(1.1)-第1章 游戏引擎介绍

第1章游戏引擎概述课程内容1.1游戏引擎简介1.2常见商用游戏引擎简介1.33D仿真软件简介1.4Unity引擎介绍第1章游戏引擎介绍1.1

游戏引擎简介1.1.1游戏引擎的概念1.1.2游戏引擎的组成1.1.3游戏引擎的发展电子游戏起源于1952年，当时游戏运行在真空管电脑的平台上，开发的第一款电子游戏是《井字棋》游戏。到了20世纪80年代，电脑得到显卡才开始崛起，但此时游戏引擎还尚未出现。直到20世纪90年代，Pentium芯片面世，3DRealms公司与Apoges公司开发的小游戏《德军司令部》和IDSoftware公司开发的射击游戏《Doom》，成为了引擎诞生初期的两部代表作，而Doom游戏引擎也成为了第一个被用于授权的游戏引擎。1.1游戏引擎简介1.1.1 游戏引擎的概念游戏引擎是指一些已编写好的可编辑电脑游戏系统或者一些交互式实时图像应用程序的核心组件。这些系统为游戏设计者提供编写游戏所需的各种工具，其目的在于让游戏设计者能容易和快速地做出游戏程序而不用由零开始。游戏引擎大部分都支持多种操作平台，如Linux、MacOS、Windows等。游戏引擎实际上是一个为运行某一类游戏的机器设计的能够被机器识别的代码（指令）集合。它像一个发动机，控制着游戏的运行。可以说，游戏引擎是按游戏设计的要求顺序地调用各类游戏资源。1.1游戏引擎简介1.1.2 游戏引擎的组成一个游戏作品可以分为游戏引擎和游戏资源两大部分。游戏引擎是用于控制所有游戏功能的主程序，游戏资源主要包括图像、声音、动画等部分，即游戏=引擎（程序代码）+资源（图像、声音、动画等）。游戏引擎经过不断地发展进化，已经成为一个由多个子系统共同构成的复杂系统。游戏引擎一般包含以下系统：渲染系统、物理系统、音效系统、动画系统、人工智能系统、网络系统以及场景管理系统等。1.1游戏引擎简介请根据这副游戏画面，想象一下当时的游戏场景。1.1.2 游戏引擎的组成1.1游戏引擎简介地点：一片城市的废墟人物：士兵（玩家）以及敌人战况：隐藏在废墟中的敌人发现前来执行任务的士兵(玩家)，发生冲突，激烈交火。玩家寻找掩体躲避敌人的攻击。结果：玩家向敌人所在位置投掷了一枚手雷，手雷爆炸，结束战斗。1.1.2 游戏引擎的组成1.1游戏引擎简介下面对上述游戏过程进行分解，了解游戏引擎是怎样发挥作用的。在游戏过程中，首先映入我们眼帘的，是一个虚拟的游戏场景：一片城市的废墟。其中包括了地面、建筑、玩家角色、敌人角色、武器装备等等。这些物体，它们都是模型。我们能够在屏幕上看到这些逼真的模型场景，离不开引擎的渲染能力，而渲染模块也是一个游戏引擎最为重要的功能模块之一。玩家在与敌人交火的过程中，寻找掩体并躲避到掩体的后面，掩体为玩家挡住了来自敌人的攻击。这个过程涉及到引擎的碰撞检测处理，是属于物理模块的功能。1.1.2 游戏引擎的组成1.1游戏引擎简介玩家投掷出去的手雷，在爆炸时会发出轰鸣的响声；我们在射击时，冲锋枪会发出突突的声音；以及角色在移动过程中发出的脚步声等各种声音，这是引擎的音效模块在发挥作用。玩家的跑动、跳跃、投掷、射击等各种动作，这又涉及到引擎的动画模块。游戏过程中的玩家联机对战，离不开网络通信的处理，这属于引擎的网络模块。1.1.2 游戏引擎的组成1.1游戏引擎简介对于掌控着游戏中各种大小细节的游戏引擎，可以给它下一个定义：游戏引擎就是用于控制所有游戏功能的主程序。游戏引擎通常包含以下系统模块：渲染模块，物理模块，动画模块，音效模块，网络模块等。游戏引擎正是经过了不断地发展进化，才成为了这样一个由多个子系统共同构成的复杂系统。1.1.2 游戏引擎的组成1.1游戏引擎简介综上所述，可以给它一个简单定义：游戏引擎是用于控制所有游戏功能的主程序，它通常包含以下系统模块：渲染模块，物理模块，动画模块，音效模块，网络模块等。站在开发人员的角度，作为游戏引擎的使用者给它另一种定义：游戏引擎是指一些已编写好的可编辑游戏系统或者交互式实时图像应用程序（3D仿真程序）的核心组件。