【正文】 “動(dòng)漫之都”。在這些城市之中，廣州作為國家網(wǎng)游動(dòng)漫發(fā)展產(chǎn)業(yè)基地之一，它的動(dòng)漫產(chǎn)業(yè) 2008 年的產(chǎn)值超過了 100 億元，占全國的 1/5 左右。隨著玩家要求的提高，游戲采用的技術(shù)也越來越復(fù)雜，這給游戲產(chǎn)業(yè)界帶來了很大挑戰(zhàn)。游戲引擎提供了游戲開發(fā)的主要技術(shù)框架，使開發(fā)者能夠?qū)⒅饕Ψ旁谟螒虻目赏嫘院蛢?nèi)容上。一款優(yōu)秀的游戲引擎能夠有效地提高游戲的開發(fā)效率和健壯性，并且加快產(chǎn)品的上市時(shí)間。雖然游戲產(chǎn)業(yè)近幾年得到了快速發(fā)展，但出于開發(fā)時(shí)間、技術(shù)難度和研發(fā)費(fèi)用等因素的考慮，我國游戲企業(yè)大多采取直接購買游戲引擎的方式。同時(shí)游戲引擎的可選擇余地并不大，國內(nèi)缺乏成熟的自主研發(fā)的商用游戲引擎，外國公司對(duì)游戲引擎的授權(quán)費(fèi)高達(dá)上百萬元，給國內(nèi)游戲企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此為了掌握游戲產(chǎn)業(yè)中的核心技術(shù)，減低培養(yǎng)游戲人才的成本，避免類似于其他產(chǎn)業(yè)的代工廠發(fā)展角色，我國應(yīng)加大對(duì)游戲引擎核心技術(shù)的研究力度。2. 游戲引擎的發(fā)展現(xiàn)狀從 20 世紀(jì) 90 年代初開始，歐美等發(fā)達(dá)國家就開始大力發(fā)展游戲引擎，目前在研發(fā)水平上居世界領(lǐng)先的著名游戲引擎例如 Quake III、Unreal Tournament、LithTech、Source、BigWorld、CryENGINE2等均出自歐美的游戲公司。國內(nèi)只有完美時(shí)空、目標(biāo)軟件、涂鴉軟件等少數(shù)幾家公司具有游戲引擎的研發(fā)能力，而且以自用為主。國內(nèi)高校在游戲引擎領(lǐng)域的研究較為薄弱，尚處于起步探索的階段。3. 游戲引擎的一般框架游戲引擎已經(jīng)發(fā)展成為一套由多個(gè)子系統(tǒng)共同構(gòu)成的復(fù)雜平臺(tái)。當(dāng)前主流的 3D 游戲引擎在功能和性能上盡管各有不同，但是他們的框架和主要模塊分類上大同小異。游戲引擎的最底層是由資源管理、網(wǎng)絡(luò)引擎、I/O 庫和圖形數(shù)學(xué)庫四部分組成，主要用于處理與平臺(tái)相關(guān)的組件。其中資源管理能夠管理游戲資源，提供內(nèi)存的分配和釋放，在內(nèi)存有限的情況下正確地調(diào)度資源；圖形數(shù)學(xué)庫提供有關(guān) 3D 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如向量、矩陣、四元數(shù)、直線、平面等，以及相應(yīng)的操作，如矩陣的轉(zhuǎn)置、求逆等；網(wǎng)絡(luò)引擎分局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)交互兩種，解決數(shù)據(jù)通信、用戶并發(fā)、系統(tǒng)計(jì)費(fèi)和道具管理等方面的問題；I/O 庫提供鍵盤、鼠標(biāo)、搖桿和其它外設(shè)輸入設(shè)備的支持。游戲引擎的第二層由物理引擎、渲染器和聲音引擎三部分組成。其中物理引擎一方面提供游戲世界中的物體之間、物體和場景之間的碰撞檢測和力學(xué)模擬，另一方面提供物體的運(yùn)動(dòng)模擬；渲染器提供具有真實(shí)感的圖像，包括圖形、紋理、模型和動(dòng)畫的渲染、光照和材質(zhì)處理、LOD 管理等，是游戲引擎的核心之一；聲音引擎提供音效、語音和背景音樂的播放。游戲引擎的第三層由實(shí)體模塊、動(dòng)畫系統(tǒng)、場景管理和特效支持四部分組成。其中實(shí)體模塊將游戲世界中的物體抽象為通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提供相關(guān)的操作；動(dòng)畫系統(tǒng)提供漸變動(dòng)畫、蒙皮骨骼動(dòng)畫效果；場景管理組織游戲物體在室外（室內(nèi)）的位置和相關(guān)的特性；特效支持提供粒子系統(tǒng)和自然模擬（如水紋、雨、煙等），使游戲畫面更為漂亮。游戲引擎的第四層由特定類型游戲有關(guān)的組件和人工智能兩部分組成，主要用于邏輯控制。其中特定類型游戲有關(guān)的組件針對(duì)特定應(yīng)用提供專門的處理方法，例如 FPS、SLG、RPG 游戲組件；人工智能提供游戲運(yùn)行的邏輯處理，運(yùn)用智能技術(shù)提高游戲的可玩性。游戲引擎的第五層由控制邏輯框架、游戲GUI和游戲開發(fā)工具三部分組成，主要用于游戲的輔助開發(fā)。其中控制邏輯框架是針對(duì)不同類型的游戲，提供相應(yīng)的框架將游戲引擎的各個(gè)子模塊整合起來。游戲開發(fā)工具包含關(guān)卡編輯、場景編輯、粒子編輯、材質(zhì)編輯、DCC 軟件插件等輔助開發(fā)工具。4. 游戲引擎關(guān)鍵技術(shù)的討論游戲引擎所涵蓋的技術(shù)領(lǐng)域較多，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是圖形硬件和計(jì)算處理器性能的提高，游戲引擎將進(jìn)一步朝著營造游戲真實(shí)感的方向發(fā)展，為玩家提供更為逼真的圖形、物體運(yùn)動(dòng)和真實(shí)的體驗(yàn)。