王龍+李韜偉+楊振發(fā)

摘 要：電子游戲在近半個世紀(jì)發(fā)展過程中，成為了發(fā)展最迅速的行業(yè)之一。游戲引擎是縮短游戲開發(fā)周期、提高游戲研發(fā)效率的應(yīng)用程序組件集合，包含多種功能模塊接口，是保證游戲開發(fā)質(zhì)量的關(guān)鍵。通過分析游戲引擎的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，剖析游戲引擎的組成原理，提出了游戲引擎的基本架構(gòu)，分析了游戲引擎開發(fā)中繪制和事件雙驅(qū)動的運行流程機制，設(shè)計了游戲引擎評價分析因子，并結(jié)合實例進(jìn)行了簡要說明，最后展望了游戲引擎的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：電子游戲；游戲引擎；Unreal；CryEngine；Unity3D

DOIDOI：10.11907/rjdk.172317

中圖分類號：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0005-03

0 引言

電子游戲從上世紀(jì)60年代出現(xiàn)以后，在短短的幾十年時間發(fā)展迅速，極大地推動了軟硬件行業(yè)發(fā)展。2013 年游戲《Grand Theft Auto V》（Rockstar 2014）發(fā)布的 24小時內(nèi)，就為開發(fā)商創(chuàng)造了8億美元的收入[1-2]。無獨有偶，2016年游戲《王者榮耀》成為騰訊科技公司的最佳項目之一，為公司帶來豐厚的利潤與廣闊的市場空間。電子游戲已然成為當(dāng)今時代一個現(xiàn)象級的產(chǎn)物，不僅能夠娛樂大眾，還推動了各個行業(yè)的發(fā)展，是經(jīng)濟的重要組成部分之一[3]。

游戲引擎是縮短游戲開發(fā)周期、提高游戲研發(fā)效率的應(yīng)用程序組件集合，包含多種功能模塊接口，是游戲開發(fā)質(zhì)量的關(guān)鍵。游戲開發(fā)是多個工種合力完成的一項大型復(fù)雜的工程[7-9]。游戲引擎出現(xiàn)之前，需要各個領(lǐng)域的專家耗費大量時間與精力才能完成一個簡單的游戲。游戲引擎出現(xiàn)后，許多功能組件都進(jìn)行了封裝，開發(fā)人員不再需要面對底層開發(fā)，不必從零開始，從而有效提高了游戲開發(fā)效率。

游戲引擎在最近幾年得到了快速發(fā)展，也成為互聯(lián)網(wǎng)用戶訪問搜索的熱點話題之一，圖1是游戲引擎的百度指數(shù)圖。百度指數(shù)是以大量網(wǎng)民在百度產(chǎn)生的互聯(lián)網(wǎng)行為數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究關(guān)鍵詞搜索趨勢、洞察網(wǎng)民興趣和需求、監(jiān)測輿情動向等問題的數(shù)據(jù)分析平臺。百度指數(shù)能夠反映事物在大眾傳播和輿論中的影響力。游戲引擎的搜索趨勢圖顯示了游戲引擎受大眾關(guān)注的程度。游戲引擎自2011年后，整體發(fā)展比較平穩(wěn)，15、16年出現(xiàn)過一次較大波動。具體而言，2014年雙核心顯卡成功問世，意味著普通PC已可以渲染、繪制更精致細(xì)膩的3D電子游戲畫面，因此游戲引擎引起了商業(yè)界、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。2015年Unity3D多平臺游戲引擎Unity5正式對外發(fā)布，圖1 游戲引擎百度指數(shù)圖使獨立開發(fā)游戲變得越來越容易，一時間游戲引擎的概念再次被熱議。2016年為VR元年，VR受到了廣泛熱捧，游戲引擎也因此備受關(guān)注。

時至今日，游戲引擎的數(shù)量在世界范圍內(nèi)有上百種，著名的有Unreal、CryEngine、Unity3D、Torque3D等[5-6]。不同的游戲引擎有著共同的框架結(jié)構(gòu)，本文對游戲引擎的原理以及基本組成進(jìn)行了研究，針對Unreal、CryEngine、Unity3D等最常用的游戲引擎展開分析，并對游戲引擎的發(fā)展作出展望。

1 游戲引擎基本架構(gòu)

引擎在信息技術(shù)領(lǐng)域是指電子平臺上運行程序或系統(tǒng)的核心組件，開發(fā)人員利用游戲引擎能夠高效、便捷地設(shè)計和編寫程序需要實現(xiàn)的功能[6]。游戲引擎是信息技術(shù)領(lǐng)域常見的三大引擎之一，即搜索引擎、殺毒引擎和游戲引擎。游戲引擎常被比作汽車引擎，游戲者感受到的游戲場景、劇情、音樂、邏輯等猶如汽車之于用戶的速度、扭矩等，游戲引擎就是汽車的發(fā)動機，將游戲中的所有元素有序地組織在一起，為游戲提供強力支撐[10-11]。

游戲開發(fā)整個過程可以描述為，開發(fā)人員在計算機、音響、顯示器等硬件設(shè)備上，在程序開發(fā)環(huán)境下利用開發(fā)工具，將游戲場景與真實世界融合顯示給玩家，并針對情景設(shè)計游戲故事主題，以保證游戲的趣味性。因此，基于游戲引擎開發(fā)過程的思維角度，本文將游戲引擎架構(gòu)設(shè)計為以下組成部分，如圖2所示。

