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    游戏引擎是什么

    游戏引擎指的是很多已编写好的软件系统、一些交互式实时图像应用程序的核心组件,它可以给游戏设计者(或有应用实时3D渲染等需求的人员)提供开发需要的工具,多数引擎都具备图形、声音、物理和人工智能等功能部件,不同功能模块化间的耦合度低,这样就能够使得游戏设计者快速做出游戏,实现组件复用与跨平台兼容,而不需由零开始编写游戏。

    游戏引擎架构

    典型的游戏引擎架构由多个“上层依赖下层”的软件层组成:1)硬件层、设备驱动层和操作系统层负责适配硬件资源;2)第三方软件开放包层、平台独立层、核心系统层和资源管理层提供不同API接口和基本软件管理;3)功能核心组件和游戏专用子系统作为顶层组件,在不同游戏类型中有差异和侧重点,主要包括渲染引擎、物理引擎和动作引擎,核心组件间的耦合度较低。

    游戏引擎

    游戏引擎发展历程

    根据《传媒行业游戏引擎双雄并进筑基元宇宙》游戏引擎的发展分为四个阶段

    1)1990-1997引擎诞生:简化游戏开发流程,Quake引擎实现3D渲染

    20世纪90年代引擎的概念虽未形成,但开发者已经逐步认识到每次开发均需从头编写代码的重复劳动问题,一些模块化的简化工具开始出现。1992年由IdSoftware(未上市)开发的《Wolfenstein 3D》(德军司令部3D)采用射线追踪技术渲染游戏内物体,模拟3D效果(伪3D),将FPS(First-person shooting game)游戏推向大众。1993年在Id Software在此基础上改良推出DOOM引擎(代号Id Tech1),除了支持游戏《DOOM》(毁灭战士)的开发外,成功实现商业授权。1996年Id Software进一步推出Quake3D引擎,支持多边形模型、动态光源和粒子特效,基于此引擎开发的游戏《Quake》也树立了FPS游戏的操作标杆(鼠标用于观看与瞄准,键盘进行前后、侧向移动)。

    2)1998-2003早期发展:引擎技术持续升级,Unreal异军突起

    游戏引擎功能不断迭代,支撑经典大作问世,如Quake引擎推出的后续版本IdTech2、IdTech3,先后服务于《半条命》、《反恐精英》等经典大作。1998年,Epic Games(未上市)推出Unreal(虚幻引擎),凭借其优质的画面效果与运行性能取得一定市场地位,此阶段《彩虹六号:雅典娜之剑》、《荒野大镖客》等多款大作均基于Unreal引擎打造。

    3)2004-2009门类丰富:大厂推出自研引擎,行业百花齐放

    2004年以来大厂相继推出自研引擎,同时Unreal等第三方引擎功能持续升级,行业呈现百花齐放的态势。2004年Valve(未上市)决定自研引擎Source,并将其运用于《Half Life2》中;2005年动视暴雪(ATVI US)也推出自研引擎IW2.0,首次在《使命召唤2》中使用。Epic于2006年推出的Unreal3支持64位高精度动态渲染、多种类光照和高级动态阴影特效,且占用资源较少,正式奠定在引擎领域的技术优势。

    4)2010至今走向分化:移动化浪潮下Untiy快速发展,行业格局逐渐稳定

    2010年至今,部分大型游戏厂商走自研定制化道路,而绝大多数中小型游戏公司受限于开发引擎的高昂成本,普遍采用画质优异、兼容良好的Unreal引擎和Unity引擎,其中Unreal引擎主要应用于PC、主机等高性能硬件平台;Unity更多涉及独立作品及移动平台作品,在游戏移动化的浪潮下快速发展,市场份额持续提升。

    游戏引擎


    游戏引擎运行流程

    根据王龙《游戏引擎研究与分析》一文,游戏引擎运行是按照场景绘制和事件触发组织整个游戏过程。根据运行图,流程包括两部分:①场景绘制驱 动运行,主要是指在游戏场景中光影发生强弱改变、视角发生移动、动画产生新序列、粒子系统粒子正常衰减等造成的场景内容本身的变化,游戏引擎则会触发重新绘制场景机制,运行程序;②事件驱动的场景变化,比如:输入设 备感知到用户发生了向前移动的变化,以及场景模型碰撞被检测、关卡切换等交互事件,同样会引起运行程序启动不同模块

