游戏引擎剖析－－第5部分: 物理，运动，效果
原文作者：Jake Simpson
译者： 向海
Email： [email protected]
第5部分: 物理，运动，效果
世界建造
常常在建立一个含有任何3D成分的游戏时，你最终要试图建立一个将会在里面产生游戏动作的3D环境。 不知怎么的游戏开发者提供了一个建立这种环境的方，它容易修改，有效率，有较低的多边形数量，对于游戏既容易渲染又容易运用物理学。很简单，对吗？当做这个的时候我用左手在做什么？当做这的时候 , 我对我的左手做什么? 是的。不错。
虽然那里有许多3D结构程序，从CAD/CAM程序到3D Studio Max，建造游戏世界是不同于建造内部或外部世界的模型的尴尬。你有三角形数量问题 -- 任何给定的渲染器一次只能渲染这么多的多边形，这对于天才的关卡设计师来说永远都不够。不知这些，你也只能每个关卡存储预定数量的多边形，所以即使你的渲染器能够在视野中处理250，000个多边形，即使你只能在合理数量的空间中存储500，000个多边形，那么取决于你怎么处理它，最后你的关卡价值像两个房间那么小。不好。
任何方法，开发者需要提出一个创作工具 -- 最好足够灵活，允许游戏引擎需要的各种事物 – 比如，在世界中放置对象，在进入游戏以前对关卡的适当预览，以及准确的光照预览。在他们花三个小时预先处理关卡来产生一个 '引擎可消化的' 格式之前 , 这些能力允许游戏开发者看到关卡将在游戏中看起来怎么样。 开发者需要关于关卡，多边形数量，网格数量等等的相应数据。 他们需要一个合宜而友好的方式能够让世界有纹理背景图，容易存取多边形数量缩减工具，如此等等。这个清单可以继续列下去。
在先前已经存在的工具中找到这个功能是可能的。许多开发者使用Max或者Maya建造他们的关卡， 但即使3D Max需要对它的功能有一些任务特定的扩展来有效率地完成关卡建造工作。甚至可能使用关卡建造工具，像QERadient（见下图），而且把它的输出重新处理成你的引擎能够解释的格式。
不能看见它? 别烦扰…
回想一下我们在第一部分讨论的BSP (二叉空间分割) 树，你也可能听说过潜在可视集合（PVS）这个术语正被四处谈论。两者都有相同的目标，不去探究涉及到的繁杂的数学，它是一种把世界分解为你能从世界任何给定位置看见的墙壁的最小子集的方式。在实现时，它们仅仅返回你能看见的那些，而不是那些隐藏在可能被遮挡的墙壁后面的。你能想象出这给软件渲染器带来的好处，渲染的每个像素(可能是这样的情形)极为重要。它们也按从后到前的顺序返回那些墙壁，在渲染时这是很方便的，因为你能够在渲染次序中确定一个对象的实际位置。
大体而言，BSP 树最近正不受欢迎，由于它们的一些古怪，而且因为我们从当今3D显示卡获得的像素吞吐量，再加上Z缓冲像素测试，BSP 常常成了一个多余的过程。它们在计算出你在世界的确切位置和正在你周围的几何物体方面是便利的，但常常有比BSP树更好而且更直观的方式来存储这些信息。
潜在可视集像它听上去一样非常好。它是这么一个方法，在任何给定时间，给定你在世界的位置，它决定世界的哪些表面，哪些对象实际上可以看得见。这时常用来在渲染之前剔除对象，也剔除它们来减少AI和动画处理。毕竟，如果你实际上不能看见它们,为什么还要费脑筋处理呢。多半这真的是不重要的，如果一个非玩家角色（NPC）正在播放动画，或者甚至在运行它的AI思考。
游戏物理学
既然我们已经在内存中得到了世界的结构，我们必须防止我们的角色从里面掉落出去，并处理地板，斜坡，墙壁，门，以及移动平台。加之，我们必须正确地处理地心引力，速度变化，惯性，和放置在世界里面的其它对象的碰撞。这被看作是游戏物理学。而且在我们进一步深入讨论之前，我想现在就在这里消除一个神话。任何时候你在世界中看见物理，或者任何人在一个复杂的游戏环境中宣称“真实的物理”，很好，它是BS。超过80%的建造一个有效率游戏物理系统的精力花在简化用来处理世界中对象的真实方程式上面。甚至那时，你时常忽略什么是‘真实的’，并创造一些‘有趣的’东西，毕竟，这是目标所在。