1.1.2 游戏引擎的组成1.1游戏引擎简介根据前面对游戏引擎的定义，其主要组成如下：渲染模块--逼真的模型场景的渲染物理模块--掩体等物体的碰撞检测处理音效模块--手雷爆炸时会发出的响声；冲锋枪会发出突突的声音。动画模块--玩家的跑动、跳跃、投掷、射击等各种动画。网络模块--玩家联机对战的网络通信的处理。…………1.1.2 游戏引擎的组成1.1游戏引擎简介十几年前的游戏都很简单，每款游戏开发都需要重头编写代码，通常一款游戏的开发周期在8到10个月左右，存在着大量的重复劳动，耗时耗力。由于在某些游戏中，总是有些相同的代码，可以在同题材的游戏中应用，这些通用的代码就形成了游戏引擎的雏形。伴随着技术的发展，最终演变成今天的游戏引擎。1.1.3 游戏引擎的发展1.1游戏引擎简介1990年，JohnCarmack（约翰-卡马克）和JohnRomero（约翰.罗梅洛）制作了一款小游戏《CommanderKeen》（指挥官基恩），在PC机上首次实现了卷轴类游戏背景的流畅效果，然后又把当时的街机游戏《超级马里奥兄弟》移植到PC机上，实现了流畅的横板效果。1991年，卡马克和罗梅洛成立了IDSoftware，开始自主创业。随后，又推出了《Wolfenstein3D》（德军总部3D）。作为最早的3D游戏引擎之一，这款游戏使用了一种射线追踪技术来渲染游戏内的物体，开创了3D射击游戏时代。1.1.3 游戏引擎的发展1.1游戏引擎简介IDsoftware约翰-罗梅洛约翰-卡马克1.1游戏引擎简介1.1.3 游戏引擎的发展1993年，ID公司推出了引擎技术的代表作《DOOM》（毁灭战士）游戏引擎。随后又推出了《Quake》系列游戏，Quake游戏引擎是真正的3D游戏引擎。1998年，由EpicGames开发、GTInteractive发行的FPS（第一人称视角射击游戏）游戏《Unreal》（虚幻），单纯从画面效果来看，《Unreal》是当之无愧的佼佼者。1.1.3 游戏引擎的发展1.1游戏引擎简介（德军总部3D）《DOOM》一代的画面《Unreal2》画面《Unreal1》画面1.1游戏引擎简介到了DX9时代，UbisoftEntertainment（育碧）公司利用德国一家公司开发的CryENGINE引擎做出了另一款画面绝伦的游戏《FarCry》（孤岛惊魂），其CryENGINE引擎使用了“PolyBump”特效，赢得了大片赞叹之声。2006年年底，随着Vista系统的发布，游戏进入了DX10时代，NVIDIA和AMD也都先后发布了各自的DX10显卡，新一代游戏引擎大战也正式开始。在DX10时代，CryTek的CryENGINE2游戏引擎缔造了另一个画质新高，即《Crysis》（孤岛危机），它拥有最强的DX10画质。1.1.3 游戏引擎的发展1.1游戏引擎简介（《FarCry》（孤岛惊魂）《Crysis》（孤岛危机）1.1游戏引擎简介

经过近二十年的发展，游戏引擎的功能越来越强大，也涌现出一批知名的游戏引擎，如上面介绍的Id、EPIC、CryTek公司的几款知名游戏引擎IdTech、Unreal、CryENGINE等。游戏引擎一般分为通用的和专一性的，前面介绍的这些游戏引擎几乎都是通用性。而专一性的游戏引擎则是一些功能单一但是专业高效的引擎，如物理引擎、声效引擎、植被引擎等。如物理引擎首推Havok，其次则是NVIDIA力推的PhysX，前者是基于CPU运算的，后者是基于GPU运算的。1.1.3 游戏引擎的发展1.1游戏引擎简介1.2常见商用游戏引擎简介随着游戏技术的提高和显卡性能越来越强，游戏的画质越来越高，游戏引擎的研发时间和成本也在直线上升，游戏开发周期也越来越长，通常都会达到3到5年，自行开发游戏引擎的话时间还会更长，正是出于节约成本、缩短周期和降低风险这三方面的考虑，越来越多的开发者倾向于使用第三方的游戏引擎制作自己的游戏。随着市场的需求，涌现出一批非常成熟的商用游戏引擎。