王建華

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610065)

1 需求分析

游戲引擎[1]，是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可以對游戲進(jìn)行基礎(chǔ)支持的一系列實(shí)時(shí)處理模塊的有機(jī)結(jié)合，是游戲的核心程序。在游戲中，玩家所體驗(yàn)到的場景的運(yùn)行速度、絢麗的特效，真實(shí)的渲染效果等各方面都是由游戲引擎決定的。3D游戲引擎是游戲引擎中的一個(gè)難點(diǎn)，是為3D游戲量身定做的一系列工具的總和，要比2D環(huán)境下的引擎的設(shè)計(jì)復(fù)雜得多。

3D游戲引擎是很復(fù)雜的，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的3D游戲引擎不是一件易事，為了簡化項(xiàng)目復(fù)雜度并且保證引擎能進(jìn)行正常的工作，只實(shí)現(xiàn)3D游戲引擎的基礎(chǔ)圖形部分。因?yàn)檫@個(gè)部分可以將游戲的輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為輸出圖形，并在屏幕上進(jìn)行顯示，人們所能接收的經(jīng)過處理的信息就是顯示在屏幕上的圖形，這個(gè)部分的好壞直接影響到了使用該3D圖形渲染引擎開發(fā)的游戲的體驗(yàn)。

2 管線設(shè)計(jì)

由于包含著色器的3D渲染引擎的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，不便于初學(xué)者理解，本文采用比較容易實(shí)現(xiàn)的固定管線，雖然固定管線的渲染效果比著色器的渲染效果差，但是其工作流程十分清晰，原理也比較容易理解，便于初學(xué)者掌握，并激發(fā)其在這個(gè)方向上繼續(xù)研究下去的動力。管線最終的流程如圖1所示。

圖1

3 模塊功能設(shè)計(jì)

（1）頂點(diǎn)緩沖區(qū)

用于存儲用戶輸入頂點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，顏色數(shù)據(jù)，法線數(shù)據(jù)，并存儲各頂點(diǎn)在攝相機(jī)坐標(biāo)系下的深度值，為三角形繪制時(shí)的插值計(jì)算提供必須的深度值。頂點(diǎn)緩沖區(qū)還應(yīng)提供復(fù)制的功能，以及能對頂點(diǎn)進(jìn)行變換的接口。

（2）索引緩沖區(qū)

用于存儲由頂點(diǎn)所構(gòu)成的平面的面數(shù)據(jù)（為了便于計(jì)算，統(tǒng)一采用三角形平面）這些數(shù)據(jù)有：構(gòu)成三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的序號，三角形的頂點(diǎn)的卷繞方式，三角形平面的面顏色，三角形平面的紋理以及其各頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)。索引緩沖區(qū)還應(yīng)提供平面的背面剪裁功能，及時(shí)剔除不需要進(jìn)行繪制的平面，減少不必要的計(jì)算開銷，提升引擎的渲染效率。

（3）屏幕緩沖區(qū)

用于存儲屏幕某點(diǎn)最終應(yīng)該顯示的顏色，對于有多個(gè)3D空間中的點(diǎn)都會變換到同一屏幕上的點(diǎn)的情況，為了簡化問題，認(rèn)為所有的平面都是不透明的，不進(jìn)行顏色遮罩處理，而是簡單地選取距離攝相機(jī)最近的點(diǎn)的顏色作為此點(diǎn)的最終色，在一次繪制完成后，清空屏幕緩沖區(qū)，然后進(jìn)行下一次繪制。

（4）幾何變換中的基本工具

為固定管線提供基本的功能支持，這些工具包括，三維向量，四維向量，三階矩陣，四階矩陣，攝相機(jī)，管線中經(jīng)常要使用這些工具，例如，可用其進(jìn)行所需的各種變換，將3D空間中的點(diǎn)映射到屏幕空間上。

（5）圖片采樣器

用于讀取資源圖片，并生成MipMap所需的減采樣后的紋理，并負(fù)責(zé)對圖片的存儲結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到所需要的像素的顏色，在圖片使用完后，負(fù)責(zé)資源的釋放工作，防止內(nèi)存資源過于緊張。

（6）場景圖

用于處理多對象之間有層次關(guān)系的情境，只需對頂層實(shí)體進(jìn)行變換，即可實(shí)現(xiàn)對其子實(shí)體的級連變換，很大程度上簡化了使用此3D圖形渲染引擎的游戲開發(fā)者的工作，使其將更多的精力投入到游戲其他方面的設(shè)計(jì)與制作中，提升開發(fā)游戲的效率，縮短游戲的開發(fā)周期。

4 變換設(shè)計(jì)[2]

