游戏图形引擎t r i a l 3 d ，它以三角形为建模和处理的基本几何图元，可以接受应用 广泛的q u a k e l i 模型及w o d d c r a f l 关卡编辑器生成的关卡，渲染和管理室内和室外 的动态、静态场景，支持多种类型的光源，支持g o u m u d 着色方式，支持透视修 正纹理映射，支持碰撞检测。t r i a l 3 d 主要采用了以下技术实现较高的渲染速度和 帧频：对室内场景，用b s p 树实现在世界坐标空间中的多边形级剔除和碰撞检测， 并将其与扫描线技术结合实现无重绘；对室外场景采用分区算法，同时用o s p 技 术实现世界坐标空间中的物体剔除和碰撞检测；在世界空间内实现了物体及多边 形的剔除、背面消除；实现了空间裁剪和像素裁剪。此外，t r i a l 3 d 以1 z 缓冲代 替z 缓冲实现正确的深度缓冲和透视纹理映射，并将该技术用到动态场景管理中， 弥补了b s p 树和o s p 树只能针对静态场景管理的缺陷。它还将仿射纹理映射和完 美透视修正纹理映射分段混合使用，实现了表面纹理真实性和效率的兼顾。 t r i a l 3 d 是一个采用软件渲染方式的引擎，所有的空间变换、光照、纹理映射 以及光栅化都用程序代码实现。它使用了d i r e c t x 的2 d 图形a p i 和输入a p i 。 t r i a l 3 d 可以用于w i n d o w s 平台的3 d 游戏。 本文对引擎各部分的多种实现方式进行了比较和讨论，并对实际运行的效果 作出了评测。在文章最后，作者对后续工作的内容，包括m i p m a p p i n g 、阴影、广 告牌技术、粒子系统、多重纹理和凹凸映射分别作出了探讨。 关键词：3 d 引擎，渲染，场景管理，帧频，光栅化 a b s t r a c t a b s t r a c t d i g i t a lg a m ei so n eo f t h ef i e l d sw h i c h i sm o s tv a l u a b l ea n dh a sp o t e n t i a l st o d e v e l o pi nc o m p u t e ri n d u s t r y , i th a sh i g hr e q u i r e m e n ti nt e c h n o l o g yt o o i tr e p r e s e n t s t h en e w e s ta c h i e v e m e n t so fc o m p u t e rs c i e n c ei ng r a p hp r o c e s s i n g 、n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n 、r e a l t i m ec o m p u t i n ga n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e b e c a u s eo f t h e p o p u l a r i t yo fd i g i t a lg a m ea n dt h eg r e a tp r o f i t ，c a p i t a la n dt e c h n i q u eh a v ei n c r e a s e d r a p i d l yi nt h i sf i e l df r o mi t sb i r t h ，a n dt h i st r e n di ss t i l lc o n t i n u i n g 3 dg a m e sa r ec u r r e n t o f d i g i t a lg a m e ，t h e yc h a l l e n g em u c h w h e nt h e yp r e s e n tt h er e a lw o r l d t h ek e yp o i n tt o i m p l e m e n t3 dg a m ei sg a m ee n g i n e ，a n dg r a p h i ce n g i n ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n t m o d u l e s t h i sp a p e re s t a b l i s h e sa ne n t i r e3 dg a m eg r a p h i ce n g i n et r i a l 3 db a s e do n a n a l y z i n g3 dg a m ee n g i n e sa r c h i t e c t u r ea n dp r o c e s s t r i a l 3 dm a k e st r i a n g l e sa st h e b a s i cu n i t st op r o c e s s ，i tc a l