游戏引擎架构 - 一点笔记

笔记：[Game Engine Architecture 游戏引擎架构 - 作业部落 Cmd Markdown 编辑阅读器](https://zybuluo.com/gnat-xj/note/620658)

# Game Engine Architecture 游戏引擎架构

## 第一部分：基础

### 1 导论

```
* 典型游戏团队的结构
* 游戏是什么
* 游戏引擎是什么
* 不同游戏类型中的引擎差异
* 游戏引擎概观
* 运行时引擎架构
* 工具及资产管道
```

游戏是一种软实时（soft real-time）互动（interactive）基于代理（agent-based）计算模拟（computer simulation）型计算机应用。

- 街机游戏（arcade game）
- 任天堂的 8 位红白机（Famicom）
- id software 的 id 发音如 kid 的 id，来自 id（本我），ego（自我）与 superego（超我）
- runtime programmer（做游戏）
- tool programmer（做做游戏的辅助工具）
- generalist（通才）
- lead engineer（首席工程师）
- technical director，TD（技术总监）
- chief technical officer（CTO）
- motion capture actor（动画捕捉演员）
- voice actor（配音演员）
- game designer
- first-party developer（第一方开发商），例如顽皮狗是索尼的第一方开发商
- Monopoly（游戏：大富翁）
- massively multiplayer online games，MMOG（大型多人在线游戏）
- interactively temporal simulation（互动时间性模拟）
- interactively real-time simulation（互动实时模拟）
- soft real-time system，不实时只是效果差点，无大碍
- hard real-time system，不实时会导致重大事故，如核电站的控制棒（control rod）系统
- force feedback（力反馈）
- FPS，first person shooter，第一人称射击游戏
- heads-up display（平视显示器）
- hovercraft（气垫船）
- 主角的能力（ability）以及运动模式（locomotion mode）
- non-player character，NPC（非玩家角色）
- Tekken（游戏：铁拳）
- subsurface scattering，SSS（次表面散射）
- brawler，beat 'em up（痛殴他们）
- hash and slash（切和斩）
- oblique top-down view（斜面俯视）
- height field terrian（高度场地形）
- persistent word（持久世界）
- god game（上帝模拟游戏）
- Castle Wolfenstein 3D，1992，德军总部，第一个 FPS 游戏
- 虚幻引擎是强大的原型制作（prototyping）工具和商业游戏平台
- preeptive multitasking（抢占式多任务）
- collision detection（碰撞检测）
- rigid body dynamics（刚体力学）
- low-level renderer（低阶渲染器）
- message pump（消息泵（beng））
- back-face culling（背面剔除）
- frustum cull（平截头体剔除）
- potentially visible set，PVS（潜在可见集）
- 场景图（scene graph）
- decal system（贴花系统）
- full-screen post effect（全屏后期处理效果）
- high dynamic range，HDR（高动态范围）
- bloom（敷霜效果）
- bleech bypass（略过漂白）
- full-motion video，FMV（全动视频）
- in-game cinematics，IGC（游戏内置电影）
- print statement / log 的 verbosity level
- force（力） and torque（力矩）
- skeletal annimation（骨骼动画）
- morph target animation（变形目标动画）
- ragdoll（布娃娃）
- game asset，`/æsɛt/`（游戏资产）
- asset conditioning pipeline（资产调节管道）
- digital content creation，DCC（数字内容创作）

### 2 专业工具

```
* 版本控制
* 微软 Visal Studio
* 剖析工具
* 内存泄露和损坏检测
* 其他工具
```

- translation unit（翻译单元）
- `cl /c foo.cpp /Fo foo.obj /Wall /Od /Zi`，`Od` 关掉优化，`/Zi` 产生调试信息
- F11 step into，F10 step over
- VS wathing window：`,d` 十进制，`,x` 十六进制，`,6`，六个元素
- conditional breakpoint（条件断点）
- Pareto principle（帕累托法则），也叫 80-20 rule，计算机中更常见的是 90-10 rule
- unobtrosive（不唐突）
- hex editor
- three-way merge tool
- difference/diff tool

### 3 游戏软件的工程基础

```
* 重温 C++ 及最佳实践
* C/C++ 的数据、代码及内存
* 捕捉及处理错误
```

- 只容许从一个单继承层次结构中多重继承一些简单且无父的类，这些类称为嵌入类（mix-in class）
- 尾数（mantissa），指数（exponent），IEEE 浮点数：$(-1)^{s}cdot (1+m)cdot 2^{e-127}$，`|S|-E(8)-|-M(23)-|`，M 的基底是 1/2, 1/4, 1/8, ...
- SIMD，single instruction multiple data（单指令多数据）

