遊戲引擎

遊戲引擎

遊戲引擎是指一些已編寫好的可編輯電腦遊戲系統或者一些互動式即時圖像應用程式的核心組件。這些系統為遊戲設計者提供各種編寫遊戲所需的各種工具,其目的在于讓遊戲設計者能容易和快速地做出遊戲程式而不用由零開始。大部分都支持多種操作平台,如Linux、Mac OS X、微軟Windows。遊戲引擎包含以下系統:渲染引擎(即"渲染器",含二維圖像引擎和三維圖像引擎)、物理引擎、碰撞檢測系統、音效、腳本引擎、電腦動畫、人工智慧、網路引擎以及場景管理。

  • 中文名稱
    遊戲引擎
  • 外文名稱
    Game Engine
  • 屬性
    程式或者組件
  • 用途
    遊戲

功能

可見,引擎並不是什麽玄乎的東西,無論是2D遊戲還是3D遊戲,無論是角色扮演遊戲、即時策略遊戲、冒險解謎遊戲或是動作射擊遊戲,哪怕是一個隻有1兆的小遊戲,都有這樣一段起控製作用的代碼。經過不斷的進化,如今的遊戲引擎已經發展為一套由多個子系統共同構成的復雜系統,從建模、動畫到光影、粒子特效,從物理系統、碰撞檢測到檔案管理、網路特徵,還有專業的編輯工具和外掛程式,幾乎涵蓋了開發過程中的所有重要環節,以下就對引擎的一些關鍵部件作一個簡單的介紹。

遊戲引擎3遊戲引擎3

首先是光影效果,即場景中的光源對處于其中的人和物的影響方式。遊戲的光影效果完全是由引擎控製的,折射、反射等基本的光學原理以及動態光源、彩色光源等高級效果都是通過引擎的不同編程技術實現的。

其次是動畫,遊戲所採用的動畫系統可以分為兩種:一是骨骼動畫系統,一是模型動畫系統,前者用內置的骨骼帶動物體產生運動,比較常見,後者則是在模型的基礎上直接進行變形。引擎把這兩種動畫系統預先植入遊戲,方便動畫師為角色設計豐富的動作造型。

引擎的另一重要功能是提供物理系統,這可以使物體的運動遵循固定的規律,例如,當角色跳起的時候,系統內定的重力值將決定他能跳多高,以及他下落的速度有多快,子彈的飛行軌跡、車輛的顛簸方式也都是由物理系統決定的。

碰撞探測是物理系統的核心部分,它可以探測遊戲中各物體的物理邊緣。當兩個3D物體撞在一起的時候,這種技術可以防止它們相互穿過,這就確保了當你撞在牆上的時候,不會穿牆而過,也不會把牆撞倒,因為碰撞探測會根據你和牆之間的特徵確定兩者的位置和相互的作用關系。

渲染是引擎最重要的功能之一,當3D模型製作完畢之後,美工會按照不同的面把材質貼圖賦予模型,這相當于為骨骼蒙上皮膚,最後再通過渲染引擎把模型、動畫、光影、特效等所有效果即時計算出來並展示在螢幕上。渲染引擎在引擎的所有部件當中是最復雜的,它的強大與否直接決定著最終的輸出質量。

引擎還有一個重要的職責就是負責玩家與電腦之間的溝通,處理來自鍵盤、滑鼠、搖桿和其它外設的信號。如果遊戲支持聯網特徵的話,網路代碼也會被集成在引擎中,用于管理客戶端與伺服器之間的通信。

通過上面這些枯燥的介紹我們至少可以了解到一點:引擎相當于遊戲的架構,架構打好後,關卡設計師、建模師、動畫師隻要往裏填充內容就可以了。因此,在3D遊戲的開發過程中,引擎的製作往往會佔用非常多的時間,《馬克思·佩恩》的MAX-FX引擎從最初的雛形Final Reality到最終的成品共花了四年多時間,LithTech引擎的開發共花了整整五年時間,耗資700萬美元,Monolith公司(LithTech引擎的開發者)的老板詹森·霍爾甚至不無懊悔地說:"如果當初意識到製作自己的引擎要付出這麽大的代價的話,我們根本就不可能去做這種傻事。沒有人會預料得到五年後的市場究竟是怎樣的。"

