Introduction （簡(jiǎn)介）
讓咱們談?wù)勀闳绾巫珜懸环萏峁﹥?yōu)雅性能的3D引擎。你的引擎需要提供的包括：曲面(curved surfaces)、動(dòng)態(tài)光線(dynamic lighting)、體霧(volumetric fog)、鏡面(mirrors)、入口(portals)、天空體(skyboxes)、節(jié)點(diǎn)陰影(vertex shaders)、粒子系統(tǒng)(particle systems)、靜態(tài)網(wǎng)格模型(static mesh models)、網(wǎng)格模型動(dòng)畫(animated mesh models)。假如你已經(jīng)知道如何以上所述的所有功能順利工作，你也許便能將那些東東一起置入到一個(gè)引擎當(dāng)中。
等等！在你開始撰寫代碼前你必須先構(gòu)思一下如何去架構(gòu)你的引擎。多數(shù)來講，你一定是迫切地渴望去制作一個(gè)游戲，但如果你立即投入便開始為你的引擎撰寫代碼后，你一定會(huì)覺得非常難受，開發(fā)后期你可能會(huì)為置入新的特效與控制而不得不多次重寫大量的局部代碼，甚至以失敗而放棄告終?；ㄒ稽c(diǎn)時(shí)間好好地為你引擎深謀遠(yuǎn)慮一番，這將會(huì)為你節(jié)省大量時(shí)間，也少一點(diǎn)頭痛。你一定不會(huì)急切地去架構(gòu)一個(gè)巨型的工程；或許你也會(huì)在引擎未完成時(shí)而干脆放棄它，然后去干的別的什么事兒。好了，當(dāng)你掌握學(xué)習(xí)你所需知識(shí)的方式之前，也許你還不能完成那些事兒。將設(shè)計(jì)真正地完成確實(shí)是件美事，為之你會(huì)感覺更好，你將為之而耀眼！
讓我們分析一下具備完整功能的3D游戲引擎的需要哪些基本部件。首先，這為具有相應(yīng)3D經(jīng)驗(yàn)但且還需一些指引的開發(fā)者提供了一些信息。這是一些并不難且能快速掌握但是你必須應(yīng)用的內(nèi)容條目。為將你的工作更好地進(jìn)行下去，這里將對(duì)關(guān)于“把多大的工作量”與“多少部分”置入一個(gè)游戲引擎給出一個(gè)總概。我把這些成分稱為 系統(tǒng)（System）、控制臺(tái)（Console）、支持（Support），渲染/引擎 內(nèi)核（Renderer/Engine Core）、游戲介質(zhì)層（Game Interface）、以及工具/數(shù)據(jù)（Tools/Data）。
Tools/Data （工具/數(shù)據(jù)）
在開發(fā)過程中，你總是需要一些數(shù)據(jù)，但不幸的是這并不象寫文本文件或是定義一個(gè)立方體那么簡(jiǎn)單。至少，你得需要3d模型編輯器，關(guān)卡編輯器，以及圖形程序。你可以通過購(gòu)買，也可以在網(wǎng)上找一些免費(fèi)的程序滿足你的開發(fā)要求。不幸的是你可能還需要一些更多的工具可你卻根本無法獲得（還不存在呢），這時(shí)你只得自己動(dòng)手去寫。最終你很可能要自行設(shè)計(jì)編寫一個(gè)關(guān)卡編輯器，因?yàn)槟愀静豢赡塬@得你所需。你可能也會(huì)編寫一些代碼來為大量的文件打個(gè)包，整天面對(duì)應(yīng)付成百上千個(gè)文件倒是非常痛苦的。你還必須寫一些轉(zhuǎn)換器或是插件將3d模型編輯器的模型格式轉(zhuǎn)換成你自己的格式。你也需要一些加工游戲數(shù)據(jù)的工具，譬如可見度估算或是光線貼圖。
一個(gè)基本的準(zhǔn)則是，你可能要為設(shè)計(jì)工具而置入比游戲本身等量甚至更多的代碼。開始你總能找到現(xiàn)成的格式和工具，但是經(jīng)過一段時(shí)間以后你就能認(rèn)識(shí)到你需要你的引擎有很大的特性，然后你就會(huì)放棄以前的撰寫方式。