動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算是其中的熱點(diǎn)，例如實(shí)時(shí)渲染，實(shí)時(shí)碰撞檢測。為了提高運(yùn)算的性能，除了并行計(jì)算，多線程技術(shù)之外，大量先進(jìn)的算法被提出，下面分別就當(dāng)前業(yè)界主要的研究熱點(diǎn)進(jìn)行討論：（1）渲染引擎是游戲引擎中最復(fù)雜的部件，其作用是高效地顯示清晰的畫面，它的強(qiáng)大與否直接決定著最終的輸出質(zhì)量，往往要求在時(shí)間和處理資源有限的情況下，滿足玩家對(duì)圖形質(zhì)量的要求，著名的開源渲染引擎有OGRE、Irrlicht等，開發(fā)時(shí)通常把DirectX和OpenGL作為底層的API。準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)實(shí)世界中的形態(tài)需要花費(fèi)大量的計(jì)算，3D游戲采用實(shí)時(shí)渲染的目標(biāo)是做到畫質(zhì)越來越像照片，提高游戲的真實(shí)感。除了常用的平截體揀切、遮擋揀切、材質(zhì)細(xì)節(jié)等級(jí)LOD管理、由前至后渲染等技術(shù)之外，還可以通過實(shí)時(shí)光線跟蹤、多線程渲染技術(shù)、64位高動(dòng)態(tài)光照渲染HDR、動(dòng)態(tài)陰影體、逐像素光照等多種技術(shù)手段綜合實(shí)現(xiàn)。1999 年NVIDIA提出GPU的概念，在GeForce 256中實(shí)現(xiàn)了硬件變換和光照計(jì)算，并推出Cg實(shí)時(shí)繪制語言。同時(shí)微軟和3D Labs也分別推出HLSL和GLSL語言。這些實(shí)時(shí)繪制語言的發(fā)展，極大地方便了游戲圖形計(jì)算的工作。(2) 物理引擎 物理引擎是賦予物體真實(shí)的物理屬性使其運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和碰撞符合現(xiàn)實(shí)客觀世界的規(guī)律，特別是對(duì)流體的處理、剛體和衣物布料的運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜物理效果模擬做專門的支持和優(yōu)化。目前著名的物理引擎主要有Havok和PhysX，物理計(jì)算和處理能力已得到業(yè)界的一致認(rèn)可，至今得到了超過400款游戲的支持，此外較有名的開源引擎有ODE、Tokamak等。物理引擎的研究集中在物理學(xué)世界建模和碰撞檢測兩個(gè)領(lǐng)域，其中物理學(xué)世界包括柔體和剛體兩部分，前期技術(shù)多側(cè)重于剛體的模擬，當(dāng)前熱點(diǎn)是對(duì)柔體的模擬，例如對(duì)柔軟織物和水面的模擬。碰撞檢測的熱點(diǎn)是實(shí)時(shí)碰撞檢測，研究的重點(diǎn)放在離散碰撞檢測算法和基于物體空間的碰撞檢測。2005年NVIDIA發(fā)布了首款具有硬件加速功能的物理運(yùn)算單元PPU，將需要CPU 或者GPU進(jìn)行的繁重物理計(jì)算放到PPU中，為靈活處理物理運(yùn)動(dòng)帶來了便利，Unreal EngineGamebryo、BigWorld等多個(gè)游戲引擎已對(duì)此提供支持。(3) 人工智能 人工智能是控制游戲中各種活動(dòng)對(duì)象的行為方式，使它們的邏輯表現(xiàn)符合常理。人工智能的應(yīng)用要恰到好處，使游戲的難度適中，可玩性高。游戲中常見的人工智能技術(shù)包括有限狀態(tài)機(jī)、腳本語言、模糊邏輯、決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、群體行為的模擬等。不同類型游戲?qū)?yīng)用人工智能技術(shù)的復(fù)雜程度有不同的要求，例如即時(shí)策略類游戲RTS需要實(shí)時(shí)解決數(shù)千個(gè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)路徑發(fā)現(xiàn)問題；第一人稱射擊游戲FPS需要進(jìn)一步提高NPC在戰(zhàn)術(shù)配合、感知意識(shí)能力等方面的智能水平，并引入更豐富的故事情節(jié)。相對(duì)于游戲引擎的其他部分，人工智能的研究力度還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。隨著更多更復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)被應(yīng)用到游戲中，在不久的將來很可能會(huì)出現(xiàn)專門的AI引擎，與游戲的其他部分有機(jī)地結(jié)合起來，提供更為精彩的游戲世界。5. 結(jié)束語游戲產(chǎn)業(yè)是近年來 IT 業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，游戲給人們的業(yè)余生活帶來了豐富的娛樂體驗(yàn)，因此具有廣闊的發(fā)展前景。游戲引擎能夠給游戲開發(fā)帶來很大的便利，越來越受到國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重視。開發(fā)者是否能夠提出一個(gè)游戲引擎教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)方案，這具有人才培養(yǎng)和核心技術(shù)積累兩方面的重要意義。下一步的研究工作是深入游戲引擎內(nèi)部的各個(gè)核心模塊，并且對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。