Lecture02 游戏引擎分层结构

  • 工具层 Tool Layer 编辑器

  • 功能层 Function Layer 渲染/模拟/玩法/交互/…

  • 资源层 Resource Layer 数据和文件

  • 核心层 Core Layer 内存管理/资源分配/数学模块

  • 平台层 Platform Layer 硬件设备的调用

  • PS：中间件/第三方库

情景：制作一个动画角色

  • Resource 怎么获取数据

    • Offline Importing resource -> assets
      • 将resource转换为asset的文件格式
      • asset读取更快
      • 建构所有资产的关联关系（reference）
      • GUID
    • 实时/运行时（Runtime）资产管理器
      • 基于路径加载/卸载asset
      • 通过Handle系统管理asset的生命周期和参考

  • Function 怎么使世界动起来

    • tick()
      • tickLogic()
      • tickRender()
    • 有大量系统组成
      • 必定属于引擎功能层的：渲染/模拟等
      • 引擎功能层/游戏Gameplay有时有一定冲突
    • 多线程
      • 固定线程：不同线程作不同功能
      • 主流用法，Job join：将模拟/动画等适合多线程的任务平均分配
      • 原子化/任务系统：转换为一个个Job分配给所有线程

  • Core

    • 数学库

      • 线性代数

      • 为什么要单独写数学库 - 效率

        • eg. 卡马克快速平方根（牛顿迭代）

        • SIMD 一条指令完成四个数操作（非常适合齐次坐标运算）

    • 数据结构

      • vector / map / tree / …
      • 为什么要在STL外单独写 - 效率 STL中经常有浪费内存的操作

    • 内存管理 - 追求最高效率

      • 性能的主要瓶颈
        • 内存池 / 分配器
        • 减少cache浪费
        • 内存对齐
      • PMR 多种内存资源 cache level 1 / 2 / 3 / RAM / Storage
      • 优化核心思路
        • 把数据放一起
        • 按顺序读取数据
        • 按块分配/释放内存

  • Platform

    • 文件系统（路径）
    • 图形API
      • OpenGL / Vulkan / DirectX / Metal
      • RHI (Render Haraware Interface) 实现一套“API”，封装各种底层API
    • 硬件架构
      • PC / PlayStation / 手机 / …
      • 多核逻辑（大小核）

  • Tool 允许他人创作游戏

    • 开发相对灵活，根据用户需求，工具层的代码量和工作量可能比其他四层还大
    • DCC, Asset Conditioning Pipeline 引擎工具层的编辑器和DCC的编辑器要数据通畅

为什么游戏引擎要分层

  • 解耦并减少复杂度
    • 上下层相互独立
    • 上层不需要知道底层怎样实现
  • 迎合不断变化的需求
    • 上层变化大，底层较稳定

Lecture03 如何构建游戏世界

Game Object (GO) 游戏对象

  • 动态游戏对象 eg.坦克、飞机…
  • 静态游戏对象 eg.建筑、陈设…
  • 环境 eg.场景、天空、植被（随风运动，也可以是动态游戏对象）…
  • 其他对象 eg.空气墙、规则区…

以一个无人机为例

  • Property 属性
    • 外形
    • 位置
    • 血量
    • 电池量
    • …
  • Behaviors 行为
    • 运动
    • 侦察
    • …
class Drone {
    /* Properties */
    vec3 position;
    float health;
    float fuel;
    ...
    /* Behavior */
    void move();
    void scout();
    ...
}

拓展一个武装无人机：继承

class ArmedDrone : public Drone {
public:
    float ammo;
    void fire();
}

游戏复杂后，没有那么清晰的从属关系——组件化

L03_Component

如何让世界动起来

Tick()

  • 每个物体、每个组件Tick()
  • 工程中，以系统为单位Tick()：Gameplay、模拟、渲染…

GO之间的交互 eg.坦克击中人

  • Hardcode：坦克发射，生成新的子弹GO，逐个碰撞对象判断、处理。但工程复杂后非常难用。
  • Events事件机制：用Event标记伤害，Tick()时读取Event作出响应执行回调函数 ——解耦合，可扩展的消息系统，每个component对接消息进行处理

如何管理GO

  • 在场景中标记GO
    • UID
    • 空间位置
  • 场景管理方法
    • 不分割 效率低，适合小游戏
    • Grid分割 适合不是特别大的游戏
    • GO分布不均匀时 -> 层级结构
      • BVH
      • BSP Binary Space Partitioning
      • 四叉/八叉树
      • Scene Graph

还有很多问题…

  • GO的绑定 eg.人在车上时，人和车应共同移动

  • Event系统GO互相发消息的问题：多个消息冲突，引入中心发信机构，“邮局”

  • GO之间的循环依赖