正是出于節約成本、縮短周期和降低風險這三方面的考慮,越來越多的開發者傾向于使用第三方的現成引擎製作自己的遊戲,一個龐大的引擎授權市場已經形成。

其中最大的收益者是各大網路遊戲公司,通過第三方引擎開發的網路遊戲獲益巨大。但隨著市場急劇變化,用第三方引擎開發網路遊戲的成本也越來越高。于是遊戲引擎開發商們開始絞盡腦汁設計一種可以大量節約開發成本和周期的引擎。直到2010年zerodin引擎開發的巨作Dragona出品引起了各大遊戲業巨頭關註,因為此時方才發現了巨作也可以用這麽少的成本,這麽短的時間開發而成。

原理

遊戲引擎是一個為運行某一類遊戲的機器設計的能夠被機器識別的代碼(指令)集合。它像一個發動機,控製著遊戲的運行。一個遊戲作品可以分為遊戲引擎和遊戲資源兩大部分。遊戲資源包括圖象,聲音,動畫等部分,列一個公式就是:遊戲=引擎(程式代碼)+資源(圖象,聲音,動畫等)。遊戲引擎則是按遊戲設計的要求順序的調用這些資源。

進化

概述

曾經有一段時期,遊戲開發者關心的隻是如何盡量多地開發出新的遊戲並把它們推銷給玩家。盡管那時的遊戲大多簡單粗糙,但每款遊戲的平均開發周期也要達到8到10個月以上,這一方面是由于技術的原因,另一方面則是因為幾乎每款遊戲都要從頭編寫代碼,造成了大量的重復勞動。漸漸地,一些有經驗的開發者摸索出了一條偷懶的方法,他們借用上一款類似題材的遊戲中的部分代碼作為新遊戲的基本架構,以節省開發時間和開發費用。根據馬克思的生產力學說,單位產品的成本因生產力水準的提高而降低,自動化程度較高的手工業者最終將把那些生產力低下的手工業者淘汰出局,引擎的概念就是在這種機器化作業的背景下誕生的。

遊戲引擎遊戲引擎

每一款遊戲都有自己的引擎,但真正能獲得他人認可並成為標準的引擎並不多。縱觀九年多的發展歷程,我們可以看出引擎最大的驅動力來自于3D遊戲,尤其是3D射擊遊戲。盡管像Infinity這樣的2D引擎也有著相當久遠的歷史,從《博德之門》(Baldur's Gate)系列到《異域鎮魂曲》(Planescape:Torment)、《冰風谷》(Icewind Dale)直至今年夏天將要發布的《冰風谷2》,但它的套用範圍畢竟局限于"龍與地下城"風格的角色扮演遊戲,包括頗受期待的《無冬之夜》(Neverwinter Nights)所使用的Aurora引擎,它們都有著十分特殊的使用目的,很難對整個引擎技術的發展起到推動作用,這也是為什麽體育模擬遊戲、飛行模擬遊戲和即時策略遊戲的引擎很少進入授權市場的原因,開發者即便使用第三方引擎也很難獲得理想的效果,採用《帝國時代2》(Age of Empires)引擎製作的《星球大戰:銀河戰場》(Star Wars:Galactic Battleground)就是一個最好的例子。

因此,下面對引擎的歷史回顧將主要圍繞動作射擊遊戲的變遷展開,動作射擊遊戲同3D引擎之間的關系相當于一對孿生兄弟,它們一同誕生,一同成長,互相為對方提供著發展的動力。

誕生

(1992年~1993年)