lr e c e i v ea n dp r o c e s sp o p u l a rq u a k e l im o d e la n dw o r l d c r a f t l e v e l ，r e n d e ra n dp r o c e s ss t m i c 、m o b i l es c e n e si n s i d ea n do u t s i d e ，s u p p o r tm u l t i t y p e s l i g h t ，g o u r a u ds h a d i n g ，m o d i f i e dp e r s p e c t i v et e x t u r em a p p i n ga n dc o l l i s i o nd e t e c f i o n t r i a l 3 dt a k e st h ef o l l o w i n gt e c h n i q u e st oa c h i e v eh i g h e rr e n d e rv e l o c i t ya n df r d l n e f r e q u e n c y ：t oi n s i d es c e n e s ，b s pt r e ei su s e dw i t hs c a nl i n et e c h n i q u et om a k e n o r e p a i n tc o m et r u e ，a n dt h ef o r m e ri sa l s ob e e nu s e dt oc u l lp o l y g o n sa n dd e t e c t c o l l i s i o ni nw o r l ds p a c e ；t oo u t s i d es c e n e ，p a r t i t i o na r i t h m e t i ca n do s pt r e ea r eu s e dt o c u l lo b j e c ti nw o r l ds p a c ea n dd e t e c tc o l l i s i o n ；c u l l i n ga n d h i d i n g s i d ee l i m i n a t i n gi s r e a l i z e di nw o r l ds p a c e ；s p a c ea n dp i x e lc u t t i n ga r eb o t hr e a l i z e d b e s i d e s ，1 zb u f f e ri s u s e dt os u b s t i t u t e dzb u f f e rt or e a l i z ec o r r e c td e p t hb u f f e ra n dp e r s p e c t i v et e x t u r e m a p p i n g ，t h i st e c h n i q u ei sa l s ou s e dt om a n a g em o b i l es c e n e st om a k eu pt h e d i s a d v a n t a g ec o u r s e db yb s p t r e ea n do s pt r e et h a to n l ys t a t i cs c e n ec a nb em a n a g e d a l f m et e x t u r em a p p i n gi su s e dc o m b i n e dw i t hp e r f e c tp e rm o d i f i e dp e r s p e c t i v et e x t u r e m a p p i n g ，t h i sm a k et h et e x t u r er e a la n dg e th i g he f f i c i e n c y t r i a l 3 di sar e n d e r i n ge n g i n et o t a l l yr e a l i z e db ys o f t w a r e ，i nw h i c ha l lt h es p a c e t r a n s l a t i o n 、l i g h t i n g 、t e x t u r em a p p i n ga n dr a s t e r l i z a t i o na r er e a l i z e dt h r o u g hp r o g r a m d i r e c t x s2 dg r a p h i ca p ia n di n p u ta p ia r eu s e di ni t i tc a nb eu s e di n3 dg a m e s r u u n i n go nw i n d o w s