    游戏引擎

    游戏引擎应用场景

    根据《互联网平台行业:数字经济背景下如何看互联网平台的定位与价值》报告,游戏引擎除了可以在游戏领域应用外,还可以在多个场景使用。

    (1)游戏引擎Unity应用在香港机场:先由香港国际机场的BIMs连接机场资产管理系统的各项运营数据,并与地理信息系统(GIS)地图相结合,以创造数字孪生的静态状态;再通过Unity引擎以逼真的方式导航机场的3D模型,使用了机场各区域物联网设备的实时数据,数字孪生与仿真工具、企业应用程序和企业分析平台相结合,打造可以准确预测的未来机场场景。

    (2)游戏引擎Unity应用在上海国际汽车城自动驾驶虚拟仿真平台:在2020世界智能网联汽车大会期间,上海国际汽车城公布已与Unity达成合作,共同搭建自动驾驶虚拟仿真平台,借助Unity的基于实时3D渲染|擎的数字孪生技术,双方共同构建了一个虚拟城市环境,将上海嘉定安亭区域近500公里道路场景精准还原,包括地形、建筑和植被等,用于进行自动驾驶测试。

    (3)游戏引擎Unity应用在上海轨道交通:上海轨道交通十七号线是上海首条全线BIM建模的轨道交通线路,所有的设备、车站、区间都进行了建模,将BIM模型和综合监控系统数据导.入Unity形成可视化交互的整体应用后,可以实现自动检票机状态监控、错层状态下的设备报警查看、站内蓝牙定位及轨迹查询、基于RFID射频识别的站内物资管理及监控等诸多功能。Unity新城建这一应用模式同样在上海轨道交通十六号线惠南站、上海轨道交通十八号线北段以及上海轨道交通十四号线全线铺开应用。

    (4)游戏引擎Unity应用在法国巴黎建筑设计和市区规划中:Vectuel公司通过在数字平台上复制城市基建,再使用Unity的云端流传输方案Furioos共享场景,实现了大规模的城市可视化,成功地在Unity的实时3D环境中再现了巴黎市区,覆盖了1000平方公里的土地,上方包含了200多万幢已建成和规划中的建筑结构。市民能以一种全新的方式参与到智慧城市的发展中;巴黎市政府和建筑师们可以更快、更好地决定建筑的风格、颜色、楼层布局和消防安全等设备的摆放,从而减少团队停工等待时间、施工时间、设计失误以及项目总成本。

    (5)虚拟引擎应用在训练与模拟上。为意外做好准备,防止威胁生命的事故发生,需要在最逼真的情景下进行训练。虚幻引擎,无论需要训练人类还是机器,是要分析新装备还是评估未来的决策,点击几下鼠标就能准确传达信息。虚幻引擎能提供高保真的图像和所需的控制功能。

    (6)游戏引擎Unity应用在海尔卡奥斯5G+工业边缘云渲染平台化解决方案中:作为首个被集成到卡奥斯COSMOPlat数字李生平台的应用,交互式实时3D引擎Unity不仅赋予了数字孪生平台工业协议解析、异构工业数据接入,整合,三维可视化、实时工业信号导入运行程序、云渲染等PaaS层工业原子能力,还提供了预测性维护、MR巡检等SaaS层工业应用。

    (7)游戏引擎Unity应用在联合现代汽车打造元工厂(Meta-Factory):此次合作的最终目标是打造一个实时3D平台,为消费者提供更全面的销售、营销与消费服务。消费者将有机会在购置真车之前通过数字技术试驾、检验并且了解各类汽车相关的解决方案。合作意向书涵盖了智能制造、AI训练与学习,以及自动驾驶模拟。现代计划先于新加坡创新中心引入元工厂概念,将其打造成一个开放的研发中心。该项目将于2022年年底落成,届时新加坡创新中心将着手研究多种先进技术与出行服务。

    (8)游戏引擎UE4应用在深圳国土空间智慧治理实验室:2022年1月4日,对标世界一流,精心打造的“深圳国土空间智慧治理实验室”利用UE4、cesium,ndisplay、云渲染等技术,在全国率先创作了裸眼立体数字沙盘“城市云图”,访问者可沉浸式体验深圳规划和自然资源领域的工作。引入美国麻省理工学院“城市视景平台”,结合深圳“智慧城市”时空数据和城市运行数据,推出易用性好、互动性强、可循证的智慧决策演示中心,直观展现城市治理决策过程;利用3D激光打印等技术打造的“全球海洋中心城市”展区,直观生动地呈现全球海床地形地貌,突显深圳海洋经济建设发展和愿景。

