遊戲引擎科普：以開發者的名義如何做好一款3D引擎

賽車引擎作為一輛賽車的心臟部件，它的性能決定著整個賽車的性能、穩定性、速度、操縱感等。遊戲也同樣，遊戲引擎是整個遊戲的核心部件，它直接控制著玩家所接觸到的劇情、關卡、角色、音樂、GUI界面等遊戲元素，通過它可以將遊戲中的所有元素聯繫在一起。

筆者所在的項目組最近正與一家科研機構合作研發一款地形渲染3D引擎，它可以創建超過10*10公里的特大虛擬現實場景，以真實GIS地理坐標數據1：1模擬超大場景的虛擬世界。並且在飛行視角中，可呈現超長可視距離和複雜錯落的地形表現。我們旨在不同的光照場景中或動態氣象環境中，以精細的pbr物理著色渲染，逼真表現對象在相應場景下應有的材質、反射與粗糙度，塑造細膩逼真的照片感畫質。

研發期間，我們也對業界知名引擎做了深入研究，Unity、Unreal這樣的實力大廠無需贅言，不過也有意外發現，國內引擎也在默默發力。一家名為C2engine的3D引擎公司引起了我的興趣。最開始了解它是通過百度貼吧的一篇吐槽貼「揭開國產遊戲引擎C2engine的真面目」。儘管該引擎目前還處於起步階段，但是筆者比較看好其「無編程」和「HTML5」的發展理念，也算是順應趨勢了。相信國內多多少少的開發者對這款國產引擎也有所期待。

回到正題，要開發一款3D引擎，首先你要了解最基本的3D知識，如可編程流水線，固定流水線，骨骼動畫，3D模型結構等知識，並能夠用Dirct3D、OPENGL或OPENGLES圖形庫中任何一個做簡單的Demo。通過Demo了解程序運行的原理後，再嘗試封裝一些簡單演算法、常用函數，利用這個簡單封裝做一款小的遊戲Demo。在以上基礎上再研究GPU編程比如CG、HLSL語言後，學習大型遊戲開發中的常用演算法，如Bloom演算法、PSSM實時陰影演算法等這些與Shader編程緊密相關的後處理渲染演算法。

然而開發一款高品質3D引擎並不簡單，筆者曾參與過國內知名IT遊戲公司的3D遊戲引擎開發項目，利用業餘時間也開發過3D遊戲引擎，從底層演算法到架構設計都是一個人完成的，當然開發周期也比較長。那麼除了3D知識還有哪些必備技能要掌握？

首先，像C、C++、Java或C#這樣的主流編程語言，至少要拿下一門。編程和數據結構密不可分，它在遊戲開發中主要用來存儲數據及管理內存。開發3D引擎常用的數據結構有鏈表、數組、哈希表等常用的查找演算法：二叉樹查找，快速排序，二分查找等，這些常用的數據結構要重點掌握。

其次，開發者不能忽視線性代數的重要性。線性代數可以幫助開發者靈活運用向量、矩陣、四元數以及歐拉角這些基本的數學運算解決問題。運算主要涉及遊戲開發中的物體移動、縮放、旋轉以及點乘和差乘等。

另外，現在的3D遊戲引擎渲染都是基於DirectX或OPENGL、OPENGLES這些圖形庫完成的，這就要求開發者能夠熟練使用圖形庫的介面開發程序，在當前移動端跨平台異常火熱的情況下，更建議大家學習OPENGL圖形庫。3D引擎的核心功能就是對遊戲場景的渲染和物體的材質渲染。場景渲染使用的是後處理渲染效果，比如Bloom、Blur、Ssao、Pssm等。C2engine引擎交流群：189087351這些效果實現與GPU編程息息相關，因此要求大家至少掌握GLSL、HLSL或CG這些基於顯卡GPU編程語言的一種。

最後是圖形學演算法，遊戲要實現逼真效果離不開演算法支持，比如柔體的模擬，剛體碰撞效果以及曲線插值演算法等。學習圖形學演算法，建議大家閱讀《演算法導論》這本經典書籍。

另外在框架設計方面，需要掌握設計模式里常用的工廠模式，單件模式，狀態模式，MVC模式等。初學者在使用設計模式時容易出現一個誤區：為了使用設計模式而使用設計模式。記住過度的使用會適得其反，凡事要把握好度。真正的用劍高手，可以做到手中無劍，心中有劍的境界。

無論是底層演算法還是框架設計的學習，都不是死記硬背和生搬硬套，而要將其靈活運用到項目開發中，由淺入深地吸收其設計精髓。掌握3D引擎開發技術不是一朝一夕能夠完成的，除了吃透國內外引擎市場的本質，關鍵在於堅持，建議大家循序漸進地學習，如果你能累積鑽研達到10000小時，也許離3D引擎高手不遠了。

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