3D游戏和仿真引擎

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3D游戏和仿真引擎

3D游戏和仿真引擎

1.      3D游戏引擎、仿真软件和图形引擎概述

目前3D图形技术大量应用于游戏和仿真领域，从技术实现上可分为基础层、中间层和应用层三个层次，如图1所示。基础层主要是3D加速硬件和厂商提供的基本的API函数接口；中间层则是根据游戏和仿真各自不同的需求编写的公共引擎或软件（在游戏领域多称之为XX游戏引擎，仿真方面一般称为XX仿真软件或XX仿真环境）；应用层则是具体的游戏产品或仿真应用。

可以看出，一个良好的游戏引擎（仿真软件）是一款游戏产品（仿真应用）的基础，在一个相对成熟的游戏引擎基础上，游戏开发商能很快地根据需要开发出相应的游戏产品，仿真软件商也能很快地为客户建立各种仿真应用。因此，在目前市场上，3D开发的主要竞争集中在中间层次，谁占领了这个层次，谁在竞争中就有更大的胜算，这也就是市场上有这么多各式各样种类繁多的引擎和开发包的原因。

3D游戏引擎和仿真软件同处于中间层，但他们各自有着不同的侧重，但有一点是共同的：他们都拥有强大的3D图形引擎作为表现输出的基础。

1 3D图形技术在游戏开发和仿真软件开发中的层次关系

图

2.      3D游戏引擎及相关产品

2.1 3D游戏引擎

3D游戏引擎主要由如下几个方面组成：

　　① 3D图形引擎

　　② 声音引擎

　　③ 物理引擎

　　④ 控制引擎

　　⑤ 人工智能或游戏逻辑

　　⑥ 游戏GUI界面（菜单）

　　⑦ 游戏开发工具

　　⑧ 支持局域网对战的网络引擎开发

　　⑨ 支持互联网对战的网络引擎开发

　　下面逐一介绍每个部分：

　　图形引擎主要包含游戏中的场景（室内或室外）管理与渲染，角色的动作管理绘制，特效管理与渲染（粒子系统，自然模拟（如水纹，植物等模拟）），光照和材质处理，LOD(Level Object Detail)管理等，另外还有图形数据转换工具开发，这些工具主要用于把美工用DCC软件（如3DS Max，Maya，Soft XSI，Soft Image3D等）软件制作的模型和动作数据以及用Photo shop或painter等工具制作的贴图，转化成游戏程序中用的资源文件。

声音引擎主要包含音效（Sound Effect简称SE），语音(VOICE)，背景音乐（Background music简称BGM）的播放。SE是指那些在游戏中频繁播放，而且播放时间比较短，但要求能及时无延迟的播放，VOICE是指游戏中的语音或人声，这部分对声音品质要求比较高，基本上用比较高的采样率录制和回放声音，但和SE一样要求能及时无延迟的播放，SE在有的时候因为内存容量的问题，在不影响效果的前提下，可能会降低采样率，但VOICE由于降低采样率对效果影响比较大，所以一般VOICE不采用降低采样率的做法。BGM是指游戏中一长段循环播放（也有不循环，只播放一次）的背景音乐，正是由于BGM的这种特性，一般游戏的背景音乐是读盘（光盘或硬盘）来播放。另外一些高级声音特效，如EAX，数字影院系统(DTS5.1)，数字杜比环绕等。

物理引擎主要包含游戏世界中的物体之间、物体和场景之间发生碰撞后的力学模拟， 以及发生碰撞后的物体骨骼运动的力学模拟（比较著名的物理引擎有havok公司的game dynamics sdk，还有open source 的ODE—Open Dynamics Engine）。

控制引擎主要是把图形引擎、声音引擎、物理引擎整合起来，主要针对某个游戏制作一个游戏系统，其包含游戏关卡编辑器，主要用途是可以可视化的对场景进行调整，光照效果和雾化等效果调整，事件设置，道具摆放，NPC设置，另外还有角色编辑器，主要用于编辑角色的属性和检查动作数据的正确性。一般日本游戏公司的做法，他们会把关卡编辑器和角色编辑器直接做到游戏中，所有的参数调整都在游戏中通过调试菜单来进行编辑，所以一般他们把这部分调试菜单的功能做的很强大，同时在屏幕上实时的显示一些重要的信息，这样做的好处是关卡编辑器调整的效果直接就是游戏的效果，但是对于程序的重用性来说可能不是很好，比如说要用到另外一个游戏项目中就比较难，除非两个游戏类型相同，只要把场景和角色数据换一下，还有做下一代产品也没有问题，只要根据式样增加调试菜单的功能就可以了。

　　人工智能和游戏逻辑开发，这部分日本和欧美的游戏开发模式也有很大不同，在欧美游戏公司中运用脚本语言开发很普遍，所以这部分程序开发主要是用脚本语言编写，而且脚本程序和游戏程序的耦合性很低，有单独的编辑、编译和调试环境，这样比较利于游戏程序和关卡设计开发分开，同时并行开发，所以一般他们都会有专门做关卡设计的程序员岗位。而日本游戏公司脚本语言一般和游戏的耦合性比较高，一般通过一些语言的宏功能和一些编译器的特定功能来完成一个简单的脚本系统，所以一般这些脚本程序只能在游戏程序中进行调试，而不能在一个单独的脚本编辑，编译环境中进行开发。