也許目前非常流行利用的第3方工具輔助開發(fā)，所以你必須時(shí)刻注意你的設(shè)計(jì)。因?yàn)橐坏┊?dāng)你將你的引擎發(fā)布為opensouce或是允許修改，那也許在某天中會(huì)有某些人來應(yīng)用你的開發(fā)成果，他們將其擴(kuò)展或者做某些修改。
或許你也應(yīng)該花大量時(shí)間去設(shè)計(jì)美術(shù)，關(guān)卡，音效，音樂和實(shí)體模型，這就和你設(shè)計(jì)撰寫游戲，工具以及引擎一樣。
System （系統(tǒng)）
系統(tǒng)(system)是引擎與機(jī)器本身做通信交互的部件。一個(gè)優(yōu)秀的引擎在待平臺(tái)移植時(shí)，它的系統(tǒng)則是唯一需要做主要更改（擴(kuò)加代碼）的地方。我們把一個(gè)系統(tǒng)分為若干個(gè)子系統(tǒng)，其中包括：圖形（Graphics）、輸入（Input）、聲音（Sound）、記時(shí)器（Timer）、配置（Configuration）。主系統(tǒng)負(fù)責(zé)初始化、更新、以及關(guān)閉所有的子系統(tǒng)。
圖形子系統(tǒng)（Graphics Sub-System）在游戲里表現(xiàn)得非常直觀，如果想在屏幕上畫點(diǎn)什么的話，它（圖形子系統(tǒng)）便干這事兒。大多數(shù)來講，圖形子系統(tǒng)都是利用OpenGL、Direct3D, Glide或是軟件渲染（software rendering）實(shí)現(xiàn)。如果能更理想一些，你甚至可以把這些API都給支持了，然后抽象出一個(gè)“圖形層”并將它置與實(shí)現(xiàn)API之上，這將給了客戶開發(fā)人員或是玩家更多的選擇，以獲取最好的兼容性、最佳的表現(xiàn)效果。
輸入子系統(tǒng)（Input Sub-System）需要把各種不同輸入裝置（鍵盤、鼠標(biāo)、游戲板[Gamepad]，游戲手柄[Joystick]）的輸入觸發(fā)做統(tǒng)一的控制接收處理。（透明處理） 比方說，在游戲中，系統(tǒng)要檢測(cè)玩家的位置是否在向前移動(dòng)，與其直接地分別檢測(cè)每一種輸入裝置，不如通過向輸入子系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求以獲取輸入信息，而輸入子系統(tǒng)才在幕后真正地干活（分別檢測(cè)每一種輸入裝置），這一切對(duì)于客戶開發(fā)人員都是透明的。用戶與玩家可以非常自由地切換輸入裝置，通過不同的輸入裝置來獲取統(tǒng)一的行為將變的很容易。
聲音子系統(tǒng)（sound system）負(fù)責(zé)載入、播放聲音。該子系統(tǒng)功能非常簡(jiǎn)潔明了，但當(dāng)前很多游戲都支持3D聲音，實(shí)現(xiàn)起來會(huì)稍許復(fù)雜一些。
3D游戲引擎中很多出色的表現(xiàn)都是基于“時(shí)間系統(tǒng)”(time)的。因此你需要一段時(shí)間來為時(shí)間子系統(tǒng)（Timer sub-system）好好構(gòu)思一番。即使它非常的簡(jiǎn)單，（游戲里）任何東西都是通過時(shí)間觸發(fā)來做移動(dòng)變化，但一份合理的設(shè)計(jì)將會(huì)讓你避免為實(shí)現(xiàn)而一遍又一遍地撰寫大量雷同的控制代碼……