a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e sa tl e a s to n ew a yt or e a l i z ee v e r ym o d u l eo f t h ee n g i n e ，a n d e v a l u a t e sa l lt h e s ew a y s a tl a s t , a u t h o rd i s c u s s e dm i p m a p p i n g 、s h a d o w 、b i l l b o a r d 、 p a r t i c l es y s t e ma n dm u l t i t e x t u r e k e yw o r d s ：3 de n g i n e ，r e n d e r , s c e n em a n a g e m e n t ，f r a m ef r e q u e n c y , r a s t e r i z a f i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：型囊耸一 日期：乩“年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 豁缸摊名：盟乒 日期：，年，月易日 第一章引言 1 1 研究背景和煮义 第一章引言 数字游戏是计算机产业最有价值和发展潜力的领域之一。在美国、韩国和一 些欧洲国家，游戏业的收入已经超过传统娱乐行业。在美国，平均每个电脑使用 者有7 0 的时间在玩游戏。在我国，2 0 0 4 年游戏行业的总产值达到了2 4 7 亿，而 仅在4 年以前，这个行业的市场规模还只有o 3 8 亿元。事实上，游戏本身伴随了 人类的整个生存和发展史，而随着计算机这一交互式计算工具的出现和多媒体技 术的日益强大，以及互联网的日益普及和性能的大幅度提高，加之体验经济已渐 成气候并开始被普遍接受，数字游戏行业的崛起已成为不可阻挡的历史趋势。 3 d 图形程序相对平面图形程序而言，是在x o y 平面上增加了一根表现纵深 的z 轴，由此而带来的真实感体验与平面环境不可同日而语。但它同时也带来了 技术上的巨大挑战。坐标、光照、纹理的数据处理量大大增加，相比二维图形程 序，更增加了空间坐标到空间坐标、空间坐标到平面坐标、平面坐标到屏幕坐标 的变换过程。3 d 游戏与其它3 d 图形程序相比，还多了对实时交互能力的要求。 在标准的3 0 帧秒的帧速下，每3 3 3 毫秒内除了要完成整个场景动辄数十万计的 表面的坐标、光照、纹理的计算和光栅化，还要完成所有的输入检测、物理运算、 逻辑判断、a i 运算。事实上，极少有3 d 游戏( 尤其是3 d 网络游戏) 在尽可能考 虑画面真实性、丰富性的前提下还能保持足够的渲染速度和帧频。因此，如何既 保证画面的真实度，又保持流畅的显示和即时反应，是3 d 游戏图形引擎要解决的 关键课题之一。解决这个问题不仅可以大大提高3 d 游戏的质量，对于整个图形学 和实时处理领域也有重要的意义，事实上，3 d 游戏引擎不仅可以用在3 d 游戏上， 还可用在建筑设计、军事模拟、医疗、实时仿真、电影特效、教育等若干方面。 本课题研究的主要难度之一在于相关资料的极其匮乏。目前在国内，关于3 d 游戏引擎的研究资料还非常少，几乎是一片空白。仅有的几本书籍也是从国外翻 译而来，至少是两年以前的作品了。而由于这类技术属于应用领域，一直由企业 直接开发和应用，在i n s p e c 、s c i 、e 1 上也很难找到相关的研究资料：由于国外 的知识产权保护措施，即使在互联网上，深入探讨的相关资料也不是很多，因此， 研究3 d 游戏引擎这一崭新的领域，为国内相关行业积累宝贵的初期资料，具有重 要的现实意义。 电子科技大学硕士学位论文 本文构建了一个3 d 游戏图形引擎t f i f l 3 d 的主要模块，不仅对整个引擎的架 构和实现流程作出了比较仔细的描述，而且试图从多方面提高画面的真实度以及 渲染的速度和帧频。 1 - 2 研究方向和现状 3 d 游戏引擎是3 d 游戏的核心，而图形引擎部分又是3 d 游戏引擎最关键和最 重要的部分。游戏引擎实际上可以简单地看成标准图形a p i 上的另一层a p i ，由 若干可重用代码库组成，为应用程序留出接口，目的是将游戏中一些通用的功能 集中在几个模块内，可供不同游戏程序重复使用，从而大大节省了编码的时间和 人力成本。 真正意义上的3 d 游戏引擎起源于f p s ( 第一人称射击类) 游戏。从 w o l f e n s t e i n 3 d 到d o o m ，到现在广泛流行的q u a k e l l l 、q u a k e l l ia r e n a ，无不属于 这一类型。这类引擎一般采用b s p 树和p o r t a l 组织室内场景，直接用z 缓冲比较 深度并渲染。这类游戏引擎最初只支持连线对战，采用对等网模式，最多同时支 持3 2 人对战。