　　游戏GUI界面（菜单），主要是指那些游戏中用户界面设计，有做的复杂，有简单的，做的简单就是2D GUI界面，做的复杂有3D GUI界面。

游戏开发工具主要包含关卡编辑器，角色编辑器，资源打包管理，DCC软件的插件工具等开发。

　　支持局域网对战的网络引擎开发，主要解决局域网网络发包和延迟处理，通讯同步的问题，有同步通讯和异步通讯两种做法，异步通讯用于那些对运行帧速要求比较高的游戏，同步通讯相对异步通讯来说效率相对低，但是同步通讯的编程模型相对异步通讯来得简单一些。

支持互联网对战的网络引擎开发，目前大部分网游都是C/S结构的，服务器端软件配置管理，服务器程序的最优化，还有游戏大厅、组队、游戏逻辑处理、道具管理、收费系统等。另外还有一些网络系统是C/S和P2P两种结构混合的，如XBOX Live等。

2.2 主要3D游戏引擎产品

（1）id Software公司的Quake、Quake II和Quake III引擎。id Software堪称是全球游戏产业第一技术供应商，有大量的游戏基于该公司的Quake 系列引擎进行开发，著名的《半条命》采用的就是Quake和Quake II引擎的混合体。Quake II的授权模式大致如下：基本许可费从40万美元到100万美元不等，版税金视基本许可费的多少而定，40万美元的许可费大约需提取10%以上的版税金，100万美元的许可费则提取很少一部分版税金。另外，目前Quake III引擎价格大约为70万美元。

图2 游戏《半条命2》效果图

（2）Epic Megagames公司（即现在的Epic游戏公司）的Unreal Tournament引擎。从画面方面看Unreal Tournament引擎和Quake差不多，但在联网模式上，Unreal不仅提供有死亡竞赛模式，还提供有团队合作等多种激烈火爆的对战模式，另外Unreal Tournament引擎不仅可以应用在动作射击游戏中，还可以为大型多人游戏、即时策略游戏和角色扮演游戏提供强有力的3D支持。Unreal 2的买断价是75万美元，或者35万美元买下开发许可权，而后从售出的每一份游戏中提取版税金。

3 Unreal Tournament 2007效果图

图

（3）Monolith公司的LithTech引擎。LithTech引擎的开发共花了整整五年时间，耗资700万美元，LithTech引擎除了本身的强大性能外，最大的卖点在于详尽的服务，除了LithTech引擎的源代码和编辑器外，购买者还可以获得免费的升级、迅捷的电子邮件和电话技术支持，LithTech引擎的平均价格大约在25万美元左右。

（4）3D GameStudio。德国开发的3D游戏著名工具软件，已经有上百种使用该引擎的游戏公开发行。3D GameStudio引擎结合了高端的3D引擎，2D引擎，物理引擎，地图和建模编辑器，脚本编译器和大量的3D物体库，工艺品和半成品的游戏，使得更容易的制作第一人称游戏、第三人称游戏、角色扮演游戏、滚屏游戏、飞行模拟器、棋类游戏、运动类游戏、及时战略游戏以及虚拟展示应用程序。该产品官方价格大约为人民币9000元。

3.      3D仿真软件和主要产品

3D游戏引擎与仿真软件针对不同的应用需求有着各自的侧重点（虽然从目前发展的趋势上看，二者走得越来越近）。个人认为游戏引擎更注重画面的表现效果和游戏的框架的搭建，使得游戏开发者能更高效地开发出令人震撼的游戏产品，而仿真软件更注重仿真的内容和各种仿真分析工具，对画面的要求没有游戏引擎高。目前市场上有不少成熟的商业仿真软件开发包，包括Vega系列、VR Tools 、Delta3D等。

3.1 Vega和Vega prime

MPI（Multigen-Paradigm Inc.）的视景仿真渲染工具Vega是世界上领先的应用于实时视景仿真、声音仿真和虚拟现实等领域的软件环境，它用来渲染战场仿真、娱乐、城市仿真、训练模拟器和计算可视化等领域的视景数据库，实现环境效果的加入和交互控制。由于它大幅度减少了源代码的编写，使软件的进一部维护和实时性能的优化变得更容易，从而大大提高了开发效率。使用它可以迅速地创建各种实时交互的三维视觉环境，以满足各行各业的需求。另外，它还拥有一些特定的功能模块，可以满足特定的仿真要求，例如特殊效果、红外和大面积地形管理等。通过使用Vega Prime，用户能把时间和精力集中于解决应用领域内的问题，而无须过多考虑三维编程的实现。此外，Vega Prime具有灵活的可定制能力，使用户能根据应用的需要调整三维程序。著名的MAK系列中的三维场景就是在Vega基础上开发出来的。

图4 Vega Prime效果图

Vega Prime还包括许多有利于减少开发时间的特性，使其成为现今最高级的商业的实时三维应用开发环境。这些特性包括自动的异步数据库调用、碰撞检测与处理、对延时更新的控制和代码的自动生成。 Vega Prime为了满足特定应用开发的需求，除了上述的基本模块之外，还提供了功能丰富的可选模块。Vega Prime的可选模块基本上覆盖了Vega的可选模块，包括：

Vega Prime FX：爆炸，烟雾，弹道轨迹，转轮，等等；

☆Vega Prime：分布式渲染；

☆Vega Prime LADBM：非常大的数据库支持；

☆DIS/HLA：分布交互仿真；

☆Blueberry ：3D开发环境；

☆DI-GUY：三维人体；

☆GL-Studio：仪表；

☆Vega Prime IR Scene：传感器图像仿真；

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