配置系統(tǒng)（Configuration）位于所有子系統(tǒng)的頂端。它負(fù)責(zé)讀取配置記錄文件，命令行參數(shù)，或是實(shí)現(xiàn)修改設(shè)置(setup)。在系統(tǒng)初始化以及運(yùn)行期間，所有子系統(tǒng)都將一直與它保持通訊。切換圖象解析度（resolution），色深（color depth），定義按鈕（key bindings），聲音支持選項(xiàng)（sound support options），甚至包括載入游戲，該系統(tǒng)將這些實(shí)現(xiàn)顯得格外的簡(jiǎn)單與方便。把你引擎設(shè)計(jì)得更為可設(shè)置化一些，這將為調(diào)試與測(cè)試帶來更大的方便；玩家與用戶也能很方便地選擇他（她）們喜歡的運(yùn)行方式。
Console （控制臺(tái)）
哈！我知道所有人都樂意去更風(fēng)做一個(gè)象Quake那樣的控制臺(tái)（console）系統(tǒng)。但這的確是一個(gè)非常好的想法。通過命令行變量與函數(shù)，你就能夠在運(yùn)行時(shí)改變你的游戲或是引擎的設(shè)置，而不需要重啟。開發(fā)期間輸出調(diào)試信息它將顯得非常的有效。很多時(shí)間你都需要測(cè)試一系列變量的值，將這些值輸出到控制臺(tái)上要比運(yùn)行一個(gè)debugger速度顯然要快得多。你的引擎在運(yùn)行期間，一旦發(fā)現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò)誤，你不必立即退出程序；通過控制臺(tái)，你可以做些非常輕便的控制，并將這個(gè)錯(cuò)誤信息打印出來。假如你不希望你的最終用戶看見或是使用該控制臺(tái)，你可以非常方便地將其disable，我想沒人能看得見它。
Support （支持）
支持系統(tǒng)（Support）在你引擎中任何地方都將被使用到。該系統(tǒng)包含了你引擎中所有的數(shù)學(xué)成分（點(diǎn)，面，矩陣等），（內(nèi)）存儲(chǔ)管理器，文件載入器，數(shù)據(jù)容器（假如你不愿自己寫，也可以使用STL）。該模塊任務(wù)顯得非?；A(chǔ)與底層，或許你會(huì)將它復(fù)用到更多別的相關(guān)項(xiàng)目中去。
Renderer/Engine Core （渲染/引擎 內(nèi)核）
哈~是呀，所有的人都熱愛3D圖象渲染！因?yàn)檫@邊有著非常多的不同種類的3D世界渲染方式，可要為各類擁有不同工作方式的3D圖形管道做出一個(gè)概要描述也是幾乎不可能的。
不管你的渲染器如何工作，最重要的是將你的渲染器組件制作得基化（based）與干凈（clean）。
首先可以確定的是你將擁有不同的模塊來完成不同的任務(wù)，我將渲染器拆分為以下幾個(gè)部份：可見裁減（Visibility）、碰撞檢測(cè)與反饋（Collision Detection and Response）、攝像器（Camera）、靜態(tài)幾何體（Static Geometry）、動(dòng)態(tài)幾何體（Dynamic Geometry）、粒子系統(tǒng)（Particle Systems）、布告板（Billboarding）、網(wǎng)格（Meshes）、天空體（Skybox）、光線（Lighting）、霧（Fogging）、節(jié)點(diǎn)陰影（Vertex Shading）和輸出（Output）。
其中每一個(gè)部分都得需要一個(gè)接口來方便地實(shí)現(xiàn)改變?cè)O(shè)置（settings）、位置（position）、方向（orientation）、以及其他可能與系統(tǒng)相關(guān)的屬性配置。
即將顯露出來的一個(gè)主要缺陷便是“特性臃腫”，這將取決于設(shè)計(jì)期間你想實(shí)現(xiàn)什么樣的特性。但如不把新特色置入引擎的話，你就會(huì)發(fā)覺一切都將變的很困難，解決問題的方式也顯得特別遜色。