1992年,3D Realms公司/Apogee公司發布了一款隻有2兆多的小遊戲--《德軍司令部》(Wolfenstein 3D),稍有資歷的玩家可能都還記得初接觸它時的興奮心情,用"革命"這一極富煽動色彩的詞語也無法形容出它在整個電腦遊戲發展史上佔據的重要地位。這部遊戲開創了第一人稱射擊遊戲的先河,更重要的是,它在X軸和Y軸的基礎上增加了一根Z軸,在由寬度和高度構成的平面上增加了一個向前向後的縱深空間,這根Z軸對那些看慣了2D遊戲的玩家造成的巨大沖擊可想而知。

Wolfenstein 3D引擎的作者是大名鼎鼎的約翰·卡馬克,這位id Software公司的首席程式師正是憑借這款Wolfenstein 3D引擎在遊戲圈裏站穩了腳跟。事實上,《德軍司令部》並非第一款採用第一人稱視角的遊戲,在它發售前的幾個月,Origin公司就已經推出了一款第一人稱視角的角色扮演遊戲--《創世紀:地下世界》(Ultima Underworld),這款遊戲採用了類似的技術,但它與Wolfenstein 3D引擎之間有著相當大的差別,舉例來說,《地下世界》的引擎支持斜坡,地板和天花板可以有不同的高度,分出不同的層次,玩家可以在遊戲中跳躍,可以抬頭低頭,這些特徵Wolfenstein 3D引擎都無法做到,而且從畫面上看,《德軍司令部》更接近漫畫風格而不是傳統的像素畫面。

盡管從技術細節上看,Wolfenstein 3D引擎比不上《創世紀:地下世界》的引擎,但它卻更好地利用了第一人稱視角的特點,快速火爆的遊戲節奏使人們一下子記住了"第一人稱射擊遊戲"這個單詞,而不是"第一人稱角色扮演遊戲"。《德軍司令部》後來還發布過一款名義上的續集--《三元的崛起》(Rise of the Triad),這款遊戲在Wolfenstein 3D引擎的基礎上增加了許多重要特徵,包括跳躍和抬頭低頭等動作。

引擎誕生初期的另一部重要遊戲同樣是出自id Software公司的一款非常成功的第一人稱射擊遊戲--《毀滅戰士》(Doom)。Doom引擎在技術上大大超越了Wolfenstein 3D引擎,《德軍司令部》中的所有物體大小都是固定的,所有路徑之間的角度都是直角,也就是說你隻能筆直地前進或後退,這些局限在《毀滅戰士》中都得到了突破。盡管遊戲的關卡還是維持在2D平面上進行製作,沒有"樓上樓"的概念,但牆壁的厚度可以為任意,並且路徑之間的角度也可以為任意,這使得樓梯、升降平台、塔樓和戶外等各種場景成為可能。

由于Doom引擎本質上依然是二維的,因此可以做到同時在螢幕上顯示大量角色而不影響遊戲的運行速度,這一特點為遊戲創造出了一種瘋狂刺激的動作風格,在這方面迄今為止大約隻有《英雄薩姆》(Serious Sam)系列能與之相比,除此之外還沒有哪款3D引擎能在大批敵人向你涌來的時候依然保持遊戲的流暢,這也是為什麽如今市面上的大部分第一人稱射擊遊戲都在積極地培養玩家的戰術運用能力、提高玩家的射擊準確率而拒絕濫砍濫殺的主要原因之一。值得一提的是,盡管Doom引擎缺乏足夠的細節度,但開發者仍然在《毀滅戰士》中表現出了驚人的環境效果,其純熟的設計技巧實在令人贊嘆。