世界比较知名的游戏引擎，包括Creation（创造引擎）、UnrealEngine（虚幻引擎）、FrostbiteEngine（寒霜引擎）等。1.2常见商用游戏引擎介绍（1）Creation（创造引擎）创造引擎的代表作有《上古卷轴5：天际》和《辐射4》等《上古卷轴5：天际》的某一画面。1.2常见商用游戏引擎介绍（2）UnrealEngine（虚幻引擎）虚幻引擎的代表作有《战争机器》系列、《质量效应》系列和《绝地求生》等。《绝地求生》的某一画面。1.2常见商用游戏引擎介绍（3）FrostbiteEngine（寒霜引擎）寒霜引擎的代表作有《荣誉勋章》和《战地》等。《荣誉勋章》曾经是最好的FPS游戏之一。《荣誉勋章》的某一画面。1.2常见商用游戏引擎介绍（4）IWEngine（无尽引擎）无尽引擎代表作品有《使命召唤》系列。以IWEngine为核心引擎的《使命召唤》系列，是史上平台总销量最多的游戏之一。《使命召唤》系列游戏的某一画面。1.2常见商用游戏引擎介绍（5）SourceEngine（起源引擎）起源引擎代表作《起源》系列、《反恐精英》系列、《DOTA2》、《APEX英雄》和《半条命》系列。起源引擎是一款3D游戏引擎，由Valve软件公司为了第一人称射击游戏《半条命2》开发，并且开放授权。《半条命2》系列游戏的某一画面1.2常见商用游戏引擎介绍（6）AnvilEngine（铁砧引擎）铁砧引擎代表作有《刺客信条》和《波斯王子4》。铁砧引擎独特的动态效果和环境的互动非常的柔和优雅，并且它很善于在游戏世界中填充AI。《刺客信条》的某一画面。1.2常见商用游戏引擎介绍（7）AvalancheEngine（雪崩引擎）雪崩引擎代表作有《正当防卫》系列。在一代的基础上，二代从各方面对进行了深层次的剥离、优化和改良，使“正当防卫”系列从诞生以来，就具备了许多同类游戏不具备的优秀特质。《正当防卫》系列游戏的某一画面。1.2常见商用游戏引擎介绍（8）CryENGINE（尖叫引擎）尖叫引擎代表作有《孤岛危机》系列。与其他引擎不同，Cry3不需要第三方插件，自身就可以支持物理、声音还有动画，以及制作出业界顶级的画面。《孤岛危机》系列游戏的某一画面。1.2常见商用游戏引擎介绍（9）TheDeadEngine（死亡引擎）死亡引擎代表作有《死亡空间》。“死亡空间”被媒体誉为史上最恐怖的游戏之一。《死亡空间》的某一画面。1.2常见商用游戏引擎介绍

（10）NaughtyDogGameEngine（顽皮狗引擎）顽皮狗引擎代表作有《神秘海域》系列。顽皮狗可以称为次世代全能引擎，顽皮狗在主机平台上的强大是全方位的。《神秘海域》系列游戏的某一画面。1.2常见商用游戏引擎介绍Unity代表作：《神庙逃亡》《炉石传说》《王者荣耀》《崩坏3》Unreal代表作：《战争机器》《质量效应》《无主之地》《镜之边缘》CRY代表作：《孤岛危机》系列最常见的商用游戏引擎及代表作1.2常见商用游戏引擎介绍1.3

3D仿真软件简介1.3.13D仿真的概念1.3.23D仿真软件与游戏引擎的关系1.3.13D仿真的概念3D仿真是指利用计算机技术生成的一个逼真的，具有视、听、触、味等多种感知的虚拟环境，用户可以通过其自然技能使用各种传感设备同虚拟环境中的实体相互作用的一种技术。3D仿真中应用到多种技术，如3D建模、立体合成显示、触摸反馈、交互、系统集成等技术。具体来讲，3D仿真是利用沉浸式的三维显示系统和装有传感器的手套(或衣服、头盔)，在伴有虚拟的声音和感触下，使受训人员沉浸在一种非常逼真的专为训练而设置的环境中，可满足多种科目训练的需要。1.33D仿真软件简介冶金仿真软件1.33D仿真软件简介机械部件拆解仿真软件1.33D仿真软件简介生产线仿真软件1.33D仿真软件简介船厂仿真软件1.33D仿真软件简介1.3.23D仿真软件与游戏引擎的关系目前，3D图形技术大量应用于游戏和仿真领域，从技术实现上可分为基础层、中间层和应用层三个层次。