经常地游戏者将会忽视真实世界的牛顿物理学，并扮演他们自己的，更有趣的真实版本。例如，在QuakeII里面，你能够立即从0加速到35MPH，并快速停下来。没有摩擦力，而且斜坡不提供真实斜坡提供的相同类型的重力问题。身体没有它们应该的作用在所有关节上的地心引力 -- 你看不见身体像真实生活中那样倒在桌子上面或者边缘 -- 而且地心引力它本身甚至可能是可变的。 面对现实吧，在真正的世界中，空间中的飞船不像二战飞行战斗员在它们的表面操作那样实行。在空中，全部是力和反作用力，力在重量点周围作用，等等。不像 X-Wing中的Luke Skywalker那样啸叫。尽管那样做更加有趣！
作为游戏开发者来说，无论我们做什么，我们需要能够检测墙壁，检测地板，在世界中处理和其他对象的碰撞。这些是现代游戏引擎的必备 – 我们决定对它们进一步要做的取决于我们和我们的游戏需要。
效果系统
如今绝大多数的游戏引擎建造有某种效果产生器，这允许我们表现出有洞察力的游戏者期盼的所有可爱的吸引眼球的东西。然而，效果系统幕后所进行的东西能够急剧影响幀速率，所以这是我们需要特别关心的地方。如今我们有很棒的3D显示卡，我们能够传送大量的三角形给它们，而且他们仍然要求更多的三角形。并不总是那样。 在Heretic II，使用它的可爱的软件渲染模式，由于他们漂亮的符咒效果，Raven遇到了相当严重的过度绘制问题。回想当你在屏幕上绘制相同的像素超过一次时，过度绘制就发生了。当你有许多效果正在进行，按其性质你有许多三角形，多个三角形可能相互堆叠在彼此上面。结果是你有许多重复绘制的像素。加上Alpha，这意味着在重新绘制之前你必须读取旧像素并和新的像素混合，这会消耗更多的CPU时间。
Heretic II的一些效果能说明这点，我们在一幀里对整个屏幕重复绘制了四十遍。很惊讶，是吗？因此他们在效果系统里面实现了一个系统采样在过去30幀的幀速率，如果速度开始减慢，它就自动地缩减任何给定效果绘制的三角形数量。这样使主要工作完成了，幀速率保持住了，但一些效果看上去很丑陋。
无论如何，因为如今绝大多数效果倾向使用大量很小的粒子模拟火和烟等等，结果你在效果代码里面每幀要处理许多的三角形。你必须把它们从一幀移动到下一幀，决定它们是否完成了，甚至还要在它们身上运用一些物理学以便让它们在地板上面适当的反弹。这在PC上面都是相当昂贵的，因此甚至现在你必须对你所能够做的有一些实际限制。举例来说，用一个像素粒子产生火的效果可能会很好，但当你这么做的时候就别期望在屏幕上做更多别的事情。
粒子被定义为拥有它们自己的世界位置和速度的非常小的可绘制的物体。它们不同于有方向的精灵，大的粒子使用这些精灵 -- 比如喷出的一团团烟雾。它们面向照相机自动而典型地旋转，缩放，改变它们的透明级别，因此它们能够随着时间淡出。我们容易看到大量的粒子，但我们却限制精灵的数量—尽管两者之间的真正不同如今正在模糊。将来，特别是在 DX9 和更加高级的图形硬件表面以后，我们可能看到更多的人们使用过程shader来产生跟粒子系统相似或者更好的效果，创造非常棒的动画效果。
当谈论效果系统时，你可能听说过‘图原’这个词。一个图原是你的效果系统将处理的效果的最低级别的物理表现。更进一步解释，一个三角形是一个图原。那是绝大多数引擎最终在底层绘制的 -- 大量的三角形。当你沿着系统向上时，你对图原的定义随着变化。比如说，顶层的游戏程序员不想考虑处理个别的三角形。他仅仅想说,"这个效果在这里发生" 并让系统以一种黑盒方式处理它。因此对于他来说，一个效果图原就是‘让我们在世界的这点持续这么长时间用这样的引力产生一束粒子’。在效果系统内部，它可能认为一个效果图原是它那时正在产生的每个单独的效果，像一组遵循同样的物理学规则的三角形—然后它传送所有这些单独的三角形到渲染器进行渲染，因此在渲染器层次，图原就是一个单独的三角形。有一点困惑，但你知道总的思想了。
以上就是第五部分，下一个部分是关于声音系统，和各种不同的音频APIs，3D音频效果，处理闭塞和障碍，各种不同材料对声音的影响，音频混合等等。
