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三维图形引擎的架构
2013年8月9日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:左鲁梅 
    摘自:《三维图形引擎中的关键技术研究》

    三维图形犹如汽车的引擎,决定着三维图形虚拟环境的速度、真实感、吸引力等,玩家所体验到的事件过程、关卡、美工、音乐、操作等内容都是由图形的引擎直接控制的,它扮演着发动机的角色,把三维图形环境中的所有元素捆绑在一起,在后台指挥它们同时、有序的工作。简单地说,引擎就是“用于控制所有三维图形环境功能的主程序,计算碰撞、物理系统和物体的相对位置,到接受玩家的输入,以及按照正确的音量输出声音等等”。系统是引擎中负责与机器本身通讯的部分。在作平台移植时,如果引擎编写的十分精良,则只有系统部分是需要作主要修改的地方。

    系统内部又分了几个子系统。包括图形、输入、声音、时间、配置。系统负责初始化、更新、关闭所有这些子系统。将系统进行分解,共包含如下几个子系统,如图1-1所示:

三维图形引擎的架构
三维图形引擎的架构

    ① 图形子系统:图形子系统将图像显示在屏幕上,一般使用OpcnGL,Direct3D,Glide或者软件成像来实现这个部分。

    ② 输入子系统:子系统负责处理所有的输入(键盘、鼠标、周边设备),并把它们统一起来以允许控制的抽象化。

    ③ 声音子系统:声音子系统负责加载和播放各种声音。当前绝大部分三维图形环境都支持3D音效,这使得整个工作变得稍微负责了一些。

    ④ 时间子系统:3D三维图形引擎中的绝大部分功能都需要基于时间来进行。因此在时间子系统里必须实现一些时间管理功能的程序代码。这个其实非常简单,但因为所有东西的移动都是按照时间来进行的,一套优良的设计将使你不必在以后反复重写多次雷同的代码。

    ⑤ 配置子系统:配置子系统实际位于前述子系统之上。它负责读取配置文件、命令行参数、或者其他被用到的设置方式。其他子系统在初始化和运行的时候会向它查询相应配置。这样就可以很容易地改变分辨率、颜色位深、键盘设置、声音支持选项等等,甚至是在三维图形环境已经加载以后。使引擎尽量可配置化可以简化测试的工作并使得玩家更易于把三维图形环境设置成它们喜爱的方式。

    ⑥ 控制台:通过控制台变量和函数,可以在不重新激活的情况下,改变三维图形环境和引擎的设置。控制台也可以在开发时输出调试信息。并且可以屏蔽掉,使最终用户看不到它。

    ⑦ 支持子系统:这个部分会被引擎的其他部分所大量使用。它包括全部的数学程序代码(向量、平面、矩阵等等)、内存管理、文件加载、容器。

    ⑧ 渲染引擎核心:成像引擎最重要的是够基本并且够干净。成像引擎可以再次细分为可见性、摄影机、静态几何图形、动态几何图形、粒子系统、公告板、网格、天空盒、光照、雾化、顶点光影、输出。其中每个部分应该各自有一个界面,通过这个界面来改变设置、位置、方向及其他任何与系统相关的部分。让所有的三角形以三角形列表、扇形、条带等方式最终通过相同的一点进入成像管道是一个漂亮而方便的设计。这样,所有的东西成为一个统一的格式,而这个格式将被经过相同的光照、雾化、及阴影程序代码处理。只要改变一下多边形的材质/纹理索引,在一个多边形上可以实现的任何效果,都可以在三维图形环境中其他任何多边形上实现。

    ⑨ 用户界面:在引擎和三维图形环境之间放入一个接口层可以使得程序代码更整洁并且易于使用。对引擎中每个具有动态属性的部分,这个层提供一个界面去修改它。其内容包括摄像机、模型属性、光照、粒子系统物理、播放声音、处理输入、改变关卡、碰撞检测和响应,及2D图形的放置以实现一些覆盖内容的显示、标题屏幕等等。

    ⑩ 物理系统:引擎的另一重要功能是为三维图形环境提供基本的物理系统,即“控制物体运动模式的一套规则”,在3D图形环境的相关技术中,首先考虑的是如何构建物体的实体模型及如何真实的把它们显示在屏幕上。一旦要将这些技术应用到真实世界的方针时,还需考虑一些自然法则的仿真。其中最重要的就是物体碰撞的仿真,这包含碰撞检测(collision detection)与碰撞反应(collisionrespome)。碰撞检测是物理系统的核心部分,它可以探测三维图形环境中各物体的物理边缘。当两个3D物体撞在一起的时候,这种技术可以防止它们相互穿过,这就保证了当你撞在墙上的时候不会穿墙而够,也不会把墙撞倒,因为碰撞检测会根据你和墙之间的特性确定两者的位置和相互的作用关系。

标签:引擎架构
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