基础层主要是3D加速硬件和厂商提供的基本的API函数接口；中间层则是根据游戏和仿真各自不同的需求编写的公共引擎或软件（在游戏领域多称之为XX游戏引擎，仿真方面一般称为XX仿真软件或XX仿真环境）；应用层则是具体的游戏产品或仿真应用。1.33D仿真软件简介1.3.23D仿真软件与游戏引擎的关系可以看出，3D游戏引擎和仿真软件同处于中间层，但他们各自有着不同的侧重，但有一点是共同的：他们都拥有强大的3D图形引擎作为表现输出的基础。游戏引擎（仿真软件）是一款游戏产品（仿真应用）的基础，在一个相对成熟的游戏引擎基础上，游戏开发商能很快地根据需要开发出相应的游戏产品，仿真软件商也能很快地为客户建立各种仿真应用。1.33D仿真软件简介3D游戏引擎与仿真软件针对不同的应用需求有着各自的侧重点（虽然从目前发展的趋势上看，二者走得越来越近）。仿真软件更注重仿真的内容和各种仿真分析工具，对画面的要求没有游戏引擎高。目前市场上有不少成熟的商业仿真软件开发包，包括Vega系列、VR Tools 、Delta3D等。而游戏引擎更注重画面的表现效果和游戏的框架的搭建，使得游戏开发者能更高效地开发出令人震撼的游戏产品。1.3.23D仿真软件与游戏引擎的关系1.33D仿真软件简介1.4

Unity引擎介绍1.4.1Unity引擎的诞生1.4.2Unity引擎发展史1.4.3Unity开发的经典游戏1.4.4Unity在VR/AR的应用2004年，由于来自丹麦的Joachion与德国的NicholasFrancis非常喜欢做游戏，他们邀请了来自冰岛的David成立了团队OvertheEdgeEntertainment，开发了第一代版本的Unity引擎，而Unity公司也于2004年在丹麦的哥本哈根诞生，并在2005年将公司总部设立在了美国旧金山，同时发布了Unity1.0引擎版本。起初Unity只能应用于MAC平台，直到2008年推出Windows版本，并开始支持IOS和WII，并荣登2009年游戏引擎的前五名。到2010年Unity开始支持Android，2011年开始支持PS3和XBOX360。此时，Unity完成了全平台的构建。1.4Unity引擎介绍1.4.1Unity引擎的诞生目前，Unity已经从纯2D游戏开发发展到了3D游戏开发，因此Unity又称为Unity3D。Unity在经历了十几年的技术更新迭代后，截至本书完稿时，Unity已经发布了2021版本。随着它的功能越来越强大、支持的平台越来越多、第三方的插件库越来越丰富，凭借方便的可视化操作和可扩展的编程开发组件，除了深扎于游戏开发领域外，Unity正在全面渗透工业、影视、动画、新媒体艺术等诸多领域。1.4Unity引擎介绍1.4.2 Unity引擎发展史Unity3D里程碑式的发展历程如下：2004年，Unity诞生于丹麦。2005年，将总部设在了美国旧金山，并发布Unity1.0版本。起初，Unity只能应用于Mac平台，主要针对Web项目和VR的开发。2008年，Unity推出Windows版本，并支持ios和wii平台，从众多游戏引擎中脱颖而出。2010年，Unity开始支持android，继续扩大影响力。2011年，Unity开始支持PS3和Xbox360，可看作全平台的构建完成。1.4.2 Unity引擎发展史1.4Unity引擎介绍2012年，Unity上海分公司成立，同年发布Unity4.0版本。2014年，Unity在全球拥有30多个国家和地区超过300名雇员。2015年，发布Unity5.0版本。包含了大量的更新，如Enlighten实时照明系统和基于物理特性的着色器，启动速度和渲染效率都大大提升。同时，开发了全面改革的音频系统以及新的混音器等。2017年，发布Unity2017版本。强化了2D游戏，对过场动画进行了加强，增加了timeline等特性，扩展现实(XR)平台支持，VR开发优化与性能提升，直接访问FBXSDK源代码，从而加快了工具间平滑无损的往返工作流程的开发等。1.4.2 Unity引擎发展史1.4Unity引擎介绍2018年，发布了Unity2018版本。