《黑神话》是如何开发的？3D游戏技术介绍

合集 · 解读科技问题 (79)

Description
一、3D游戏开发常识
	《黑神话》等动作游戏是3D游戏，可以理解为有一个虚拟的游戏世界，其内部是三维的坐标系统，游戏中的物体都在里面活动。玩家看见的只是游戏世界的一小部分，随着玩家的行走、转身在不停变换。这个世界叫“摄像机视角”，它也是3D的。为了把画面显示在电脑、手机、平板、游戏机等设备上，需要将摄像机视角的3D图景，转换成2D的画面。
	游戏是动态的，玩家希望看见画面流畅像放电影一样，越真实越好。这需要一个双缓冲区机制。
	我们屏幕上显示的东西，是由显卡处理的（GPU以前就是显卡，后来增加了计算功能）。一幅2D图像内容放入“显存”，然后用一个显卡硬件调用，就会在屏幕上显示出来，呈现的画面叫“一帧”。如果更新画面时，对这一帧从上到下逐行扫描更新，就会出现上下不匹配的感觉。实际操作中，会准备显存中的另一个缓冲区，大小一样，在其中计算写入“下一帧”的图像数据。等全部准备好了，就将屏幕图像硬件调用的指针指过来，一下全部更新到屏幕上。原来的那一帧，就成为计算再下一帧的图像缓冲区。如此来回切换，屏幕画面就像放电影一样推进了。
	实践中，一秒钟显示30帧的“帧率”，人眼就感觉较为流畅了。帧率比30低，就会有卡顿感。30的帧率继续提升，人眼会感觉画面更为流畅。普通人到60帧就达到满意，不需要更高了。有些游戏发烧友会追求120帧，其实区别没多大。再往上，只有对画面极为敏感的职业电竞选手有追求了。
	因此，游戏显示帧率一般是在30 - 60帧，以60帧为优化目标，30帧为优化底线。偶尔出现低于30帧还能忍，经常出现就有问题了。另外，一秒内帧率波动也不好，这叫做“掉帧”，例如300毫秒里只有3帧，余下700毫秒27帧。有时Switch等游戏硬件上的30帧比电脑上的60帧感觉还流畅，这是因为帧率稳定，掉帧少。
	以上是最基础的知识，游戏画面是从哪来的。但对于游戏世界如何构建，还需要更多的知识。
	虚拟的游戏世界，是用“数据结构”来存储的。开发者总结出了几类有特性的数据结构：天空盒、地形、植被、水体、粒子特效、场景物品、角色、布料、光源。游戏世界就是由这些东西构成的，每一类都有自己的特色，相关的数据结构和处理算法都需要专门设计。
	天空盒，或者天空球，可以理解为，用一个很大的方盒子或者球形，笼罩住整个3D世界，盒子上贴上天空图片。有些天空算法能让天空图片动态变化，效果更自然。这个盒子非常大、非常高，玩家在地面移动时，会感觉天空是稳定的。但要注意，它并不是真有一个很大的盒子数据结构，后面说渲染的时候我们再来解释。
	地形就是地图，它还记录了地表的高低起伏，是游戏世界最基础的数据。植被是地表的草、树等覆盖物，量非常大，不断重复，但又要体现变化。水体有特殊的运动规律，有透明、反射、波动等属性。粒子特效，实现烟雾、火焰、扬沙、扬尘、攻击波等效果。场景物品定义了游戏世界的活动空间，包括建筑、石头、土壤、道具等各类刚性物体，有的只能远观，有的能进去，要有更详细的三维建模。其实植被也可以当成物品来理解，但它的数量非常多，需要不同的高效处理算法，所以专门定义成一个类别。
	角色，是玩家主要的关注焦点。角色的属性最为复杂，需要更详细的定义。3D动作游戏中，不少角色有漂亮的专属动作。定义角色，一个重要的手段是骨胳关节系统。关节可以扭动，角色就可以变成各种各样的形态。
	角色还会有衣服、饰品、面具等等，有时还有几层衣服。这些也需要专门的数据结构来处理，布料就能用来表示衣服。
	最特殊的一类东西是光源。有火炬、蜡烛之类的光源，有时还有一个外来光源，像太阳一样的平行光。由于光会反射、折射、吸收、增强，光线的处理非常复杂，是对图形显示算力需求最大的算法。实际上所有物体的颜色、亮度值都是以光源为基础的。
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