不過更值得紀念的是,Doom引擎是第一個被用于授權的引擎。1993年底,Raven公司採用改進後的Doom引擎開發了一款名為《投影者》(ShadowCaster)的遊戲,這是遊戲史上第一例成功的嫁接手術。1994年Raven公司採用Doom引擎開發《異教徒》(Heretic),為引擎增加了飛行的特徵,成為跳躍動作的前身。1995年Raven公司採用Doom引擎開發《毀滅巫師》(Hexen),加入了新的音效技術、腳本技術以及一種類似集線器的關卡設計,使你可以在不同關卡之間自由移動。Raven公司與id Software公司之間的一系列合作充分說明了引擎的授權無論對于使用者還是開發者來說都是大有裨益的,隻有把自己的引擎交給更多的人去使用才能使引擎不斷地成熟起來。

《毀滅戰士》系列本身就相當成功,大約賣了350萬套,而授權費又為id Software公司帶來了一筆可觀的收入。在此之前引擎隻是作為一種自產自銷的開發工具,從來沒有哪家遊戲商考慮過依靠引擎賺錢,Doom引擎的成功無疑為人們開啟了一片新的市場。

轉變

(1994年~1997年)

在引擎的進化過程中,肯·西爾弗曼于1994年為3D Realms公司開發的Build引擎是一個重要的裏程碑,Build引擎的"肉身"就是那款家喻戶曉的《毀滅公爵》(Duke Nukem 3D)。《毀滅公爵》已經具備了今天第一人稱射擊遊戲的所有標準內容,如跳躍、360度環視以及下蹲和遊泳等特徵,此外還把《異教徒》裏的飛行換成了噴氣背包,甚至加入了角色縮小等令人耳目一新的內容。在Build引擎的基礎上先後誕生過14款遊戲,例如《農夫也瘋狂》(Redneck Rampage)、《陰影武士》(Shadow Warrior)和《血兆》(Blood)等,還有台灣艾生資訊開發的《七俠五義》,這是當時(至今依然是)國內不多的幾款3D射擊遊戲之一。Build引擎的授權業務大約為3D Realms公司帶來了一百多萬美元的額外收入,3D Realms公司也由此而成為了引擎授權市場上的第一個"暴發戶"。不過從整體來看,Build引擎並沒有為3D引擎的發展帶來任何質的變化,突破的任務最終由id Software公司的《雷神之錘》(Quake)完成了。

3D遊戲引擎3D遊戲引擎

《雷神之錘》緊跟在《毀滅公爵》之後發售,兩者孰優孰劣一時之間成為玩家的熱門話題。從內容的精彩程度來看《毀滅公爵》超過《雷神之錘》不少,但從技術的先進與否來看,《雷神之錘》是毫無疑問的贏家。Quake引擎是當時第一款完全支持多邊形模型、動畫和粒子特效的真正意義上的3D引擎,而不是Doom、Build那樣的2.5D引擎。此外Quake引擎首開連線遊戲的先河,盡管幾年前的《毀滅戰士》也能通過數據機連線對戰,但最終把網路遊戲帶入大眾的視野之中的是《雷神之錘》,是它促成了電子競技產業的發展。

一年之後,id Software公司推出《雷神之錘2》,一舉確定了自己在3D引擎市場上的霸主地位。《雷神之錘2》採用了一套全新的引擎,可以更充分地利用3D加速和OpenGL技術,在圖像和網路方面與前作相比有了質的飛躍,Raven公司的《異教徒2》(Heretic II)和《軍事冒險家》(Soldier of Fortune)、Ritual公司的《原罪》(Sin)、Xatrix娛樂公司的《首腦:犯罪生涯》(Kingpin:Life of Crime)以及離子風暴工作室去年夏天剛剛發布的《安納克朗諾克斯》(Anachronox)都採用了Quake II引擎。

Quake II引擎的授權模式大致如下:基本許可費從40萬美元到100萬美元不等,版稅金視基本許可費的多少而定,40萬美元的許可費大約需提取10%以上的版稅金,100萬美元的許可費則提取很少一部分版稅金。這樣算下來,《雷神之錘2》通過引擎授權所獲得的收入至少有一千萬美元,盡管遊戲本身的銷售業績比起《毀滅戰士》來要差很多,大約賣了110多萬套,收入在4500萬美元左右,但在授權金這一塊它所獲得的盈利顯然要遠遠高于《毀滅戰士》,此時的引擎已經從一種單純的工具變成了一塊令人垂涎欲滴的肥肉。