### 4 游戏所需的三维数学

```
* 在二维中解决三维问题
* 点和矢量
* 矩阵
* 四元数
* 比较各种旋转表达方式
* 其他数学对象
* 硬件加速的 SIMD 运算
* 产生随机数
```

- cartesian coordinate system（笛卡尔坐标系）
- cylindrical coordinate system（圆柱坐标系）
- sphericial coordinate system（球坐标系）
- RH，right-handed，LH， left-handed，利手（handedness）对叉积有影响（视觉化一个叉积时，右手坐标系用右手法则，左手坐标系用左手法则）
- right hand rule（右手法则）
- position vector/radius vector
- $otimes$ Hadamard product
- Pythagorean theorem（勾股定理），`/paɪˌθæɡəˈriən/`
- reciprocal（倒数）
- 叉积定义了 positive rotation（正旋）方向
- linear interpolation（线性插值），这个运算常被称作 LERP
- weighted average
- model space / object space / local space
- camera space / view space
- ellipsoid 椭球
- normed division algebra（赋范可除代数）
- 四元数：$q=[q_V q_S]=[vec acdot sin{frac{theta}{2}} cos{frac{theta}{2}}]$
- LERP → SLEPR (spherical linear interpolation)
- gimbal lock（万向节死锁）
- SQT（scale，quaternion，translation）
- point-normal form（点法式）
- AABB（axis-aligend bounding box），$[x_{min}, x_{max}, y_{min}, y_{max}, z_{min}, z_{max}]$
- OOB（oriented bounding box）
- frustum（平截头体）
- multimedia extension，MMX，多媒体扩展
- streaming SIMD extensions，SSE（单指令多数据流扩展）
- 随机数（random number）
    - 线性同余产生器（linear congruential generator，LCG）
    - 梅森旋转（mersenne twiter，MT）
    - 所有之母及 Xorshift（mother of all pseudo-random number generator）

## 第二部分：低阶引擎系统

### 5 游戏支持系统

```
* 子系统的启动和终止
* 内存管理
* 容器
* 字符串
* 引擎配置
```

- 蛮力方法总优于其他方法
- memory access pattern（内存访问模式）
- write-thgouth cache（透写式缓存）
- write-back / copy-back（回写）

### 6 资源及文件系统

```
* 文件系统
* 资源管理器
```

- Modern C++ Design，Loki
- intrusive list（侵入式链表）
- 多字节字符集（multibyte character set，MBCS）
- UTF-16，wide character set（WCS）
- per-use option（个别用户选项）
- volume specifer（卷指示符），path separator（路径分割符）
- current working directory，present working directory

### 7 游戏循环及实习模拟

```
* 渲染循环
* 游戏循环
* 游戏循环的架构风格
* 抽象时间线
* 测量及处理时间
* 多处理器的游戏循环
* 网络多人游戏循环
```

- rectangle invalidation（矩阵失效）
- render loop，game loop
- abstract timeline，real timeline，game timeline
- oscilloscope（示波器）
- frame time，time delta / delta time，frame period
- perceived speed
- frame-rate spike
- frame-rate governing
- vertical blanking interval（垂直消隐区间）
- 1/300s 位时间单位（原理和 60 进制一样）
- 多人架构对于游戏主循环的结构有深远影响

### 8 人体接口设备（HID）

```
* 各种人体学接口设备
* 人体学接口设备的接口技术
* 输入类型
* 输出类型
* 游戏引擎的人体学接口设备系统
* 人体学接口设备使用实践
```

- light emitting diode，LED（发光二极管），`['daɪod]`
- 震动反馈（rumble）
- button-mapping table（按钮映射表）
- dead zone
- moving average
- grapple（扑捉技）

### 9 调试及开发工具

```
* 日志及跟踪
* 调试用的绘图功能
* 游戏内置菜单
* 游戏内置主控台
* 调试用摄像机和游戏暂停
* 作弊
* 屏幕截图和录像
* 游戏内置性能剖析
* 游戏内置的内存统计和泄露检测
```

- printf 调试法
- playtest 关卡（qia），游戏测试关卡
- sprint（快速跑）
- in-game menu
- invincible（不死）
- in-game profiling tool