后来随着游戏场景发展到室外，参与游戏的人数扩展到每台服务器 上千人，3 d 引擎又发展出o s p 场景管理模式和网络部分。 i ds o f t w a r e 是世界公认3 d 游戏引擎技术最先进的公司。q u a k e 系列引擎就是 他们的作品。由于当时硬件技术的限制，他们在引擎中不得不对游戏规则和环境 作了一些限制，如视角只能作有限变换，限制像素面积等等。随着硬件技术的发 展和游戏要求的提高，这些引擎也在不断的修改与更新之中。 e r ，i c 公司的u n r e a l 系列引擎是另一类非常成功的3 d 引擎。它采用了光线跟 踪技术，渲染速度比q u a k e 更快，而且没有太多的限制，场景也显得非常真实， 不过这是一种以空间换时间的作法，它所需要的建模工作量及存储量是十分惊人 的。 不管是哪一类引擎，都随着软、硬件平台和游戏规则的变化在不断地修改和 进化。最早的3 d 游戏引擎全部采用软件渲染，没有图形加速卡，更没有与图形硬 件接口的专用a p i ，所有的引擎代码都由程序员手工编制，所有代码都由c p u 运 算执行，速度和质量可想而知。随着图形加速卡和g p u 的出现，对多边形坐标变 换流程、光照、纹理的处理和渲染过程完全由图形芯片和相关线路实现，极大地 提高了3 d 游戏运行的速度。加上d i r e c t x 、o p e n g l 、s d l 等图形a p i 的出现， 第一章引言 避免了程序员直接和下层硬件打交道，不但大大简化了编码过程，而且避免了程 序员对每一种不同的硬件需要编写不同驱动程序的繁琐过程。目前，3 d 图形硬件 不但可以直接完成多边形流程和渲染，还可阻通过a p i 接口让程序员对以上过程 进行控制。 目前3 d 游戏引擎发展主要有几个方向：1 、网络化。其主要技术难点在于服 务器的负载均衡、网络同步及分布式计算。2 、高真实感实时建模。微软亚洲研究 院已经在这一领域展开研究并达到了国际一流水平，于2 0 0 3 年在s i g g r a p h 会议上 发表了四篇论文：任意曲面上的双向论理函数映射，运动论理，光场变形 和羽毛的绘制。3 、n p c ( n o np l i e rc o n t r o l 非玩家控制人物) 的智能化。 这方面近年也有很大发展，现在引擎中的n p c 已经可以根据声音的远近、类型来 决定下一步的行动了。 就3 d 图形引擎而言，目前的主要难点仍集中在如何在保持较高帧速的前提下 提供丰富真实的3 d 画面上。总的来说，耳前3 d 游戏对计算机配置的要求还是比 较高的，提高渲染速度主要是通过有效地组织场景、剔除对象、背面消除、裁剪、 减少重绘和提高光栅化算法效率来实现，但算法本身的效率和不同算法之间结合 的方式都还有改进的余地。另外，所有的剔除、裁剪算法都是进行得越早越能节 约运行时间，但算法本身也就越复杂。商用3 d 引擎的核心代码往往会用汇编语言 编制，以提高程序运行效率。 随着游戏市场的日渐扩大，游戏引擎的种类也日益增多，开发一个通用的游 戏引擎平台成为一个较为经济的选择。韩国在政府的支持下已经傲到了这一点， 目前他们的通用3 d 网络游戏引擎为游戏企业免费开放，使韩国开发一款网游的时 间周期缩短到了3 、4 个月。我国也已开始了这方面的工作，2 0 0 3 年七月，国家科 技部将3 d 网络游戏通用引擎的开发纳入国家高科技计划，目前正处于紧张的研究 阶段。 目前国内对3 d 引擎的研究还处于探索阶段，很多游戏公司还在购买国外的游 戏引擎使用。虽然有一些公司和团体声称己开发出3 d 网络游戏引擎，但质量和水 平与世界先进水准都还有一定差距。 t f i a l 3 d 引擎实现了3 d 游戏图形引擎的以下基本功能：读入网格和动画模型； 场景的组织和管理；多边形坐标转换流程；着色与光照；纹理：剔除；背面消除： 裁剪；遮挡排序；透视修正；光栅化；碰撞检测。另外，为了便于制作d e m o 和 测试，还需要设计一个输入接口。在构建的过程中，作者将b s p 技术结合扫描线 算法和改进后的z 缓冲实现了零重绘和室内静态、动态场景的管理；将o s p 树和 电子科技大学硕上学位论文 场景分区算法结合起来，并用1 ，z 缓冲代替z 缓冲，实现了室外静态、动态场景的 有效管理。所有改进后的系统策略和算法提高了帧速和渲染的速度，经过测试后 得到了较好的结果。 1 3 作者的主要工作 作为课题组的l e a d e r 和主要开发人员，作者完成了如下工作： 1 、3 d 引擎组织结构的分析和研究； 2 、t r i a l 3 d 的架构设计； 3 、数据结构和控制流程的设计； 4 、以下算法的设计：多边形剔除、图像裁剪、背面消除、g o u r a u d 着色和光 照、纹理、b s p 树的生成和零重绘、1 ，z 缓冲、多边形光栅化、o s p 树的生成和分 区算法。 5 、以下模块的实现：多边形坐标转换流程；b s p 树的生成和多边形在世界坐 标内的剔除；像素裁剪：g o u r a u d 着色：混合修正纹理映射；采用1 z 缓冲的实心 三角形光栅化。 