译者： 向海
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第5部分: 物理，运动，效果
世界建造
常常在建立一个含有任何3D成分的游戏时，你最终要试图建立一个将会在里面产生游戏动作的3D环境。 不知怎么的游戏开发者提供了一个建立这种环境的方，它容易修改，有效率，有较低的多边形数量，对于游戏既容易渲染又容易运用物理学。很简单，对吗？当做这个的时候我用左手在做什么？当做这的时候 , 我对我的左手做什么? 是的。不错。
虽然那里有许多3D结构程序，从CAD/CAM程序到3D Studio Max，建造游戏世界是不同于建造内部或外部世界的模型的尴尬。你有三角形数量问题 -- 任何给定的渲染器一次只能渲染这么多的多边形，这对于天才的关卡设计师来说永远都不够。不知这些，你也只能每个关卡存储预定数量的多边形，所以即使你的渲染器能够在视野中处理250，000个多边形，即使你只能在合理数量的空间中存储500，000个多边形，那么取决于你怎么处理它，最后你的关卡价值像两个房间那么小。不好。
任何方法，开发者需要提出一个创作工具 -- 最好足够灵活，允许游戏引擎需要的各种事物 – 比如，在世界中放置对象，在进入游戏以前对关卡的适当预览，以及准确的光照预览。在他们花三个小时预先处理关卡来产生一个 '引擎可消化的' 格式之前 , 这些能力允许游戏开发者看到关卡将在游戏中看起来怎么样。 开发者需要关于关卡，多边形数量，网格数量等等的相应数据。 他们需要一个合宜而友好的方式能够让世界有纹理背景图，容易存取多边形数量缩减工具，如此等等。这个清单可以继续列下去。
在先前已经存在的工具中找到这个功能是可能的。许多开发者使用Max或者Maya建造他们的关卡， 但即使3D Max需要对它的功能有一些任务特定的扩展来有效率地完成关卡建造工作。甚至可能使用关卡建造工具，像QERadient（见下图），而且把它的输出重新处理成你的引擎能够解释的格式。
不能看见它? 别烦扰…
回想一下我们在第一部分讨论的BSP (二叉空间分割) 树，你也可能听说过潜在可视集合（PVS）这个术语正被四处谈论。两者都有相同的目标，不去探究涉及到的繁杂的数学，它是一种把世界分解为你能从世界任何给定位置看见的墙壁的最小子集的方式。在实现时，它们仅仅返回你能看见的那些，而不是那些隐藏在可能被遮挡的墙壁后面的。你能想象出这给软件渲染器带来的好处，渲染的每个像素(可能是这样的情形)极为重要。它们也按从后到前的顺序返回那些墙壁，在渲染时这是很方便的，因为你能够在渲染次序中确定一个对象的实际位置。
大体而言，BSP 树最近正不受欢迎，由于它们的一些古怪，而且因为我们从当今3D显示卡获得的像素吞吐量，再加上Z缓冲像素测试，BSP 常常成了一个多余的过程。它们在计算出你在世界的确切位置和正在你周围的几何物体方面是便利的，但常常有比BSP树更好而且更直观的方式来存储这些信息。
潜在可视集像它听上去一样非常好。它是这么一个方法，在任何给定时间，给定你在世界的位置，它决定世界的哪些表面，哪些对象实际上可以看得见。这时常用来在渲染之前剔除对象，也剔除它们来减少AI和动画处理。毕竟，如果你实际上不能看见它们,为什么还要费脑筋处理呢。多半这真的是不重要的，如果一个非玩家角色（NPC）正在播放动画，或者甚至在运行它的AI思考。
游戏物理学
既然我们已经在内存中得到了世界的结构，我们必须防止我们的角色从里面掉落出去，并处理地板，斜坡，墙壁，门，以及移动平台。加之，我们必须正确地处理地心引力，速度变化，惯性，和放置在世界里面的其它对象的碰撞。这被看作是游戏物理学。而且在我们进一步深入讨论之前，我想现在就在这里消除一个神话。任何时候你在世界中看见物理，或者任何人在一个复杂的游戏环境中宣称“真实的物理”，很好，它是BS。超过80%的建造一个有效率游戏物理系统的精力花在简化用来处理世界中对象的真实方程式上面。甚至那时，你时常忽略什么是‘真实的’，并创造一些‘有趣的’东西，毕竟，这是目标所在。
