Chapter0 导语 Instruction
游戏引擎的运用：虚拟人技术（MetaHuman）；影视行业；模拟；数字孪生
游戏引擎历史：约翰·卡马克（John D. Carmack II）
常见的游戏引擎
常见的引擎中间件
Chapter1 游戏引擎基础构建 Basic Game Engine Architecture
引擎分层架构的意义：
- 低耦合、减少复杂度：下层相对于上层独立，对上层提供接口
- 处理迭代需求：上层更加灵活快速，下层更加稳定
工具层（Tool Layer）
游戏引擎的最上层，用于编辑游戏
基于引擎代码创建编辑器，可用多种编程语言，资源生产工具（DCC）资产的导入导出器
功能层（Function Layer）
引擎模块：动画、物理、碰撞、渲染、AI、交互、脚本、状态机…
Tick：TickLogic + TickRender
多线程架构已经成为主流
资源层（Resource Layer）
存储数据和文件
获取数据：需要先将数据（Resource）转换为资产（Asset），每个资产有一个唯一识别号（GUID），需要处理资产之间的关联
管理资产和生命周期：加载、卸载资产；资源分配；GC垃圾回收；延迟加载
核心层（Core Layer）
引擎模块管理：处理功能层的依赖关系
数学库：对效率的要求非常高
数据结构：数组，链表，队列，堆，树，图，栈，哈希表…
内存管理：内存池，内存分配，内存对齐，降低失效率
平台层（Platform Layer）
处理各种类型的平台
图形API：渲染硬件接口（RHI）实现，硬件架构（CPU,SPU）
Chapter2 游戏世界构建
现代游戏引擎中所有物体都是GO（Game Object）：
- 可交互动态物 Dynamic Game Objects
- 静态物 Static Game Objects
- 环境系统 Environments ： 天空，植被，地形
- 其它： 空气墙、检测区域（Trigger Area）
对象组件化 Component Base
UE引擎中的UObject并不是GO，而GO更像是Actor的概念
Component-Based Tick：将每个Module都Tick一遍，例如Logic、Input、Camera、Motor、Animation、Physics等
交互方式：SendMessage/Events
管理游戏对象
每个GO都有唯一编号（uid）
场景管理：按格子划分，四叉树（Quadtree），八叉树（Octree），层次包围盒（BVH）
其它复杂情况
在引擎中，时序是非常重要的。对象在当前帧还是下一帧收到消息，收到消息后当场反应还是在下一个tick反应，这些都是非常重要的。
游戏中的精彩回放并不是录制了游戏内容，而是记住了所有人的输入然后重新把游戏跑了一遍
Chapter3 渲染 Rendering
理论计算机图形学：
- Realtime（30FPS）
- Interactive（10FPS）
- Offline rendering
- Out-of-core rendering
游戏中的绘制系统面临的挑战：
- 大量绘制算法、运算复杂
- 适配现代硬件 CPU/GPU
- 保证帧率稳定
- 计算资源限制 -> profiling
渲染管线
详细内容参考Games101课程
Computation:
- 投影和光栅化 Projection and Rasterization
- 绘制 Shading
- 纹理采样 Texture Sampling
GPU
SMID 和 SMIT
- SMID：单指令多数据数学运算
- SIMT：多线程，多核运算
GPU架构
- GPC (Graphics Processing Cluster)：图形处理集群
- SM（Streaming Multiprocessor）：流式多处理器
- Texture Unit：纹理处理单元
- CUDA Core：GPU中负责计算的核心单元，做大量数学运算
- Warp：本质是一组线程
- 其它：Tensor Core，RT Core
尽可能保证数据单向传输：CPU送到GPU，不从GPU读数据
缓存Cache
- Cache Hit
- Cache Miss：效率降低
GPU限制和性能
- Memory Bounds
- ALU Bounds
- TMU(Texture Mapping Unit) Bound
- BW(Bandwidth) Bound
可渲染物体
每个顶点需要单独确定法线方向
渲染物体 = Mesh + Texture + Material + Shader
SubMesh：对应自己的纹理、材质、ShaderCode
存入Resource Pool，每个Instance通过handle去重用数据
可见性裁剪
包围盒：Sphere，AABB，OBB，8-DOP，CONVEX HULL
最常用：BVH
PVS思想：通过portal最多能看见固定的房间
GPU Occlusion Culling：通过避免渲染不可见物体，来优化图形渲染性能的技术
纹理压缩
在游戏引擎的绘制系统中，用block-based compression算法进行压缩，常见算法：
- PC：BC7（新） DXTC（旧）
- Mobile：ASTC（新） ETC/PVRTC（旧）
建模工具
建模（Maya，Blender，3d MAX）、雕刻（ZBrush）、扫描、自动生成网格（Houdini，Unreal）
Cluster-Based Mesh Pipeline 将精细的模型分成大小固定的小部分（32/64个三角形），这样很多计算是完全一致的
Unreal的Nanite可以看作是这一技术更进一步
渲染绘制
核心：光的反射、反弹、吸收…
渲染方程：
基础光照解决方案
主光照
- 方向光（Directional Light）：大部分情况
- 点光源（Point Light），聚光源（Spot Light）：特殊情形
环境光：低频漫反射
环境贴图：高频漫反射
布林冯光照材质 = 环境光+漫反射+高光
- 问题：能量不守恒（不能保证出射能量小于等于入射能量），在Ray-Tracing环境下会出问题
Shadow Map：按照从光照开始的深度渲染
- 问题：和从相机看过去的采样率不一样，出现自遮挡问题
基于预计算的全局光照
全局光照on&off的区别：
利用傅里叶变换、球谐函数
用LightMap思想把整个场景的光照烘培到一张图上
动画 Animation
物理 Physics
游戏性 Gameplay
特效系统 Misc. Systems
工具链 Toolset
网络 Online Gaming
前沿概念 Advanced Technology
Mini Engine - Piccolo
Piccolo是Games104示例引擎
- 编程语言：C/C++
- 代码组成：~13000行Runtime代码 + ~2000行Editor代码
- 引擎架构：五层引擎层次，ECS架构
- 支持平台：Windows，Linux，MacOS
拓展
图灵机
弦论
参考书籍
《Game Engine Architecture》
叶劲峰–游戏程序员开发之路