1 4 论文的章节安排 本文简单叙述了3 d 游戏引擎的架构；详细阐述了3 d 游戏图形引擎伍a 1 3 d 的体系结构、数据组织及处理流程、渲染器和场景管理的设计和实现，提出了未 来的工作方向并作出了初步的探讨。 第二章：主要讲述了游戏引擎的基本概念；3 d 游戏引擎的总体架构、各模块 的功能以及相互之间的联系。 第三章：主要讲述了t r i a l 3 d 的体系结构；主要数据结构；数学支持及数学引 擎；3 d 数据控制流程的设计；数据读取工具的设计，是本文的重点。 第四章：讲述了t r i a l 3 d 中渲染器的设计与实现，主要包括：对象剔除和多边 形剔除；背面消除：空间裁剪：像素裁剪：深度排序和深度缓冲：光照和着色； 纹理映射；光栅化。是本文的重点。 第五章：讲述了t r i a l 3 d 中的场景管理。主要包括：b s p 树和o s p 树的生成； b s p 树结合扫描线算法实现零重绘；世界坐标内的多边形剔除：碰撞检测：结合 4 电子科技大学硕士学位论文 场景分区算法结合起来，并用l z 缓冲代替z 缓冲，实现了室外静态、动态场景的 有效管理。所有改进后的系统策略和算法提高了帧速和渲染的速度，经过测试后 得到了较好的结果。 1 。3 作者的主要工作 作为课题组的l e a d e r 和主要开发人员，作者完成r 如下工作： l 、3 d 引擎组织结构的分析和研究； 2 、t r i a l 3 d 的架构设计： 3 、数据结构和控制流程的设计； 4 、咀下算法的设计：多边形剔除、图像裁剪、背面消除、g o u r a u d 着色和光 照、纹理、b s p 树的生成和零重绘、1 z 缓冲、多边形光栅化、o s p 树的生成和分 区算法。 5 、以下模块的实现：多边形坐标转换流程；b s p 树的生成和多边形在世界坐 标内的剔除：像素裁剪：g o u r a u d 着色；混合修正纹理映射；采用1 z 缓冲的实心 三角形光栅化。 1 4 论文的章节安排 本文简单叙述了3 d 游戏引擎的架构：详细阐述了3 d 游戏图形引擎碰a 1 3 d 的体系结构、数据组织及处理流程、渲染器和场景管理的设计和实现，提出了未 来的工作方向并作出了初步的探讨。 第二章：主要讲述了游戏引擎的基本概念；3 d 游戏引擎的总体架构、各模块 的功能以及相互之间的联系。 第三章；主要讲述了t r i a l 3 d 的体系结构；主要数据结构；数学支持及数学引 擎；3 d 数据控制流程的设计；数据读取工具的设计。是本文的重点。 第四章：讲述了t r i a l 3 d 中渲染器的设计与实现，主要包括：对象剔除和多边 形剔除；背面消除：空问裁剪：像素裁剪；深度排序和深度缓冲：光照和着色； 纹理映射：光栅化。是本文的重点。 第五章：讲述了t r i a l 3 d 中的场景管理。主要包括：b s p 树和o s p 树的生成； b s p 树结合扫描线算法实现零重绘；世界坐标内的多边形剔除；碰撞检测；结合 b s p 树结合扫描线算法实现零重绘；世界坐标内的多边形剔除；碰撞检测；结合 第一章引言 1 z 缓冲实现静态、动态对象的管理。是本文的重点。 第六章：对本文内容作出总结，并讨论引擎未完成的部分，提出了未来的工 作方向。主要包括：m i p m a p i n g 和三线性滤波；阴影；多重纹理和凹凸映射；粒 子系统：广告牌技术。 电子科技大学硕士学位论文 第二章3 d 游戏引擎的体系结构 2 1 游戏引擎概述 随着游戏的画面复杂度和实时响应要求的日益提高，游戏代码的编写周期也 越来越长。编写一款f p s 游戏的时间一般在一年以上。为了缩短项目周期，减少 开发成本，人们将游戏代码中一些通用的部分抽出来做成模块，并设计好与应用 程序的接口，这就是所谓游戏引擎。专业的游戏开发公司都会有自己的游戏引擎， 它大大提高了代码复用率，缩短了开发周期。 一般来说，游戏引擎包括一个或多个可重用代码库，用于处理游戏中具有共 性的一些功能。每个库中可能包括若于功能模块，各模块为应用程序留出接口， 接受模型、关卡、动画、光照、材质、纹理、地形、图像、声音等数据，并和特 定游戏控制游戏逻辑的其它代码一起构成可执行的游戏程序。从本质上说，一个 游戏引擎实际上就是一个高层的a p i 。 一个游戏引擎适用于某一类游戏，引擎的架构和通用性越好，适用的操作平 台和游戏类型就越多。根据授权等级的不同，可以对引擎作出适当的修改以适应 不同的游戏。 引擎可以大致分为两类。一类是所有的代码都在引擎中编写，包括和硬件打 交道的部分。这种引擎编写过程十分复杂，代码的优化要求很高，尤其是需要为 不同的硬件编写不同的驱动代码。这类引擎基本出现在通用图形a p i 出现以前。 随着d i r e c t x 、o p e n g l 和s d l 等通用图形a p i 的出现，大多数引擎利用了这些代 码库，从而减少了许多编码的工作量。 2 23 d 游戏引擎的体系结构及相关流程 一个完整的3 d 引擎应该包括以下几个模块： 系统( 包括图形、输入、声音、定时器和配置等几个子系统) 、渲染器、控制 台主程序、接口、工具、支持。