## 第三部分：图形及动画

### 10 渲染引擎

```
* 采用深度缓冲的三角形光栅化基础
* 渲染管道
* 高级光照及全局光照
* 视觉效果和覆盖层
* 延伸阅读
```

- visual property（视觉特性）
- sloving the rendering equation（求解渲染方程），也叫着色方程（shading equation）
- light transport model
- opaque（不透明）
- transparent（透明）
- translucent（半透明）
- piecewise linear approximation（分段线性逼近）
- tessellation（镶嵌）
- 三角化（triangulation）
- level-of-detail，LOD（层次结构）
- dynamic tessellation
- progressive mesh
- winding order（缠绕顺序）
- cache coherency（缓存一致性）
- model-to-world matrix（模型至世界矩阵）
- diffuse（漫反射）
- specular（镜面反射）
- absorb（吸收），反射（reflect），折射（refract），衍射（diffract）
- subsurface scattering，SSS
- anisotropic（各向异性）
- color model，color channel，color format
- bits per pixel，BPP
- RGB888，RGB565
- paletted format
- per-vertex dynamic lighting
- Gourand shading（高氏着色器）
- 各种贴图
    - texure map（纹理贴图）
    - emmisive texture map（放射光贴图）
    - diffuse map（漫反射贴图）
    - albedo map（反照率贴图）
    - normal map（法线贴图）
    - gloss map（光泽贴图）
    - environment map（环境贴图）
    - light map（光照贴图）
- texture addressing mode（纹理寻址模式）
    - wrap mode（缠绕）
    - mirror mode（镜像）
    - clamp mode（截取）
    - border color mode（边缘颜色）
- texel density（纹素密度）
- mipmapping（多级渐远纹理）
- trilinear filtering（三线性过滤）来混合采样生成新一 level 的 texture map
- Cornell box（康奈尔盒子）
- local illumination model（局部光照模型）
- global illumination model
- ray tracing（光纤追踪）
- radiosity（辐射度算法）
- Phong 氏光照模型，Phone reflection model：$$I = k_AA + sum_i{[k_D(Ncdot L_i)+k_S(R_icdot V)^alpha]C_i}$$
    - $k_A$ 环境光因子
    - $k_D$ 漫反射因子
    - $k_S$ 镜面反射因子
    - $C_i$ 光源颜色及强度 $C_i = [C_{R_i} C_{G_i} C_{B_i}]$
- Blinn-Phone 反射模型
- BRDF（bidirectional reflection distrubtion function）
- ambient light（环境光）
- directional light（平行光）
- point light（点光）
- 全向光（omni-directional light）
- spot light（聚光）
- emmisive texture map（放射光贴图）
- umbra，`['ʌmbrə]`（本影），penumbra，`[pɪ'nʌmbrə]`（半影）
- perspective foreshortening（透视收缩）
- homogeneous clip space（齐次裁剪空间），通常左手坐标系
- aspect ratio
- 屏幕空间
- triple buffering（三缓冲法）
- depth buffer（深度缓冲），也称 z-buffer（z 缓冲）
- stencil buffer（模板缓冲）
- full-screen antialiasing，FSAA（全屏幕抗锯齿）
- multisample antialiasing，MSAA（多重采样抗锯齿）
- z-fighting
- w-buffer（w 缓冲）
- Unreal Engine 3（虚幻引擎 3）
- visibility determination（可见性判断）
- quadrant（象限）
- binary space partitioning（二元空间分割）
- constructive solid geometry（构造实体几何）
- image-based lighting（基于图像的光照）
    - normal map（法线贴图）
    - height map（高度贴图）：parallax mapping（视差贴图法），浮雕贴图（relief mapping）
- spherical environment map
- cubic environment map
- 方位角（azimuthal angle）
- 天顶（zenith）
- high dynamic range，HDR，可以无失真地同时保留亮区和暗区的细节
- tone mapping（色调映射）
- silhouette edge（阴影体积）
- shadow map（阴影贴图）
- shadow volume（阴影体积）
- ambient occlusion（环境遮挡）
- contact shadow（接触阴影）
- caustics（焦散）
- geometry buffer（几何缓冲，G-buffer）
- sky dome（天空穹顶），sky box（天空盒）
- cathode ray tube，CRT（阴极射线管）
- depth-of-field blur（景深模糊）
- vignette（晕影）

Normal map（法线贴图），[Advances in Real-Time Rendering in 3D Graphics and Games - SIGGRAPH 2010](http://advances.realtimerendering.com/s2010/) 下 CryENGINE 3: Reaching the Speed of Light 介绍了其编码。

### 11 动画系统

```
* 角色动画的类型
* 骨骼
* 姿势
* 动画片段
* 蒙皮及生成矩阵调色板
* 动画混合
* 后期处理
* 压缩技术
* 动画系统架构
* 动画管道
* 动作状态机
* 动画控制器
```

- cel animation（赛璐璐动画）
- sprite animation（精灵动画）
- rigid hierarchical animation（刚性层阶式动画）
    - pelvis（盆骨）
    - torso（躯体）
    - upper arm（上臂/胳臂（bei））
    - lower arm（下臂/手臂）
    - upper leg（大腿）
    - lower leg（小腿）
    - hand（手）
    - feet（脚部）
    - head（头部）
- morph target animation（变形目标动画）
- facial animation（面部动画）
- skinned animation（蒙皮动画）
- pivotal movement（轴转移动）
- targeted movement（靶向移动）
- one-dimentional LERP blending（一维线性插值混合）
- $P_{LERP} = alpha P_0 + beta P_1 + (1-alpha -beta)P_2$
- delaunay triangulation（Delaunay 三角分割）
- partial-skeleton blending（骨骼分部混合）
- blend mask（混合遮罩）
- inverse kinematics，IK（逆运动学）
- forward kinematics，FK（正向运动学）
- end effector（末端受动器）
- action state machine（动作状态机）
- animation state machine（动画状态机）