它的重要功能包括：预制件嵌套和相关工作流程的改进，编辑器用户偏好设置改进，影视相关Timeline和Cinemachine改进，世界构建功能和工具改进，地形系统改进，资源包管理器和UnityHub改进，等等。2021年，Unity2021.1版本发布。Unity2021系列直接建立在Unity2020LTS的基础上，关键的改进方向为核心产品的互操作性与稳定性改进。最新版本的Unity2021.1有三个重点优化的方向：可视化脚本、网络代码和渲染通道。1.4.2 Unity引擎发展史1.4Unity引擎介绍Unity引擎以其优秀的兼容性、高质量的画面水平以及简单的操作被众多游戏开发者所喜爱。越来越多的游戏开发者选择使用Unity来开发出各种类型的游戏，这不仅是Unity能为企业节省大量的游戏开发成本、缩减游戏研发周期，更可以帮助开发者有效降低开发的复杂性，甚至可以满足一次编写、多平台发布的跨平台架构需求。1.4.3 Unity开发的经典游戏1.4Unity引擎介绍（1）《王者荣耀》一款由腾讯天美工作室开发并运营在Android和iOS平台上的MOBA多人对战竞技类手游，于2015年11月正式公测，它曾在手游排行榜上长期雄踞榜首。2016年11月，《王者荣耀》入选2016年中国泛娱乐指数盛典“中国IP价值榜-游戏榜Top10”。1.4.3 Unity开发的经典游戏1.4Unity引擎介绍（2）《炉石传说：魔兽英雄传》一款由全球最知名游戏公司暴雪推出的集换式卡牌游戏，在中国大陆由网易公司独家运营。它是一款跨平台的联机游戏，有Windows、MacOS、iOS和Android等版本，而且不同设备之间可以实现无缝的联机对战。1.4.3 Unity开发的经典游戏1.4Unity引擎介绍（3）《愤怒的小鸟2》由芬兰公司Rovio开发的休闲益智类游戏，它曾经是最为成功的手机游戏之一。而根据该游戏改编的电影在上映后也曾获得好评。1.4.3 Unity开发的经典游戏1.4Unity引擎介绍（4）《超级马里奥》手游版（SuperMarioRun）由任天堂开发的手机游戏。在2016年9月8日的苹果发布会上，任天堂宣布将于2016年12月发布iOS版本的“超级马里奥”游戏，这一消息甚至让同台发布的iPhone7新系列手机黯然失色。1.4.3 Unity开发的经典游戏1.4Unity引擎介绍（5）《精灵宝可梦》手游版（PokemonGo）由任天堂、口袋妖怪公司和谷歌NianticLabs联合开发的AR（增强现实）游戏，是一款使用AR技术的宠物养成对战类RPG手游。1.4.3 Unity开发的经典游戏1.4Unity引擎介绍经历了2016年VR/AR（虚拟现实/增强现实）大爆发，VR/AR技术迎来了一个发展元年。2019年是VR/AR增长的一年，它也必将成为今后几年值得关注的重点领域。在如今的AR/VR应用开发中，Unity占据了主导的地位。Unity除了在游戏领域大放异彩外，也在教育培训、建筑漫游、工业仿真、航空航天、医学模拟等领域广泛应用。1.4.4 Unity在VR/AR的应用1.4Unity引擎介绍（1）VR/AR教育培VR/AR教育培训越来越普遍，利用VR/AR技术学习的人也越来越多。教师可以在VR教室中为远程学习者授课，学生可以通过VR沉浸方式以有趣的新方式参与学习，而AR也为在职培训带来了新的灵活性。1.4Unity引擎介绍1.4.4 Unity在VR/AR的应用（2）VR/AR医疗目前，VR/AR主要应用于临床手术、医疗教育、远程医疗、心理康复、生理修复训练、痛感控制和个性化健身等。未来的VR医学不仅仅是简单的虚拟医学培训，还可实现在线医院，打造未来以虚拟培训为基础、实践为目的的虚拟医疗体系。1.4Unity引擎介绍1.4.4 Unity在VR/AR的应用（3）VR/AR博物馆结合三维实时场景、文字、录音解说、虚拟漫游等多种方式，可360度展示博物馆、科技馆、美术馆、规划馆、纪念馆、主题馆、企业馆等建筑特