引擎加上游戏逻辑代码和游戏数据就构成了整个 游戏程序，在接受用户的输入后经过运算得到最后的声音和图形输出。引擎的架 构和工作流程如图2 1 所示： 第二章3 d 游戏引擎的体系结构 出 图2 13 d 游戏引擎架构及数据、控制流程 系统是负责在用户和硬件之间架起桥梁的模块。这个用户可以是游戏操作者 7 电子科技大学硕士学位论文 也可以是游戏的逻辑代码或引擎的其他模块。它和渲染器是整个游戏引擎的核心 部分。系统又分为几个子系统： 图形。图形子系统和渲染器、数学支持、图形工具一起组成了游戏引擎的图 形部分。它是渲染器的上层，接受工具模块处理后得到的各种图形数据，并负责 场景管理和碰撞检测。 输入。它负责将所有输入设备( 键盘、鼠标、游戏杆等) 封装起来，在每一 帧开始检测所有输入，并将输入的结果交给游戏代码的逻辑判断部分处理。 声音。接受音频数据和m i d i 代码，并将它们还原成声音信号输出。 定时器。如果3 d 游戏的帧频设计为3 0 ( 即每秒3 0 帧) ，则定时器负责将每一 帧的时间固定在3 3 毫秒。定时器需要控制输入子系统、声音子系统、图形子系统 和逻辑代码部分，它们都是每帧都需要执行的模块。对于图形处理量较大的系统， 一般不限制图形处理的时间，但对逻辑代码的执行都需要进行同步。 配置。它负责为煎几个子系统配置参数，如色深、分辨率、声音选项、键位 设置等。 渲染器模块需要完成整个多边形处理流程，包括坐标转换、物体剔除、隐藏 面消除、光照和着色、纹理映射等，直到最后将每个像素的r g b 信息送入显示缓 存。 控制台主程序模块是引擎为游戏提供的主程序框架，一般来说，它包括了在 不同操作平台下可执行程序所调用的主程序，和游戏的主循环。引擎的使用者可 以在其中填入自己的代码，也可以使用引擎提供的接口调用它的函数、改交参数。 接口模块是引擎和游戏主程序之间的一个薄层，它并不是所有引擎函数的简 单说明，而是为了引擎更整洁，便于使用和移植而增加的，它将相关的函数组合 和封装起来，并给出含义明确的参数。 支持模块。引擎的图形模块和渲染器部分会用到大量的数学元素，如向量、 矩阵、四元数、直线、平面等，它们都需要专门的数据结构和功能函数，相互之 间还要进行一些关系判断及转换。由于这部分内容比较丰富，因此将它们单独组 成一个数学支持模块。支持模块还包括内存空问管理、文件加载和容器。 工具模块。在3 d 游戏程序的运行需要输入大量的数据，如3 d 模型、动画、 关卡、2 d 纹理、高程图、音频数据、m i d i 代码等，需要有专门的工具对它们进行 编辑。3 d 模型、动画、关卡可以用通用3 d 建模工具设计，如3 d sm a x 、m i i k s h a p e 3 d 等。也可以用专门设计的关卡设计工具设计，如著名的w o r l d c r a f t 编辑器。不 同的编辑工具会生成不同格式的数据文件，因此引擎中往往需要编写一个工具实 第二章3 d 游戏引擎的体系结构 现不同格式数据文件的转化。另外，3 d 游戏程序包中会包含大量的各类数据文件 和配置文件，为节约磁盘空间、便于查找以及安全性，往往需要将这些文件打成 压缩包，这也需要一个专门的工具来完成。最后，由于b s p 树、0 s p 树、p v s 等都 是运行程序前预先生成的，关卡编辑工具必须有生成这些数据的功能。 9 电子科技大学硕士学位论文 第三章3 d 游戏图形引擎t r - a 1 3 d 的总体设计与支持 3 1 模块结构 t r i a l 3 d 是一个3 d 游戏的图形引擎，因此，可以去掉3 d 引擎中的声音处理子 系统和相关工具。由于时间有限，也不可能包括所有功能，所以，我们去掉了配 置模块，约定采用1 6 位色、8 0 0 6 0 0 的分辨率。为了使整个3 d 渲染流程的设计 更清晰，我们不打算使用硬件的3 d 加速功能，所以，也无需选择采用软件还是硬 件作3 d 运算3 d 变换、光照、着色、纹理和光栅化的数据处理全部编码完成。 接口部分也暂时去掉，以后还可以再添加进去。由于做好的引擎需要有d e m o 测 试，所以控制台主程序和输入部分都是必要的。 图3 1 表示了t r i a l 3 d 的架构及数据、控制流程： 1 0 第三章3 d 游戏图形引擎t r i a l 3 d 的总体设计与支持 图3 - 1t r i a l 3 d 架构及数据、控制流程 电子科技大学硕士学位论文 3 23 d 数学 3 2 - 1 坐标系和矩阵变换 3 d 图形在屏幕上的显示，实际上是一个将离散的模型和关卡放置到适当的空 间位置、再从人眼所观察到的角度将它们投影到正确的平面位置、最后填充像素 点的过程。因此，3 d 元素要经过一系列的坐标变换过程： 模型坐标一世界坐标一观察坐标一投影坐标一屏幕坐标 模型坐标是对象和关卡建模时的坐标，我们约定，所有模型放置在第一卦限， 起始点为原点，面向+ z 轴。如图3 2 所示。 世界坐标是将对象和关卡放入游戏世界中适当位置后的坐标，是绝对坐标， 有固定的大小。不随操作者观察方向的变化而变化。如图3 3 所示。我们又将采 用世界坐标系的空问称为世界空间。 