游戲引擎框架包括4部分：硬件、開發(fā)、場景、游戲性，這4個部分共同作用實現(xiàn)游戲引擎，具體介紹如下：①硬件部分主要包括：I/O接口、聲音、網(wǎng)絡(luò)和圖形，此部分完成游戲引擎對硬件資源的管理與使用；②開發(fā)部分主要包括：開發(fā)環(huán)境、腳本解析、插件，為開發(fā)人員使用引擎、靈活裝配功能組件提供支持；③場景部分為兩部分：渲染引擎和物理引擎，這是游戲引擎最核心的部分。其中，渲染引擎還包括：光照、陰影、動畫、粒子特效等子系統(tǒng)，是游戲體現(xiàn)真實感、交互性的關(guān)鍵組成。物理引擎由兩部分組成：一是碰撞檢測部分，碰撞檢測是虛擬世界中模型與模型之間的物理關(guān)系，確保了虛擬場景中的模型不被“穿過”，提高了場景的交互真實感；二是物理模擬部分，包括重力、剛性物理、柔性物理，豐富了虛擬場景對真實世界的模擬；④游戲性部分主要包括：資源管理、場景管理、數(shù)學(xué)庫與人工智能（AI），該部分包括了游戲邏輯、關(guān)卡設(shè)計，是用戶游戲趣味性體驗的重要部分。

2 游戲引擎運行流程

游戲引擎運行在計算機、電子設(shè)備等硬件平臺上，通過引擎初始化啟動硬件資源，按照繪制流程運行游戲設(shè)計人員設(shè)計的代碼，實現(xiàn)游戲整個過程。游戲引擎目前已支持在多種不同平臺上運行，既可支持傳統(tǒng)的桌面平臺，也支持頁面牽引的網(wǎng)絡(luò)平臺；既支持桌面端的Windows系統(tǒng)和Mac系統(tǒng)，也支持移動端的Andriod系統(tǒng)和iPhone系統(tǒng)。不同平臺、不同系統(tǒng)運行略有差異，總體上都滿足如圖3所示的運行流程。

游戲引擎運行是按照場景繪制和事件觸發(fā)組織整個游戲過程。根據(jù)運行圖，流程包括兩部分：①場景繪制驅(qū)動運行，主要是指在游戲場景中光影發(fā)生強弱改變、視角發(fā)生移動、動畫產(chǎn)生新序列、粒子系統(tǒng)粒子正常衰減等造成的場景內(nèi)容本身的變化，游戲引擎則會觸發(fā)重新繪制場景機制，運行程序；②事件驅(qū)動的場景變化，比如：輸入設(shè)備感知到用戶發(fā)生了向前移動的變化，以及場景模型碰撞被檢測、關(guān)卡切換等交互事件，同樣會引起運行程序啟動不同模塊。endprint

3 游戲引擎評價分析

游戲引擎經(jīng)過幾十年的發(fā)展已有上百種產(chǎn)品，功能也越來越豐富、強大，涌現(xiàn)出了一系列優(yōu)秀的游戲引擎，如：重量級的規(guī)模龐大的Unreal虛幻以及CryEngine；中量級易于快速掌握使用的Unity3D以及DOOM/Quake等?？梢哉f對于任意一個新設(shè)計的游戲，它能實現(xiàn)什么樣的游戲效果，很大程度上依賴游戲引擎對它的支持。那么，如何評價眾多游戲引擎，本文給出以下幾個評價因素作為游戲引擎分析的依據(jù)，即：編輯器、第三方插件、SDK接口、場景繪制功能、硬件配置性能、平臺及市場占有率。

編輯器是開發(fā)人員的工具，“工欲善其事，必先利其器”，一個好的編輯平臺會大大縮短開發(fā)周期；對于第三方插件和SDK接口，當(dāng)前在軟件方面集成優(yōu)秀的庫與插件的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自己開發(fā)，這是游戲引擎兼容能力的體現(xiàn)；場景繪制能力是檢驗游戲引擎的核心標(biāo)準(zhǔn)，是游戲最出彩的部分，包括場景光照、凹凸貼圖、水面、霧等高級效果是檢驗游戲引擎最直觀的標(biāo)準(zhǔn)；目前，隨著移動設(shè)備的快速發(fā)展，支持跨平臺發(fā)布游戲成為游戲引擎的最大需求；最后，市場占有率是能夠間接反映游戲引擎功能的一個指標(biāo)，市場越熱其發(fā)展越快，功能也更新、更完善。

下面結(jié)合實例進(jìn)行說明，如圖4所示，Unity3D在近幾年里，其百度搜索指數(shù)從2011年的與Unreal和CryEngine齊頭并進(jìn)，到2017年已成為游戲引擎的一枝獨秀。事實上，這幾年Unity3D已多次進(jìn)行了版本升級，構(gòu)建了完備的功能，從過去簡單的游戲?qū)崿F(xiàn)方式，發(fā)展成如今的場景繪制栩栩如生，可支持多傳感器交互以及Windows、iOS、strawberry、Andriod等多個平臺，同時支持網(wǎng)頁游戲的開發(fā)與制作的多樣化功能。功能的全面與完善帶來了良好的口碑，在市場上發(fā)展勁頭十足。

4 總結(jié)與展望

本文通過對游戲引擎現(xiàn)狀與原理的研究，提出了游戲引擎的基本架構(gòu)，分析了利用游戲引擎開發(fā)游戲中繪制驅(qū)動和事件驅(qū)動的運行流程機制，設(shè)計了游戲引擎評價分析因子，并結(jié)合實例進(jìn)行了簡要說明。游戲引擎是一系列計算機軟硬件的接口，隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，游戲引擎可支持在更多平臺上運行，游戲的開發(fā)周期也將大大縮短。此外，Unity3D作為一款中輕量級的游戲引擎，近年來在社區(qū)的經(jīng)營推動下，獲得了快速發(fā)展，在場景渲染與交互方面表現(xiàn)極為突出，已適應(yīng)在多種不同平臺下的開發(fā)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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