01-现代游戏引擎导论

为什么要学游戏引擎？

应用领域——虚拟数字人、影视动画、军事模拟、数字孪生

元宇宙-虚拟数字人概述

游戏引擎历史

早期游戏时代

早期时候的游戏非常简单，常见的游戏机包括任天堂的“红白机”，彼时做游戏面临的最大问题是如何把复杂元素放入非常小的存储空间中，常见做法包括复用贴图，比如将云彩贴图变化颜色后复用成草丛贴图等。在这期间，也涌现了《魂斗罗》、《马里奥》、《坦克大战》等知名 IP。

第一个游戏引擎

提到游戏引擎，就不得不提到游戏引擎之父**John D. Carmack，**他与另一个游戏软件天才 John Romero 共同开发出了全球首款第一人称射击游戏《德军总部 3D》（Wolfenstein 3D，1992），他将游戏中能够复用的核心功能分离出来，产生了游戏引擎雏形。

John Carmack 开发的第二款游戏——《毁灭战士》（Doom），将该游戏分离的功能制作成为游戏引擎，才有了另一款游戏《魅影术士》（Shadow Caster）。但真正的游戏引擎还没到来，直到《雷神之锤》*（Quake）*问世。

《雷神之锤》由 id Software 开发的第一人称射击游戏，是第一个系统研究联网对战下如何进行网络同步的游戏，最早的版本发布于 1996 年 5 月 31 日。雷神之锤引擎*（Quake engine，又称 Q1 引擎）*是《雷神之锤》一代游戏的核心，也被用来制作其他的第一人称射击游戏，比如《半条命》（Half-life
）和《荣誉勋章》（Medal of Honor）。Quake engine是第一个实现即时 3D 的游戏引擎，该引擎提供了实时 3D 渲染，并通过 OpenGL 支持 3D 加速，给游戏画面带来了质的飞跃。

早期计算机硬件中没有显卡，但图形运算涉及大量矩阵、向量运算，非常适合并行计算，此时就来到了游戏发展的转折点——显卡诞生。游戏引擎的发展非常依赖于硬件的发展，例如从PlayStation 1
到PlayStation 5其算力提升 20 万倍，算力的增长导致游戏质量急速提升。

现代游戏引擎

目前市面上的游戏引擎可分为三种：商业引擎*（Commercial Engine）、自研引擎（In-house Engine）以及免费引擎（Free Engine）。商业引擎主要包括 UE、Unity 等引擎，自研引擎为各大游戏公司内部使用的引擎，包括大名鼎鼎的寒霜引擎（Frostbite Engine）*，大多数免费引擎通常只适用于轻量级作品，与商业和自研引擎差距较大。

除此以外，针对特定功能模块还产生了细分功能的各类引擎。随着游戏行业的不断发展，开发者意识到物理计算等比较复杂，早期游戏都会自行实现物理碰撞等，但计算越来越复杂时，为了减少开发中不必要消耗，出现了专门用于处理物理计算的模块。在此基础上，出现了各种各样的中间件供游戏开发者使用。例如 SpeedTree，可为动画、建筑以及视频游戏和要求实时模拟的实时生成虚拟植物。

什么是游戏引擎？

• 构建“黑客帝国”的技术基础
• 创造力工具
• 复杂性的艺术

游戏引擎作为构建虚拟世界的底层框架，对于创作者（艺术家、设计师），游戏引擎需要提供工具链，使其成为人类创意或者想象力的生产力工具。对于编程者，可扩展 API 接口无需修改核心即可定义游戏可玩性*（gameplay）*。对于工作室，游戏引擎需要提供可协作性，使得开发者能够合作完成不同工作。游戏引擎体量非常复杂、庞大，很好地展现了复杂性系统的艺术-系统复杂之美，但也带来了版本迭代兼容性问题。