俗話說"一個巴掌拍不響",沒有實力相當的競爭者,任何市場都無法發展起來的。正當Quake II獨霸整個引擎市場的時候,Epic Megagames公司(即Epic遊戲公司)的《虛幻》(Unreal)問世了。毫不誇張,第一次運行這款遊戲的時候,我的確被眼前的畫面驚呆了,盡管當時隻是在300x200的解析度下運行的這款遊戲(四大悲事之一:玩遊戲機器不夠勁)。除了精致的建築物外,遊戲中的許多特效即便在今天看來依然很出色,蕩漾的水波,美麗的天空,龐大的關卡,逼真的火焰、煙霧和力場等效果。從單純的畫面效果來看,《虛幻》是當之無愧的佼佼者,其震撼力完全可以與人們第一次見到《德軍司令部》時的感受相比。

Unreal引擎可能是使用最廣的一款引擎,在推出後的兩年之內就有18款遊戲與Epic公司簽訂了許可協定,這還不包括Epic公司自己開發的《虛幻》資料片《重返納帕利》,其中比較近的幾部作品如第三人稱動作遊戲《北歐神符》(Rune)、角色扮演遊戲《殺出重圍》(Deus Ex)以及即將在2011年5月底上市的第一人稱射擊遊戲《永遠的毀滅公爵》(Duke Nukem Forever),這些遊戲都曾經或將要獲得不少好評。

Unreal引擎的套用範圍不限于遊戲製作,還涵蓋了教育、建築等其它領域。Digital Design公司曾與聯合國教科文組織的世界文化遺產分部合作採用Unreal引擎製作過巴黎聖母院的內部虛擬演示,Zen Tao公司採用Unreal引擎為空手道選手製作過武術訓練軟體,另一家軟體開發商Vito Miliano公司也採用Unreal引擎開發了一套名為"Unrealty"的建築設計軟體,用于房地產的演示。

這款與《雷神之錘2》同時代的引擎經過不斷的更新,至今依然活躍在遊戲市場上,絲毫沒有顯出老邁的跡象,實屬難得。

革命

(1998年~2000年)

遊戲的圖像發展到《虛幻》這裏已經達到了一個天花板的高度,接下去的發展方向很明顯不可能再朝著視覺方面進行下去。前面說過,引擎技術對于遊戲的作用並不僅局限于畫面,它還影響到遊戲的整體風格,例如,所有採用Doom引擎製作的遊戲,無論是《異教徒》還是《毀滅巫師》,都有著相似的內容,甚至連情節設定都如出一轍。玩家開始對端著槍跑來跑去的單調模式感到厭倦,開發者們不得不從其它方面尋求突破,由此掀起了第一人稱射擊遊戲的一個新的高潮。

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兩部劃時代的作品同時出現在1998年--Valve公司的《半條命》(Half-Life)和LookingGlass工作室的《神偷:暗黑計畫》(Thief:The Dark Project),盡管此前的《系統震撼》(System Shock)等遊戲也為引擎技術帶來過許多新的特徵,但沒有哪款遊戲能像《半條命》和《神偷》那樣對後來的作品以及引擎技術的進化造成如此深遠的影響。

曾獲得無數大獎的《半條命》採用的是Quake和Quake II引擎的混合體,Valve公司在這兩部引擎的基礎上加入了兩個很重要的特徵:一是腳本序列技術,這一技術可以令遊戲以合乎情理的節奏通過觸動事件的方式讓玩家真實地體驗到情節的發展,這對于誕生以來就很少註重情節的第一人稱射擊遊戲來說無疑是一次偉大的革命

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