3D Game Programming & Design

An Introduction to Game Engine and OO Design Patterns

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二、离散仿真引擎基础

You can’t connect the dots looking forward; you can only connect them looking backwards

— Steve Jobs, Stanford Report, June 14, 2005

预计时间：3-4 * 45 min

1、游戏引擎

1.1 游戏引擎概念与结构

A game engine is a software-development environment designed for people to build video games.

根据这个定义，从 Construct2 到 Unreal Engine 都是游戏引擎。之所以 Unreal Engine 才是你眼中引擎是因为 EPIC Game 能够提供电影艺术级别效果，一下就吸引了你的眼球。与指相比而 Construct2 等引擎尽管默默无闻，但也是无数游戏设计师、开发者的最爱。

【注】游戏引擎产生了如此难以置信的精美而“真实”的场景画面，几乎每个人都梦想能开发这样的引擎！

简而言之，游戏引擎 是一组游戏运行部件以及软件工具的集合。随着技术进步，多数现代游戏引擎都包含以下部件，游戏引擎架构如图所示：

如上图所示，游戏引擎分为两个层次：

游戏内容层：一组工具管理游戏需要的数据
游戏引擎层：一组游戏运行部件，支撑游戏的运行与人机交互

尽管不同厂家的引擎性能差别巨大，每个部件功能也不同，其基本原理和使用方法基本一致。特别的，现代游戏都是数据驱动的架构，即游戏代码工作量一般不太大，游戏的行为、规则主要由数据决定。

1.2 游戏引擎产生与分类

早期游戏引擎是在游戏开发过程产生的。例如：id TECH 制作了游戏 《德军总部3D》、《Doom 3》（毁灭战士）、《Quake》（雷神之锤）等大卖的 3D 游戏，同时也把 3D 游戏的核心部件以及相关工具卖给其他游戏公司或电影制作企业。比较著名的就是 Quake engine，它的作者约翰·卡马克* 是开源运动的支持者，你可以下载源代码与各种资源。

早期游戏引擎都是以动画与渲染为核心，并没有使用现代显卡技术。

【注】 约翰·卡马克，id TECH 联合创始人(John Carmack)。现在已经加入Oculus Rift 团队，并且担任首席技术官一职。

PC与游戏机专业游戏引擎

以下是一些商业引擎与代表作：

引擎 代表作
虚幻/Unreal 《战争机器》
Cry Engine* 《Crysis》
寒霜/Frostbite 《战地》
Infinity Ward 《使命召唤》
EGO 《尘埃2》
id TECH 《DOOM3》
Source 《半条命2》
X-Ray* 《潜行者》
Havok Vision 《哥特王朝》
Quake/idTECH 《雷神之锤》
Chrome4* 《狂野西部2》
MT framework 《生化危机5》
Gamebryo 《上古卷轴IV》
Jupiter EX 《 F.E.A.R》

* 顶级特效引擎，需要强大的 CPU 和 GPU（甚至超级计算）支持。

因为游戏引擎开源，具有实力的游戏公司一般都对外宣称拥有自己的游戏引擎。因此，要学好游戏开发，要点是强化游戏引擎知识，而不是简单的追随大厂如EPIC（Unreal）、EA（Frostbite）这些产品。

游戏引擎核心部件几乎 100% 由 c 和 c++ 实现。因此要进入游戏引擎开发的核心，c语言、数学、算法、计算机图形学等是基础。 如果要深入 AR/VR，SLAM 、计算机视觉与理解等技术是重要内容。因此游戏编程技术仅是游戏开发的一个方面，学好相关课程很重要。

移动端游戏引擎

手机端3D游戏引擎几乎是 Unity3D 一家独大。Unity Technologies 在PC、游戏机平台的游戏大厂比，难以竞争。就借助一款 mono 跨平台 .net 实现框架软件（类似java虚拟机），把它的游戏引擎部署到几乎任意的操作系统上，特别在手机平台上获得成功！

众多的开发者倒逼 Unity 成为一家专业提供游戏引擎与资源服务的公司。与传统游戏引擎比 Unity 3D 有着强大的开发工具和比较完善的服务社区，不仅是游戏入门学习的首选，也是 3D 手游开发的最佳工具之一。

