【GAMES104学习笔记】简介+引擎架构分层+游戏世界构建

一、笔者前言

笔者大学期间涉猎过Unity的Gameplay游戏逻辑开发、Shader开发、Blender建模，也啃过Vulkan API实时硬件光追、渲染管线和一些图形学知识。近期希望能够系统学习引擎开发的知识，于是有了这个笔记博文系列。欢迎志同道合的大佬前来交流，笔记中如有错误和疏漏，敬请指正！

二、引擎架构分层

游戏引擎自顶向下分为：

• 工具层（各种编辑器的操作）

• 功能层（渲染、动画、物理、交互、脚本AI、状态机）——最为庞大复杂

• 资源层（文件、数据）

• 核心层（复用的底层代码，包含数学库、数据结构等）

• 平台层（不同用户平台）

所有层都可以植入第三方库/中间件

工具层

编辑器、DCC数字内容创建（Houdini MAYA 3dsmax blender）

资源层

Asset

资源层导入各种外部资源（模型、贴图等）时，需要转换成统一的形式以降低时空代价（例如通过删除原始资源的一些编辑信息节约空间），称为Asset。

GUID

对每个Asset设置的全体唯一识别号

Runtime Asset Manager

实时运行的Asset管理器，通过handle系统管理Asset的生命周期

Tick

游戏世界动起来的基础，先计算逻辑帧，再计算渲染帧，也有可能多线程并行（逻辑线程和渲染线程）

void tickMain (float delta_time) {
  while (!exit_flag) {
    tickLogic (delta_time) ;
    tickRender (delta_time);
  }
}

void tickLogic (float delta_time) {
  tickCamera (delta_time);
  tickMotor (delta_time);
  tickController (delta_time);
  tickAnimation (delta_time);
  tickPhysics (delta_time);
}

void tickRender (float delta_time)
{
  tickRenderCamera();
  culling();
  rendering();
  postprocess();
  present();
}

核心层

数学库

重点是数学计算速度，精度是其次的。

Quake III引擎采用魔数+牛顿迭代法获得远胜sqrt库的效率；现代处理器采用SIMD（单指令多数据流）提高形如sqrt等专用计算的计算速度。

数据结构与内存管理

需要手动实现相关数据结构以获得优于C++ STL容器的特定优化性能。

平台层

图形API（RDI 渲染硬件接口）

• 透明化不同的GPU架构和它们的SDK

• 目标平台自动优化

三、游戏世界的构建

由如下几种GO（Game Object）组成

• 动态物体（可交互）

• 静态物体

• 环境（天空、植被、地形）

• 其他（空气墙、检测体）

Tick的计数方式根据划分方式，有两种

• Object-based Tick 以GO为单位（每个流水线生产一个汉堡包），简单且易于调试
• 推荐——Component-based Tick 每个流水线仅生产汉堡包的某一组件，有利于并行处理、减少缓存不命中，更高效

Events

原始的switch-case实现交互逻辑不利于拓展，称之为hardcode。

使用事件系统，有利于解耦、扩展。

场景管理——空间数据结构

管理一个场景中的所有GO，通常用到独特的GO标识符以及GO位置。场景管理的核心是空间数据结构。

GO之间的检测交互，最简单粗暴得每个GO遍历所有GO O(n^2)，显然效率太低，于是有下列空间数据结构：

• BVH(Bounding Volume Hierachies)——更新代价较小
• BSP(Binary Space Partitioning) 二叉树——更新代价较大
• Octree 八叉树（适用于3D场景，每个正方体可以等分为八个小正方体）
• Quadtree 四叉树（适用于2D场景）
• Scene Graph 场景图

时序问题

GO绑定、组件依赖

例子：A碰撞B时，B受到A的作用作出响应，A也会受到相应的反作用，可能形成循环依赖。

解决办法：适当采用preTick postTick Lag等控制物体交互响应，防止所有互动在当前tick运算造成的死锁。

例子：FPS精彩回放实际上是模拟玩家输入重新运行一遍游戏。

问题：玩家网络并发输入时，由于输入顺序可能改变，会出现异常。

解决办法：引入邮筒（类似于消息队列）存储并发输入的事件，保证时序的一致性。

Tick时间过长怎么办？

• 后续tick运算出结果时进行补偿
• 跳帧（比较危险 ）
• 对于突发的互动剧增场景（爆炸物理），可以采用每帧分批运算一定数量的GO