還有一件有意義的事便是讓所有的三角形[triangles]（或是面[faces]）最終在渲染管道里經(jīng)過同一點(diǎn)。（并非每次的每個(gè)三角形，這里討論的是三角形列表[triangle lists]、扇形[fans]、帶形[strips]、等） 多花一些工作讓所有物體的格式都能經(jīng)過相同的光線、霧、以及陰影代碼，這樣就能非常便利地僅通過切換材質(zhì)與紋理id就使任何多邊形具有不同的渲染效果。
這不會(huì)傷及到被大量被渲染繪出的點(diǎn)，但是一旦你不當(dāng)心，它可能會(huì)導(dǎo)致大量的冗余代碼。
你也許最終便能發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)所有這些你所需的極酷效果可能只占了所有的15%左右的代碼量甚至更少。這是當(dāng)然的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)游戲引擎并不只是圖形表現(xiàn)。
Game Interface （游戲介質(zhì)）
一個(gè)3D（游戲）引擎很重要的部分便是------它是一個(gè)游戲引擎。但這并不是一個(gè)游戲。一個(gè)真正的游戲所需的一些組件永遠(yuǎn)不要將它包含到游戲引擎里。引擎與游戲制作之間的控制介質(zhì)能使代碼設(shè)計(jì)變得更清晰，應(yīng)用起來也會(huì)更舒服。這雖是一些額外的代碼，但它能使游戲引擎具有非常好重用性，通過設(shè)計(jì)架夠游戲邏輯（game logic）的腳本語言（scripting language）也能使開發(fā)變的更方便，也可以將游戲代碼置入庫(kù)中。如果你想在引擎本身中嵌入你的游戲邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的話，大量的問題與大量修改一定會(huì)讓你打消復(fù)用這個(gè)引擎的念頭。
因此，此時(shí)你很可能在思考這個(gè)問題：聯(lián)系引擎與游戲的介質(zhì)層到底提供了什么。答案就是控制（control）。幾乎引擎的每一個(gè)部分都有動(dòng)態(tài)的屬性，而該引擎/游戲介質(zhì)層（engine/game layer）提供了一個(gè)接口去修改這些動(dòng)態(tài)屬性。它們包括了攝像器（camera）、模型屬性（model properties）、光線（lights）、粒子系統(tǒng)物理（particle system physics）、聲效播放（playing sounds）、音樂播放（playing music）、輸入操作（handling input）、切換等級(jí)（changing levels）、碰撞檢測(cè)以及反饋（collision detection and response）、以及2D圖形界面的頂端顯示、標(biāo)題畫面等相關(guān)的東西?；旧蟻碇v如果你想讓你的游戲能優(yōu)雅的實(shí)現(xiàn)這些元素，在引擎中置入這個(gè)介質(zhì)層（interface）是必不可少的。
The Game （游戲）
在這里，我無法告訴你如何去寫你的游戲。這該輪到你發(fā)揮啦。如果你已經(jīng)為你那令人贊異的引擎設(shè)計(jì)出了一套出色的介質(zhì)層的話，我想在設(shè)計(jì)撰寫游戲過程中一定會(huì)輕松許多。
3D游戲引擎設(shè)計(jì)是一項(xiàng)巨大的軟件工程。一個(gè)人獨(dú)立完成設(shè)計(jì)并撰寫也并非不可能，但這不只是熬一兩個(gè)晚上便能搞定的，你很可能會(huì)出寫出幾兆的源代碼量。如果你沒有持久的信念與激情，你很可能無法完成它。
當(dāng)然，別指望你的第一次嘗試就能寫出完整的引擎，挑一個(gè)比較小的項(xiàng)目所需的小規(guī)模引擎去實(shí)現(xiàn)。按你的方式去努力工作，你就能到達(dá)成功。