学习3D引擎架构技术概述

近期对3D引擎的架构设计做了一个梳理总结，现在开发游戏都离不开引擎，这些引擎包括Unity引擎，虚幻引擎，Cocos2dx引擎，自研引擎等等。很多开发者只会利用他们写逻辑，遇到优化问题就束手无策了，遇到Shader编程以及优化就感到头疼，长此以往对自己技术提升非常不利的。要改变现有的状态，就必须要系统的学习相关3D引擎技术，这样才能在使用引擎开发产品时得心应手。本篇博客从三个方面给读者做讲解，一是学习3D引擎；二是选择引擎开发产品，三是如何学习一款引擎，下面先从学习3D引擎开始。

一、 学习3D引擎

经历过多年的引擎研发和引擎使用，在此我先把学习引擎以及相关技术模块给读者列出来，技术框架图如下所示：

在上述框架图中共分为七部分，每一部分所包含的技术点并不局限于图中所列，在此一一给读者解释一下：

第一部分内容：是告诉读者学习3D引擎架构知识的前提，就是要掌握引擎的编写语言和引擎使用的图形库API接口，以及图形学渲染也就是GPU编程使用的Shader语言，基础知识是必须要掌握的。学习时可以参考这些API提供的Demo，把执行流程搞清楚，自己调试一下就可以了。

第二部分内容： 3D基础知识，比如一个3D模型要在二维屏幕上显示出来，这中间要经历一些矩阵变换才能将其在二维屏幕上显示出来，这种变换过程通常称为固定流水线，就是告诉读者它的显示是按照固定流程，它的计算都是在CPU中完成的；对应的就是可编程流水线，也就是在GPU中完成，其实就是将矩阵变换放到GPU中计算了。

第三部分内容：3D游戏引擎的技术点，在掌握了第二部分内容后，再开始学习第三部分内容，该部分内容针对的是DX的SDK或者OpenGL的SDK，二者都提供了Demo供读者学习，我们要把这些基础的3D引擎技术掌握，最好的方式是自己用手把代码敲一遍，调试一下。

第四部分内容：需要一定的数学知识，引擎的开发或者游戏的开发离不开算法的支持，当然大家也不用对其产生畏惧心理，学习任何事情都不是一蹴而就的，循序渐进的，先从基本的数据结构入手，逐步深入，图中列出的几种算法是引擎中常用的算法，四叉树或者八叉树可以用作地形的绘制，插值算法可以用于实现刀光拖尾等等，A*算法比较经典是寻路使用的，另外还有后处理算法实时阴影的网上都有很多现成的案例。

第五部分内容：这部分内容是核心的架构设计，图中所显示的是组成引擎的各个模块，场景管理模块，该模块非常重要，地形的加载通常是通过分块的方式处理的，比如魔兽地图，显示的是9块，在缓冲中的是16块，随时提供加载，场景中少不了水的渲染，这个也体现了引擎的技术层次，大家可以看看虚幻水的渲染，达到了一个顶级水准。模型插件也是必须的，Unity和现在开源的虚幻使用的都是AutoDesk提供的FBX模型，AutoDesk提供了FBX的API可以直接使用，当然自己也可以开发适用于自己引擎的模型插件，自定义格式。AI模块这里主要是指行为树算法，各种各样的灯光模块也是必须的，对应的就是相机模块，比较常用的是透视摄像机和正交摄像机，特效和UI也是引擎的组成部分，剩下最重要的是物理引擎模块，碰撞检测处理，常用的碰撞算法：Mesh碰撞，球体碰撞，胶囊体碰撞，立方体碰撞，这些碰撞算法的核心是OBB或者AABB算法，当然还有肉体碰撞处理，另外，引擎很重要的部分是关于内存管理，这部分内容将在后面的博客中介绍。

第六部分内容：3D引擎中的GPU编程，这个是令大部分程序员头疼的问题，不同的引擎使用的渲染算法是不一样的，它们主要区别还是在细节贴图方面的区别，以UE4为例，他渲染一个物体使用的材质相比Unity多一些，通过它们渲染的物体就可以看出来。快速的学习GPU编程，网上都有对应的Shader代码，可以直接在此基础上修改。还有可以直接使用Shader编辑器用于Shader的编写，调Shader效果我们可以参考Max或者Maya模型工具中的渲染效果，Max或者Maya中都有渲染Shader，它们功能很强大，引擎是无法与其攀比的，只能与其无限靠近。而且Max和Maya可以为我们提供使用了哪些Shader。该部分内容主要是针对模型的材质渲染。