### 12 碰撞及刚体力学

```
* 你想在x游戏中加入物理吗
* 碰撞/物理中间件
* 碰撞检测系统
* 刚体动力学
* 整合物理引擎至游戏
* 展望：高级物理功能
```

- je ne sais quoi（难以言喻的特质）
- trigger volume（触发体积）
- buoyancy（水面模拟及浮力）
- collision representation（碰撞表达形式）
- gameplay representation（游戏性表达形式）
- visual representation（视觉表达形式）
- convex（凸），non-convex / concave（凹）
- collision primitive（碰撞原型）
- capsule（胶囊体）
- swept sphere（扫掠球体）
- cuboid（长方体）
- discrete oriented polytope，DOP（离散定向多胞体），k-DOP 是任意 k 个平面所构成的形状
- arbitrary convex volume（任意凸体积）
- polygon soul，poly soup（多边形汤），多用于静态表面建模，如地形和建筑
- compound shape（复合形状）
- analytical geometry（解析几何）
- separating axis theorem（分离轴定理）
- polytope（多胞形）
- CJK
    - Christer Ericson 的 SIGGRAPH [演示 PPT](http://realtimecollisiondetection.net/pubs/SIGGRAPH04_Ericson_the_GJK_algorithm.ppt)
    - Casey Muratori [Implementing GJK — 2006](https://mollyrocket.com/849)
- Minkowski difference（闵可夫斯基差）
- simplex（单纯体）
- bullet through paper，tunneling（隧穿）
- continuous collision detection，CCD（连续碰撞检测）
- time of impact（冲击时间）
- broad phase，midphase，narrow phase
- sweep and prune（扫掠裁剪）
- rigid body dynamics 教参：[Rigid Body Dynamics - Chris Hecker's Website](http://chrishecker.com/Rigid_Body_Dynamics)
- MKS 单位系统，m：meter，k：kilogram，s：second
- center of mass，CM/COM（质心）
- centroid（几何中心）
- linear momentum（线性动量）
- stiffness（刚度）
- mechnical viscous damper（减震器）
- angular dynamics（旋转动力学）
- moment of inertia（转动惯量）
- [Gaffer on Games | Game Physics](http://gafferongames.com/game-physics/)
- David Baraff： [An Introduction to Physically Based Modeling](http://www.cs.cmu.edu/~baraff/sigcourse/notesd1.pdf)
- inertia tensor（惯性张量）
- product of inertia（惯量积）
- Newton's law of restitution for instanteous collisions with no friction（无摩擦力下瞬时碰撞的牛顿恢复定律）
- coefficient of restitution（恢复系数）
- perfectly elastic（完全弹性）
- perfectly plastic（完全塑性）
- point-to-point constraint（点对点约束）
- stiff spring constraint（刚性弹簧约束）
- hinge constraint（铰链约束）
- prismatic constraint（滑移铰约束）
- pulley（滑轮）
- procedural animation（程序式动画）
- contraint solver（约束求解程序）

## 第四部分：游戏性

### 13 游戏性系统简介

```
* 剖析游戏世界
* 实现动态元素：游戏对象
* 数据驱动游戏引擎
* 游戏世界编辑器
```

- world chunk（world chunk）
- level（关卡）
- map（地图）
- state（舞台）
- area（地区）
- cut-scene（过场动画）
- in-game cinematics
- noninteractive sequence，NIS（非交互连续镜头）
- full-motion video，FMV
- game object（GO，游戏对象），entity，agent，actor
- particle emitter（粒子发射器）
- spline（样条）

### 14 运行时系统性基础系统

```
* 游戏性基础系统的组件
* 各种运行时对象模型架构
* 世界组块的数据格式
* 游戏世界的加载和串流
* 对象引用与世界查询
* 实时更新游戏对象
* 时间与消息泵
* 脚本
* 高层次的游戏流程
```

- load-and-stay-resident，LSR（载入并驻留）
- imperative（命令式）语言
- declarative（声明式）语言
- functional（函数式）语言
- procedural（过程式）与 object-oriented（面向对象）语言
- reflective（反射式）语言

## 总结

### 15 还有更多内容吗

```
* 一些未谈及的引擎系统
* 游戏性系统
```

- 音频再次牺牲……（据说本书第二版有）