Unity 的成功吸引了其他企业进入手游市场，其他包括：

面向游戏设计师的游戏引擎

简单一些，就是几乎不用写代码（交互编程，可视化编程）的游戏引擎。常用于非计算机专业人员游戏入门、做游戏 demo 和 testing、编写 html5 小游戏等

网页平台（HTML5）游戏引擎

具体说应该是 WebGL 开发的副产物，为展示新一代互联网图形基础设施而开发，并逐步走向流行。

开源游戏引擎

很多公司游戏引擎都是基于开源引擎而建，因此有必要了解它们

一些公司，开源了部分基础代码以获得同行信任，如：

2、游戏引擎核心-离散仿真

游戏就是模拟世界或构建虚拟世界。用计算机技术呈现现实或虚拟世界的动态场景，统称“离散仿真系统”

2.1 离散仿真的程序直观

这是一个简单的游戏世界，飞机打坦克的场景，如图所示：

为了呈现炮弹打击坦克的过程，

需要不断计算炮弹的位置，并在屏幕上画出炮弹。当游戏的引擎每 1/60 秒计算出所有游戏对象的位置、形态，并在屏幕上画出来，我们就看到了如电影一般飞机打坦克的动态场景。

游戏循环

先看仿真系统底层运作的伪代码，在游戏引擎中称为游戏循环（Game Loop）：

Initialize()
LoadContent()
WHILE not end of game DO {
    UpdateGameObjects(t) //创建、删除、修改游戏对象
    DrawGameObjects(t)   //绘制游戏对象
}
UnloadContent()

这么简单（难以置信）。微软 XNA 游戏引擎的基本框架就是这样，如图所示：

所有，XNA 游戏编程的模板如下：

public class Game1 : Microsoft.Xna.Framework.Game {

        GraphicsDeviceManager graphics;
        SpriteBatch spriteBatch;

        public Game1() {
            graphics = new GraphicsDeviceManager(this);
            Content.RootDirectory = "Content";
        }

        protected override void Initialize() {        
            base.Initialize();
        }

        protected override void LoadContent() {  
            spriteBatch = new SpriteBatch(GraphicsDevice); 
        }

        protected override void UnloadContent(){           
        }

        protected override void Update(GameTime gameTime)
        {           
            if (GamePad.GetState(PlayerIndex.One).Buttons.Back == ButtonState.Pressed)
                this.Exit();

            base.Update(gameTime);
        }

        protected override void Draw(GameTime gameTime) {
            GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);

            base.Draw(gameTime);
        }
    }

既然游戏执行过程是固定的，但每步骤的具体内容是用户定义的，这就是“设计模式”教材上典型的模板方法模式设计！

尽管现代游戏引擎的游戏循环非常复杂，但作为开发者必须明白，所有复杂的代码均建立在这样简单的基础代码之上。

无论引擎怎么强大，其游戏循环一定是单线程的。即有仅有一个线程渲染画面，由于渲染过程中计算线程不能修改游戏对象状态，所以过多 CPU 很难被利用。

2.2 离散仿真与离散事件仿真

“Discrete”是离散，为了研究一个系统的动态，计算机必须通过一个时间点来就系统状态，比如研究对象进入系统和离开系统的时间点，进入队列和离开队列的时间点，开始加工和完成加工的时间点等等。这些时间点在时间轴上是离散而非连续的序列，而系统状态仅在离散的时间点上发生变化。

离散仿真

为了研究系统动态，时间被分成为若干小的时间片，系统状态被这段时间内发生的系列活动而改变。称为基于活动的仿真（activity-based simulation）

离散仿真存在一些显而易见的问题：

这里仅给出游戏离散仿真中两个典型问题。你必须明白，无论游戏编程或引擎开发都需要认真学习相关知识，避免 “too young too naive”

离散事件仿真

早期游戏引擎最大的问题是硬件性能不足，游戏优化能力决定了游戏的成功。在硬件性能冗余、面向对象的时代，用 XNA 这样的引擎从头开始编写管理成百上千游戏对象的游戏是什么感觉？

程序员做2D小游戏时 “一切控制在手中” 的好感觉将荡然无存。因此，需要对游戏离散引擎进行改造，既要合适面向对象的编程，也要将游戏设计与优化工作自动化与工具化，在游戏执行性能可接受的条件下，使得游戏开发难度减低到普通程序员可以接受的程度。Unity 3d 在这方面工作使得游戏开发得到普及，EPIC（Unreal） 等大厂也积极跟进，谁也不乐意被开发者抛弃！