    (9)游戏引擎UE4应用在中国科技大学智慧校园:初始科技使用ArcGis/Map、CE、CityEngine等软件组合自研方法与方案自动生成项目周边GIS地形,完美将3DMax、Revit等三维建筑模型融入地形最后集合到UE引擎里集中开发。UE4通过像素流技术实现轻量化的展示方式,在UE引擎中渲染需要展示的3D模型,并通过websocket推送的数据到UE4服务器,在UE中做处理并展示。用户也可以反向把自己的数据(比如鼠标键盘操作、网页上的按钮等)传给UE4服务器并影响服务器的逻辑决策,达到双向通讯的过程。

    (10)游戏引擎GritGene应用在K11智慧商场:粒界科技为商场及物业提供数字化管理,导航,AR等数字化解决方案,此外其实时渲染技术也为K11等商业品牌提供了渲染效果图、效果视频及数字互动体验解决方案。

    (11)游戏引擎GritGene应用在金科地产智慧小区:粒界的标准化方案已经落地金科地产旗下天智慧启公司的多个小区,实现了物业管理的数字智能化和3D虚拟化管理。

    (12)游戏引擎GritGene应用在杭州城市智能化:通过与阿里云合作,1:1数字化还原了杭州中心城区,结合不同系统AP|数字化接口助力城市的智能化管理。

    世界知名游戏引擎

    游戏引擎一般分为开源引擎和自有引擎两大类型。而开源引擎又有完全免费与有限免费,免费开源引擎有Godot、Armory等,有限免费的商业化引擎中应用最为广泛的为Unity与Unreal引擎,其中Unreal完全开放源码,Unity有限开放,另外Frostbite 、Rage、AnvilNext等均为游戏公司自有引擎

    当前世界上非常有名的引擎有Unreal(虚幻公司)、Unity3D(Unity公司)、Frostbite Engine(EA)、id Tech(ZeniMax)、CryEngine(Crytek)、Rage(Take Two)、GameMaker (YoYo Games)、Source(Valve)、AnvilNext(育碧)等引擎。一些游戏引擎只包含部分功能,例如专门处理图像渲染的“渲染引擎”,例如OGRE、Vision引擎等。

    (1)Unity首个版本2004年推出,旨在通过简化游戏开发工具,让更多人参与游戏设计开发,上线初期仅支持Mac平台,2005年就增加Windows平台支持,2008年~2010年,跨移动平台支持iOS与Android,经过多个版本迭代,形成了对大部分主流主机、PC、移动、VR/AR平台的支持,2014年推出了Unity Ads,成为公司商业化变现的基础功能,2015~2019年期间,收购了Multiplay、Vivox等加强引擎功能,2020年对其引擎相对较弱的渲染部分进行了大幅加强,推出高清渲染管线HDRP和通用渲染管线URP,增强了视觉效果与优化能力,还发布了Unity Reflect以及MARS平台, Reflect支持工程建模信息无缝导入Unity, MARS通过更好的工作流程和专门构建的创作工具创建 AR应用。截至2020年Q4,Unity在全球190多个国家和地区拥有约27亿月活用户,月均下载次数达到50亿次。Unity引擎上线至今,大量知名的游戏以其为引擎开发,包括《炉石传说》、《王者荣耀》、《使命召唤手游》、《崩坏3》、《原神》、《Pokemon GO》等。

    (2)虚幻引擎(Unreal Engine)是一款由Epic Games开发的游戏引擎,源于Epic Games早期的自制游戏Unreal,如今被广泛运用于开发各种类型3D游戏,也是 Epic Games的核心业务。自1998 年 UE1.0 正式推向市场后,经过20年的多次更新迭代,UE在开发3D写实风格的数字画面上具有技术领先性。公司于 2020 年公布了虚幻引擎5的效果演示,并在2021年推出虚幻引擎5抢先体验版,其中Nanite与Lumen两项全新功能体现出Epic在技术上的突破。

    参考资料:

    《传媒行业游戏引擎:双雄并进筑基元宇宙-220217(32页).pdf》

    《互联网平台行业:数字经济背景下如何看互联网平台的定位与价值-220122(28页).pdf》《互联网传媒行业:游戏引擎、元宇宙筑梦师-220102(32页).pdf》

    《游戏引擎中实时光线追踪的进展:全局照明、焦散与透明.pdf》

    王龙,李韬伟,杨振发.游戏引擎研究与分析[J].软件导刊,2018,17(02):5-7.
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