观察坐标是以操作者的观察点和观察方向为参考的坐标，是相对坐标。操作 者操作键盘或鼠标，使得观察点和观察方向发生变化，游戏世界内各点的观察坐 标也就发生变化。如图3 - 4 所示。我们将采用观察坐标的空问称为观察空间。由 世界空间到观察空间的变换称为相机变换。 和观察坐标相关的概念是：视点、视平面、视距、视野、近裁剪面、远裁剪 对象一 图3 - 2 对象与模型坐标 z 图3 - 3 对象与世界坐标 】 图3 4 对象与观察坐标 1 2 图3 5 视棱台与相关参数 t 1 ， 第三章3 d 游戏图形引擎t 血1 3 d 的总体设计与支持 面、视棱台，如图3 5 所示。 按照眼球的成像原理，光线会通过凸起的视网膜聚焦到一点，我们把这一点 作为观察坐标的原点即视点，把视网膜用平面表示，称为视平面，这个平面就对 应了屏幕所在的平面。视点和视平面之间的距离，称为视距。我们将视线范围用 角度表示，称为视野，x o z 和y o z 平面上的视线范围分别称为水平视野和垂直视野。 为了避免离视平面过近的对象在屏幕上产生变形，需要规定一个近裁剪面：为了 减轻渲染器的负担，需要规定一个远裁剪面，只有远、近裁剪面之问的对象是可 见的，其余对象被裁剪掉。又由于有观察方向和视野的限制，游戏场景中只有一 个棱台内的对象可以被投影到视平面上，这个棱台就称为视棱台。 投影坐标是将视棱台内的对象投影到视平面上后各点的坐标，它是平面坐标， 原点在视平面中心。见图3 - 6 。由观察坐标到投影坐标的变换称为投影变换。 屏幕坐标也是平面坐标，它由投影坐标转换而来，但原点在屏幕左上角，且 坐标都是整数单位，最大值为屏幕的分辨率。见图3 - 7 。 、。 玉 o 一 0 图3 - 6 投影坐标图3 - 7 屏幕坐标 在t r i a l 3 d 中，3 d 坐标均采用笛卡儿坐标，而且使用左手坐标系。 3 d 坐标的变换主要包括平移、旋转、缩放三种，一般有两类实现方式：直接 变换和矩阵变换。矩阵变换的好处是，可以将三种变换组合到一个变换矩阵中， 同时，统一的矩阵形式也便于硬件的实现。目前的硬件渲染流程都采用了矩阵变 换的形式。但有些坐标转换涉及的类型比较少，比如从投影坐标到屏幕坐标，就 只需作平移，这种情况下用矩阵变换反而复杂，如果是软件渲染，就无需使用矩 阵交换。由于t r i a l 3 d 采用软件渲染，所以在程序实现中除3 d 空间变换外，一律 采用直接变换的方式，这样可以节省运算时间；但所有坐标变换的矩阵方程以及 电子科技大学硕士学位论文 矩阵变换公式仍将在这里列出。 这里首先列出矩阵变换公式： 若将点p ( x ，y ，z ) 平移到点p ( x + d x ，y + d y ，z + d z ) ，则平移矩阵m t 和它 的逆矩阵m t l 分别为： m 仁 10o0 o100 o o1o d x d v d z1 m t i = l0 0l oo d x d y 0o oo 10 d z1 若对原点缩放点p ( x ，y ，z ) ，x 、y 、z 轴的缩放因子分别是s x 、s y 、s z ，则缩 放矩阵m s 和它的逆矩阵m s 。分别为： m s = s x0 0 s y 0 0 00 o o 0o s z0 0 1 m s 1 1 s x000 0 1 s y 00 o 0 1 s z0 0oo1 若将点p ( x ，y ，z ) 分别绕x ，y ，z 轴旋转，旋转角各为ex 、0y 、0z ，则绕x 、 y 、z 轴旋转的旋转矩阵m r x 、m r y 、m r z 和他们的逆矩阵分别为： m i x = m r v = 1o 0c o s0 x 0 s i n0x o 0 c o s0y0 01 s i ney0 00 o0 s i n0x0 c o s0x0 01 s i n0y 0 0o c o s 0y 0 m r x - 1 = m r y l = 1 4 l0 0c o s0 x 0s i n0x oo c o s0y0 o1 一s i n0y0 0o 00i - s i n0 xj c 。sexol olj i s j i ley 0 00 l c o s0yd o i 第三章3 d 游戏图形引擎t f i a l 3 d 的总体设计与支持 m r z = c o s0z s i n0z o 0 3 2 2 坐标转换 s i n0z c o s0z o o o0 oo lo ol m i z l = c o s8z s i n0z0 s i n0zc o s0z0 00l 000 将模型放入游戏世界时，会有两种可能的操作：平移和缩放。如果是动态模 型( 如角色、怪物等) ，按它们的动画帧数装入。因此，只需将模型坐标( 用向量 表示) 依次乘以平移、缩放矩阵就可以了，即m m w = m t x m s 。 将对象的世界坐标转换为观察坐标时，需要用到一个很重要的数据结构： c a m e r a 。这个数据结构我们将会在后面下一节描述，这里只是指出：视点坐标、 视野、视距等几个观察空间的重要参数都包括在这个结构中。