离散事件仿真（Discrete Event Simulation，缩写为DES）：为了研究系统动态，系统中对象处理在内部（如对象状态改变产生事件）、外部事件，并在事件处理过程中进一步引发系统状态改变产生系列事件。称为基于事件的仿真（Events-based simulation）。与离散仿真不同，我们是在特定事件（条件）中观察并改变系统状态。

现代游戏引擎一般都是离散仿真与离散事件仿真混合模型。先给出一个更接近现代游戏引擎的伪代码：

initialize()
loadContent()
WHILE not end of game DO {
    FOREACH GameObject o In game DO {
        IF (o.fristUpdated) o.Start();
    }
    FOREACH GameObject o In game DO {
        o.Update();
    }
    FOREACH GameObject o In game DO {
        o.LastUpdate();
    }
    drawGameObjects(t)   
}
unloadContent()

尽管这个代码与实际代码差别很大，它体现了以下一些事实：

现代游戏引擎由于要管理许多游戏对象，空间管理与性能优化无疑是巨大的挑战。所幸的是程序员编写游戏正在一步步变得更简单！

3、Unity 离散仿真引擎实现与应用

Unity 的使用与操作细节请移步 Unity 用户手册，这里仅关注相关内容

3.1 Unity 3D 操作快速入门

1、了解 Unity 3D 基本界面

如果你是新手，先阅读 Getting Started

安装完成后，创建一个 3D 项目。Unity 主界面如图所示：

Learning the interface

2、初识游戏对象与资源

任务是在游戏场景中放置一个物体（如 Cube）并赋予红色，运行游戏。

操作 02-01 ，GameObject 练习：

3.2 Unity 离散仿真引擎快速入门

1、游戏对象的表示

Unity 游戏对象主要涉及三种类:

它们之间的关系如图所示：

直观上，游戏对象继承非常直观，例如：96A主站坦克继承抽象坦克，抽象坦克继承游戏对象基类，似乎是天经地义的设计。然而，游戏引擎能仅能与游戏对象基类打交道。游戏引擎做的事越多，游戏对象基类必然要承担许多职责，导致基类过于庞大。

这里，游戏对象用一组部件来表达不同的方面的要求，能更好满足游戏世界的复杂性，提升游戏对象的灵活性，便于与引擎协作。例如：游戏对象位置等由 Transform 管理，形态网格由 Mesh 管理， 绘制由 Render 等部件协作完成，行为则由 MonoBehaviour 的子类管理。这些部件，仅需要时才加入游戏对象的定义。

组合优于继承

为什么要这样设计？在设计模式的装饰模式器描述了这样的设计场景：“装饰器模式（Decorator Pattern）允许向一个现有的对象添加新的功能，同时又不改变其结构。” 动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能来说，装饰器模式相比生成子类更为灵活。

这个设计充分体现了这条软件设计原则“组合优于继承”。然而，众多的部件对象也带来管理复杂性与性能优化问题。

【注】装饰器模式的案例多数是该设计场景的特例，“Wrapper”模式。

现在，做一些任务验证上图设计:

操作 02-02 ，GameObject 与 Component 关系练习：

2、赋予游戏对象行为

游戏对象行为是游戏对象的一个部件，都是脚本部件 MonoBehaviour 的子类。

下面的任务就是创建一个简单的脚本，并挂载到 Cube 对象。

操作 02-03 ，c# Script 编写练习：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class FisrtBeh : MonoBehaviour {

	// Use this for initialization
	void Start () {
		Debug.Log("This Start!");
	}
	
	// Update is called once per frame
	void Update () {
		// Debug.Log("This Update!");	
	}

	void OnEnable () {
		Debug.Log("This Enabled!");	
	}

	void OnDisable () {
		Debug.Log("This Disabled!");	
	}
}

你可能注意到 FisrtBeh 是 MonoBehaviour 的子类。我们怎么知道引擎调用了哪些方法和事件呢？ MonoBehaviour 基类就是一个编程模板，Unity API 的 Messages 一节给出了它可以处理的引擎回调（callback）与事件句柄（OnXXX）。