经常地游戏者将会忽视真实世界的牛顿物理学，并扮演他们自己的，更有趣的真实版本。例如，在QuakeII里面，你能够立即从0加速到35MPH，并快速停下来。没有摩擦力，而且斜坡不提供真实斜坡提供的相同类型的重力问题。身体没有它们应该的作用在所有关节上的地心引力 -- 你看不见身体像真实生活中那样倒在桌子上面或者边缘 -- 而且地心引力它本身甚至可能是可变的。 面对现实吧，在真正的世界中，空间中的飞船不像二战飞行战斗员在它们的表面操作那样实行。在空中，全部是力和反作用力，力在重量点周围作用，等等。不像 X-Wing中的Luke Skywalker那样啸叫。尽管那样做更加有趣！
作为游戏开发者来说，无论我们做什么，我们需要能够检测墙壁，检测地板，在世界中处理和其他对象的碰撞。这些是现代游戏引擎的必备 – 我们决定对它们进一步要做的取决于我们和我们的游戏需要。
效果系统
如今绝大多数的游戏引擎建造有某种效果产生器，这允许我们表现出有洞察力的游戏者期盼的所有可爱的吸引眼球的东西。然而，效果系统幕后所进行的东西能够急剧影响幀速率，所以这是我们需要特别关心的地方。如今我们有很棒的3D显示卡，我们能够传送大量的三角形给它们，而且他们仍然要求更多的三角形。并不总是那样。 在Heretic II，使用它的可爱的软件渲染模式，由于他们漂亮的符咒效果，Raven遇到了相当严重的过度绘制问题。回想当你在屏幕上绘制相同的像素超过一次时，过度绘制就发生了。当你有许多效果正在进行，按其性质你有许多三角形，多个三角形可能相互堆叠在彼此上面。结果是你有许多重复绘制的像素。加上Alpha，这意味着在重新绘制之前你必须读取旧像素并和新的像素混合，这会消耗更多的CPU时间。
Heretic II的一些效果能说明这点，我们在一幀里对整个屏幕重复绘制了四十遍。很惊讶，是吗？因此他们在效果系统里面实现了一个系统采样在过去30幀的幀速率，如果速度开始减慢，它就自动地缩减任何给定效果绘制的三角形数量。这样使主要工作完成了，幀速率保持住了，但一些效果看上去很丑陋。
无论如何，因为如今绝大多数效果倾向使用大量很小的粒子模拟火和烟等等，结果你在效果代码里面每幀要处理许多的三角形。你必须把它们从一幀移动到下一幀，决定它们是否完成了，甚至还要在它们身上运用一些物理学以便让它们在地板上面适当的反弹。这在PC上面都是相当昂贵的，因此甚至现在你必须对你所能够做的有一些实际限制。举例来说，用一个像素粒子产生火的效果可能会很好，但当你这么做的时候就别期望在屏幕上做更多别的事情。
粒子被定义为拥有它们自己的世界位置和速度的非常小的可绘制的物体。它们不同于有方向的精灵，大的粒子使用这些精灵 -- 比如喷出的一团团烟雾。它们面向照相机自动而典型地旋转，缩放，改变它们的透明级别，因此它们能够随着时间淡出。我们容易看到大量的粒子，但我们却限制精灵的数量—尽管两者之间的真正不同如今正在模糊。将来，特别是在 DX9 和更加高级的图形硬件表面以后，我们可能看到更多的人们使用过程shader来产生跟粒子系统相似或者更好的效果，创造非常棒的动画效果。
当谈论效果系统时，你可能听说过‘图原’这个词。一个图原是你的效果系统将处理的效果的最低级别的物理表现。更进一步解释，一个三角形是一个图原。那是绝大多数引擎最终在底层绘制的 -- 大量的三角形。当你沿着系统向上时，你对图原的定义随着变化。比如说，顶层的游戏程序员不想考虑处理个别的三角形。他仅仅想说,"这个效果在这里发生" 并让系统以一种黑盒方式处理它。因此对于他来说，一个效果图原就是‘让我们在世界的这点持续这么长时间用这样的引力产生一束粒子’。在效果系统内部，它可能认为一个效果图原是它那时正在产生的每个单独的效果，像一组遵循同样的物理学规则的三角形—然后它传送所有这些单独的三角形到渲染器进行渲染，因此在渲染器层次，图原就是一个单独的三角形。有一点困惑，但你知道总的思想了。
以上就是第五部分，下一个部分是关于声音系统，和各种不同的音频APIs，3D音频效果，处理闭塞和障碍，各种不同材料对声音的影响，音频混合等等。