第七部分内容：主要是针对引擎的后处理渲染，常用的有PSSM，HDR，Blur，Deferred等等，这些效果是在游戏的每帧图像显示之前再进行一遍后处理渲染，然后显示出来，这就是后处理渲染效果。

上图只列举了七部分内容，还有一个技术点，开发者要掌握——设计模式，与引擎开发相关的设计模式比如：单例模式，工厂模式，观察者模式，状态模式等等吧，只要能熟练掌握这些就足够了。上面框架图是给想学习引擎的读者推荐的，作为游戏开发者来说，学习引擎对自己技术提升帮助还是非常大的，不要只局限于逻辑的编写，要想成为主程，技术经理，技术总监必须要学习引擎技术。

以上是关于读者自己学习引擎的内容，现在网上有很多开源引擎，比如：Ogre引擎，虚幻引擎。。。。。

面对这么多开源引擎，作为读者如何去选择一款适合自己产品研发的引擎至关重要。

选择适合项目的引擎

开发产品首先要做的事情是选择引擎，市面上很多引擎供读者使用，游戏产品从大的方面说是页游，端游，手游；从表现形式来说有2D，3D之分。不同的产品设计对应着不同的引擎选择，现在H5游戏逐步出现了，相关的H5引擎也跟着出来了，比如：白鹭，layaBox，cocos-js。2D引擎目前还是cocos2dx引领，3D引擎的选择有Unity3D引擎和虚幻引擎，二者最大的区别是一个开源，一个不开源，当然掌握难度要看不同的人使用。选择引擎首先要考虑的问题是：

一、是该引擎是否有对应的上线产品出来，可以去下载玩玩，体验一下。

二、与该引擎相关的工具是否完备，比如场景编辑器，特效编辑器。。。。

三、该引擎上手是否比较快，这个也是重点考量的；

四、该引擎相关的文档是否完整或者详细，另外对应的论坛或者社区是否能够快速响应；

五、不同的机型适配性是否满足项目需求；

六、功能扩展性，这个涉及到代码的开源了，有第三方库并且支持第三方库开发；

七、对引擎支持的场景面数以及骨骼动画，特效做一个压力测试；

选择引擎一定要根据自身项目需求来定，这个也关系到项目成败，比如做一些3D仿真项目，要求品质比较高，这个就要考虑虚幻引擎了，当然使用的人必须具备C++编程能力，否则即使你选择对了引擎，但是项目组的人不会用也是不行的。

3D手游开发，这个选择Unity引擎开发，Unity引擎的优点这个大家都知道，就不介绍了，当然缺点也比较明显。

选择好了引擎，如何学习一款引擎，因为你不能保证项目组的每一个人都会使用。

学习一款引擎

选择好了引擎后，下面就要开始学习了，学习一款引擎可以从先整体后部分，或者说先粗后细的原则。

首先，看一下这款引擎的文档，它主要能解决啥问题。

其次，引擎的架构设计图，从整体上对整个引擎有所了解，以及类层次关系。

以上是粗看，目的是至少做到对引擎有个整体的概念。下面就是细看了，

先从引擎提供的官方Demo入手，把整个执行流程通过调试的方式学习一下，在此过程中也能了解引擎使用的坐标系以及模型格式，模型插件等等吧。而且能对场景的加载处理都有所了解，通过调试的方式可以深入到引擎内部，假设该引擎提供了源代码。下一步再demo的基础上尝试做一些修改，加一些功能，加深对引擎的理解。

对于程序开发者来说，市面上比较常用的引擎技术都是相通的，深入理解了一款引擎，再学习其他引擎就很容易了。我以前是做端游开发的，端游开发的经验对我开发手游帮助很大，我自己也写过引擎，自研引擎的经验对于使用Unity引擎和虚幻引擎这些成熟引擎开发产品就非常容易了。

开发者在学习引擎时，可以先从Ogre引擎入手，该引擎对与渲染做的比较好，而且该引擎没有其他杂七杂八的东西，比较干净非常有助于开发者学习。以前用Ogre引擎开发过比较著名的端游是《天龙八部》，效果也是不错的，证明该引擎可以用于商业开发，本篇博客只是从大的方面给读者聊了聊3D引擎技术，下一篇给读者介绍关于GPU编程优化的问题。

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