由于 Update 在每个游戏循环都会被调用，为了避免大量输出，所以暂时注释了。

修改代码，让 update 中语句执行， 重复上述过程。

脚本文件名称必须与类名一致，否则 …

3、游戏脚本对象方法与事件执行顺序

你可能想知道这些消息在游戏循环的什么时候发生，它们之间的顺序，Unity 官方手册这样描述了游戏循环、事件、引擎部件之间的关系：

这是一张可怕的大图，对入门者极其不友好。知道以下事件就够用了：

事件名称 执行条件或时机
Awake 当一个脚本实例被载入时Awake被调用。或者脚本构造时调用
Start 第一次进入游戏循环时调用
FixUpdate 每个游戏循环，由物理引擎调用
Update 所有 Start 调用完后，被游戏循环调用
LastUpdate 所有 Update 调用完后，被游戏循环调用
OnGUI 游戏循环在渲染过程中，场景渲染之后调用

由于游戏对象与部件之间是组合关系，Compnonent 对象子类的构建、释放必须由对应 GameObject 完成。程序员不能创建它们

为什么不能让程序员用 new 创建部件？

3.3 游戏对象的组织、预制与场景

1、用脚本创建 Primitive 游戏对象

操作 02-04 ，创建 Primitive 游戏对象练习：

菜单能作的工作，利用 API 编程也能做到！

2、游戏对象组合与预制

如果我们每次都从基础游戏对象构建游戏，这需要多少代码，而且不易于修改。我们可以把基本的游戏对象组合起来，制作成 预制，以后把预制当作一个游戏对象使用。

如果说基本游戏对象是原材料，预制就是半成品。因此，预制的概念在 Unity 中及其重要，也是游戏制作最基础的知识！

下图就是本节的任务，制作一个座椅的预制

操作 02-05 ，创建 Prefabs 练习：

在层次视图中，预制的颜色与普通游戏对象不同！！！

父对象坐标与子对象坐标的关系（世界坐标、相对坐标）？

事实上，游戏都是一些预制好的对象进一步组合而成，我们的代码不过是胶水，控制作这些事物的变化。

思考题：从对象设计角度，称为“组合模式（Composite Pattern）”。例如，行政区是一个抽象概念，国家、省、市、县都是行政区。这些行政区对象按树形结构组合，每个高级别的行政区都由几个低级别的行政区组合构成。

许多同学（包括网上绝大多数博客）都从编程特征来理解设计模式，而不像设计模式作者们那样从现实社会设计问题中去理解，忽视具体问题的业务场景与上下问。23 种面向对象设计模式的强大，就是这么多年来大家都觉得足够用了！

3、游戏场景、预制与资源

游戏场景的保存与恢复

与戏剧一样，一个游戏由一个与多个场景（Scenes）。场景中包含背景、静态游戏对象与动态游戏对象。Unity 场景视图就是场景中所有事物的可视化设计器。层次视图则是从对象的角度，描述了游戏对象树林这种数据结构。

操作 02-06 ，创建与恢复 Scene 练习：

资源、预制与场景

到开游戏项目资源所在的目录，例如： D:\mywork\unity\New Unity Project 2\Assets

发现每个游戏资源都对应了响应的文件。因此，资源是存在的硬盘的文件。

对于 Unity 预知和场景都是一样的文件。预制是游戏对象及其树上所有对象的文本定义（可以翻译成任何文本，如 YAML，XML，JSON]）;场景是场景中所有游戏对象的文本定义。默认它们以压缩格式保存。

【高级话题】文本化资源文件 Text-Based Scene Files

3.4 游戏对象动态构建

游戏代码的基本任务是根据资源动态加载游戏对象，并控制它们。本次的任务是掌握用代码创建游戏对象的基本技巧。

首先创建如下代码资源 LoadBeh：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class LoadBeh : MonoBehaviour {

	public Transform res;

	// Use this for initialization
	void Start () {
		// Load Resources
		GameObject newobj = Instantiate<Transform> (res, this.transform).gameObject;
		newobj.transform.position = new Vector3 (0, Random.Range (-5, 5), 0);
	}
}

随着版本更新，Unity 越来越喜欢使用模板，可能导致部分版本不兼容。例如：Instantiate 方法的定义 public static T Instantiate(T original, Transform parent);

操作 02-07 ，从预制创建游戏对象 练习：

这是，我们将观察到座椅随机出现在 Game 视图中。

编程练习 02-08，使用砖块构建一面5*10 的墙

编程要求与提示：

4、小结

5、作业与练习

Unity 常用资源

作业内容

1、简答题【建议做】

2、 编程实践，小游戏

3、思考题【选做】

作业提交要求

 

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