（1）世界空間變換

在3D圖形程序中，有些物體的位置在整個(gè)程序運(yùn)行期間都不會變化（相對于游戲世界），我們稱其為靜態(tài)對象；而有些物體不是靜止不動的，而是需要根據(jù)輸入的參數(shù)或根據(jù)自身的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整的，我們稱其為動態(tài)對象。對于后者，我們應(yīng)提供一些必要的動態(tài)變換功能，例如對象的平移和旋轉(zhuǎn)，有了這個(gè)功能以后，用戶就可以很方便地對動態(tài)對象進(jìn)行控制，使對象能按設(shè)定的模式進(jìn)行工作，而不用在每幀更新時(shí)輸入對象在新位置的數(shù)據(jù)，因?yàn)槠湓谛挛恢玫臄?shù)據(jù)會自動計(jì)算，在很在程度上減少了用戶的工作量。

（2）視點(diǎn)空間變換

我們需要通過模擬人眼觀察物體的過程或模擬照相機(jī)攝像的過程來實(shí)現(xiàn)較為真實(shí)的渲染，因此需要將全部對象轉(zhuǎn)換到視點(diǎn)坐標(biāo)系下，在這個(gè)坐標(biāo)系下，攝相機(jī)處在原點(diǎn)位置，攝相機(jī)的朝向向量，攝相機(jī)的俯仰程度向量，以及一個(gè)側(cè)向向量構(gòu)成了此坐標(biāo)系的三個(gè)基向量，這樣做符合人們的日常生活經(jīng)驗(yàn)，便于人們理解和接受。在攝相機(jī)空間中，我們需要進(jìn)行平面的背面剪裁，及時(shí)剔除無需考慮的內(nèi)容，提升系統(tǒng)的效率。

（3）剪裁空間變換

對視角空間進(jìn)行進(jìn)一步的變換，將由近平面，遠(yuǎn)平面，左平面，右平面，上平面和下平面組成的一個(gè)平頭視錐體轉(zhuǎn)化為一個(gè)立方體，由于對立方體的剪裁效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不規(guī)則形體的剪裁效率[4]，所以通過這個(gè)變換，降低了后續(xù)的視椎體剪裁操作的計(jì)算量，減少了資源的消耗。

（4）標(biāo)準(zhǔn)空間變換

將剪裁空間的非標(biāo)準(zhǔn)立方體轉(zhuǎn)化為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體，標(biāo)準(zhǔn)化的好處是可以更好地表現(xiàn)出各點(diǎn)的位置關(guān)系，并且為后續(xù)工作的進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

（5）屏幕空間變換

將標(biāo)準(zhǔn)空間中的點(diǎn)變換到屏幕空間中用以顯示，這個(gè)過程的一個(gè)非常重要的任務(wù)是進(jìn)行相應(yīng)的左右手系的變換以便正確顯示計(jì)算結(jié)果。

5 繪制示例

在此示例中，存在一個(gè)天空盒，天空盒[5]實(shí)際上是在立方體的內(nèi)部觀察立方體，并且將圖片貼在立方體內(nèi)側(cè)而形成的。在立方體的中心放置了一個(gè)攝相機(jī)用于觀察，攝相機(jī)會不停地進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)，因此可見內(nèi)容會隨著時(shí)間而出現(xiàn)周期性變化，實(shí)驗(yàn)總共使用了3張圖片用來進(jìn)行貼圖操作，其中，一張用于地面貼圖，一張用于天空貼圖，還有一張用于四周景色的貼圖。在此示例中采用透視投影，因此會出現(xiàn)近大遠(yuǎn)小的感覺，距離攝相機(jī)近的貼圖會有明顯的拉伸感，見圖2：從中可以看出，總體渲染效果能滿足一般的3D圖形程序的要求，但是由于浮點(diǎn)數(shù)的誤差，在兩個(gè)平面的交接處，有可能會出現(xiàn)一點(diǎn)黑色的縫隙。

圖2

6 結(jié)語

本文利用C++語言[3]和Visual Studio 2015開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了3D游戲引擎中的渲染部分，并通過對圖形渲染部分的詳細(xì)說明，使讀者對3D游戲引擎中的渲染部分有了更深入的了解。

當(dāng)前完成的3D渲染引擎實(shí)現(xiàn)了進(jìn)行3D渲染時(shí)所用的基本功能，還可以完成一些較為高級的功能，但是這僅僅是一個(gè)示例性質(zhì)的引擎，并沒有諸如資源管理、配套的開發(fā)工具和與硬件良好結(jié)合等在商業(yè)用的高端引擎中存在的一些特性，因此這個(gè)引擎是不完善的，有著很大的改進(jìn)空間，但是此示范性引擎的優(yōu)點(diǎn)在于以通俗易懂的方式向讀者闡明了3D渲染引擎的一種實(shí)現(xiàn)方式，達(dá)到了便于理解和掌握這一目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]David.H.Eberly.3D游戲引擎設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[2]王長波，高巖.3D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：10-90.

[3]Charles.Petzold著.Windows程序設(shè)計(jì).方敏，張勝等譯.北京：清華大學(xué)出版社，2010：506-642.

[4]David.F.Rogers著.計(jì)算機(jī)圖形算法基礎(chǔ)[M].石教英，彭群生等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[5]石教英.虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)及使用算法[M].北京：科學(xué)出版社，2002.