从世界坐标到观察 坐标需要经过平移和旋转转换，如果旋转顺序是依次绕x 轴、y 轴、z 轴，则有： m w v = m t 一1 x m r x 一1 m r y 一1 x m r z 一1 其中，d x ，d y ，d z 是视点坐标，0x 、0y 、0z 分别是相机x 、y 、z 轴与世 界坐标x 、y 、z 轴的夹角( 即观察角) 。 m w v 称为相机变换矩阵，在t r i a l 3 d 中有时需要将坐标从观察空间转换到世 界空间，因此需要m w v _ 1 即相机逆变换矩阵。 从观察坐标到投影坐标需要经过投影变换，将深度z 反映在平面图形的大小 上( 远小近大) 。变换矩阵是： 其中d 是视距，a r 是屏幕的宽高比。 m 、r p 2 d oo 0 0d * a r0 0 o01l o ooo 令a = o 5 屏宽一o 5 ，b = o 5 屏高一o 5 ，则投影坐标到屏幕坐标的变换 矩阵如下： 电子科技大学硕士学位论文 m p s = 3 2 3 数学引擎模块 1o0o o。10 0 0010 1 3 0 1 3 2 3 1 数据类型与数据结构 点。t r i a l 3 d 支持2 d 点和3 d 点。由于采用软件渲染，所以无需定义四元数。 它们和向量的表示方法相同，数据结构分别表示如下： t y p e d e f s t r u e tv e c t o r 2 d t y p u n i o n f l o a tm e 2 1 ； s t r u c t f l o a tx ，y ； ) v e c t o r 2 d ，p o i n t 2 d ，+ v e c t o r 2 d p t r , + p o i n t 2 d p t r ； t y p e d e f s t r u c t v e c t o r 3 d t y p u n i o n f l o a tm 3 i ； s t r u c t f l o a tx ，y ，z ； 1 6 第三章3 d 游戏图形引擎t r i a i 3 d 的总体设计与支持 ) v e c t o r 3 d ，v e c t o r 3 d p t r , p o i n t 3 d ，p o i n t 3 d p t r ； 用数组和独立变量两种方式定义点是为了能够编写更清晰的算法。 在t 6 a 1 3 d 中，由于采用增量算法比独立计算每个值更为迅速，所以直线都采 用参数化直线方程，以下分别是2 d 和3 d 直线的参数化方程： t y p e d e f s t r u c tp a r a m l i n e 2 d t y p p o i n t 2 d p 0 ； | 起点 p o i n t 2 dp l ；，终点 v e c t o r 2 dv ：线段的方向向量 p a r a m l i n e 2 d ，p a r a m l i n e 2 d p t r ； t y p e d e fs t r u c tp a r a m l i n e 3 d t y p p o i n t 3 dp 0 ； | 起点 p o i n t 3 d p 1 ；终点 v e c t o r 3 dv ；，线段的方向向量 p a r a m l l n e 3 d ，p a r a m l i n e 3 d p t r ； 3 d 平面是采用点法式方程： t y p e d e f s t r u c t p l a n e 3 d t y p ( p o i n t 3 d p 0 ；平面上任意一点 v e c t o r 3 dn 平面的法线 ) 平面的数据结构： t y p e d e fs t r u c tp l a n e 3 d t y p ( p o i n t 3 dp 0 ； v e c t o r 3 dn ； p l a n e 3 d ，+ p l a n e 3 d p t r 最后需要考虑一个问题：采用定点数还是浮点数? 本来，在大多数情况下， 浮点数的乘除运算比定点数快。但由于光栅化的单位都是整数，需要进行从浮点 数到定点数的转化，在最坏的情况下，需要7 0 个时钟周期，一般情况下需要1 2 - 2 0 电子科技大学硕士学位论文 个时钟周期。若按2 0 个时钟周期计算，假设时钟频率为5 0 0 m h z ，则一个时钟周 期为2 + 1 0 4 s 。如果z 缓存大小为8 0 0 * 6 0 0 ，对每一个像素点的x 、y 值都作一次定 点转换，则需要的时间为： 2 0 * 8 0 0 * 6 0 0 * ( 2 1 0 9 ) = 1 9 2 m s 若要保持3 0 f p s 的帧速，则每帧只能持续3 3 m s ，考虑到还有上万个多边形需 要计算坐标、颜色和光照、纹理以及碰撞检测，浮点数向定点数转换的时间耗费 是完全不可接受的。因此，决定在光栅化运算中采用定点数。它的类型定义如下： t y p e d e f i n t f i x p l 6 ； t y p e d e fi n t + f i x p l 6 p t r