數字媒體技術導論 第6章數字媒體與游戲 內容概要 6 1游戲概述6 1 1游戲概念6 1 2游戲特點6 1 3游戲分類6 1 4游戲市場需求6 2游戲設計基本原理6 2 2游戲設計文檔6 2 3游戲創意設計6 2 4游戲開發流程6 3游戲設計相關技術6 3 1DirectX6 3 2OpenGL6 3 3游戲編程語言簡介6 3 4游戲引擎簡介 6 1游戲概述 游戲的概念荷蘭學者胡伊青加對游戲的描述性定義是 游戲是一種自愿的活動或消遣 這種活動或消遣是在某一固定的時空范圍內進行的 其規則是游戲者自由接受的 但又有絕對的約束力 游戲以自身為目的而又伴有一種緊張 愉快的情感以及對它 不同于日常生活 的意識 游戲特點虛擬特征學習特征社會特征 游戲的類型 1 角色扮演型游戲 2 益智游戲 3 視頻游戲 4 模擬游戲 5 策略類游戲 6 動作過關類游戲 7 射擊類游戲 8 冒險類游戲 角色扮演游戲 軒轅劍系列 魔界 策略游戲 模擬游戲 動作游戲 戰栗時空 毀滅戰士 運動游戲 游戲的市場與需求 2004年是游戲業極具里程碑意義的一年 游戲業真正完成了從地下產業至陽光行業的轉換過程并得到了社會的重視2005年 網絡游戲的產業規模和市場潛力將得到進一步的激發據預測 2007年將是國產網絡游戲的大作之年 中國大陸游戲市場年平均增長率為62 國內所需技術人員至少2萬名 人才的缺口已經在1 5萬人以上 網絡游戲人才奇缺的問題亟待解決 我國游戲產業發展的背景 游戲產業的飛速發展2005年1月召開了第一屆中國游戲產業年會2006年1月第二屆游戲產業年會游戲產業GDP2003年是13 2億元 2004年已經達到58億國家對交互式數字娛樂業的逐步重視863設立游戲開發引擎的專項資助信息產業部設立了游戲開發平臺的重點招標項目相關課程 計算機游戲程序設計 陳天橋 盛大網絡發展有限公司 董事長兼CEO TheLegendofMir 韓國唯美德娛樂有限公司WEMADE 朱駿 第九城市董事長兼CEO 暴雪自1994年以來推出了三個系列三個系列的七款游戲 魔獸爭霸1994魔獸爭霸1995魔獸爭霸 2002魔獸爭霸 2004魔獸世界暗黑破壞神1996暗黑破壞神2000暗黑破壞神II星際爭霸1998星際爭霸 游戲產業分化 技術領域圖像處理圖形繪制三維動畫交互技術音頻編程網絡人工智能軟件工程 藝術領域原型設計動畫設計仿真材質游戲劇情游戲美術原聲音樂 游戲產業的發展瓶頸 一是人才缺乏 特別是水平高 經驗豐富的中高級開發人才嚴重短缺 二是游戲引擎技術落后 品種少 功能弱 嚴重影響游戲的開發水平 三是具有自主知識產權的高質量的民族網絡游戲作品數量少 自主研發與引進產品結構失衡 產業鏈不合理 四是引進的游戲占據市場主導地位 不利于中華民族文化的傳播 也不利于滿足廣大消費者特別是未成年人的精神需求和健康成長 五是許多中國企業代理境外游戲作品但不掌握核心技術 導致自身的合法權益難以保障 使非法網絡游戲出版活動有機可乘 游戲產業的人才需求 高薪難聘游戲人才月薪8000元難招高人游戲軟件開發人才奇缺大專院校開設的游戲軟件開發相關專業較少 培訓方法不得當 大部分設計人員是根據自己的經驗摸索 很難達到較高水平 由于游戲是一種集劇情故事 美術 音樂 動畫 程序等技術為一體的復合藝術 所以一名游戲從業人員必須兼具軟件行業專家和藝術家的創造力 而當前符合這一要求的人才卻是少之又少 因而專家呼吁 培養游戲軟件專業人才已成為當務之急 游戲產業的需求預測我國現有網游玩家3000萬 而全國包括美編在內的專業網絡游戲技術人員只有不到3000人 統計下來 目前國內專業網游人才的缺口高達60萬名 游戲開發人才培訓的現狀 中國游戲產業的超高速增長讓人們對游戲產業的價值刮目相看時 卻突然發現中國根本沒有正規的游戲教育 游戲企業不得不沿用師傅帶徒弟的育才模式 使得游戲人才培養的效率很低 并缺乏系統性 游戲學院的培養模式 UbisoftCampus培養模式等游戲程序設計的從業門檻并不高 經過一定的專業領域知識培訓 有一到兩年編程經驗的程序員都可以勝任計算機游戲編程 大多數程序員并沒有投身到游戲開發這一領域中來覺得游戲開發是個神秘領域 對游戲開發的專業領域知識不甚了解而感覺自己無法勝任 2020 3 8 22 行業發展催生新崗位 行業變化可為職場人帶來新的發展機遇 因IT業技術更新換代快 市場競爭激烈 故不斷為業內人士創造了新的發展空間 3G 芯片 互聯網 游戲等已成為近兩年IT職場上的關鍵詞 蘊藏者大量的職場機會 此外 新的商業模式也會引發新的工作崗位產生 但因人才短缺 這些崗位也成為高薪聚集地 目前游戲產業人才缺口高達60萬 一名游戲公司市場經理的年薪已達到26萬 而一名優秀的游戲設計師的年薪在30萬元左右 在今后幾年內 網絡安全人才 游戲人才 軟件測試工程師 研究人員的需求將持續旺盛 就拿網絡游戲人才來說 最為缺乏的游戲設計 開發與編程人員 只要具備2年以上相關工作經驗 掌握C或C 編程 熟悉Win32 VC 開發平臺或Lunix Unix開發平臺 熟悉TCP IP Socket編程或MySQL Oracle數據庫 有良好的面向對象設計 分析能力 規范的編程風格 有個人作品和良好英文技術資料閱讀能力者優先 這類人員月薪一般都有萬元以上 屬于 金領 一族 此外 游戲策劃人員 美工等也是熱銷的職位 有經驗的策劃人月薪也能達到上萬元 而資深的美工如果設計的速度和質量俱佳 最高月薪能達到2 3萬元 而一般美工月薪維持在4000 5000元 九十年代后的主流游戲設備 索尼SonyPlayStation PlayStation2 PlayStation3PSP任天堂NintendoN64 GameCube WiiGB GBA NDS微軟MicrosoftXbox Xbox360 游戲時代催生的次世代主機 手持游戲機 掌機 6 2游戲設計理論與開發過程 人員組織 團隊 制作人 項目管理人員游戲策劃師 關卡設計師軟件工程師美術設計師動畫設計師音效設計師數據管理員游戲測試員 游戲引擎系統 導入導出工具游戲編輯器數據轉換打包工具引擎版本制作工具輔助工具 游戲編輯器 一 功能 數字資產導入導出組合各種數字資產 Asset 建設一個虛擬場景簡單結構和模型創建空間結構的劃分角色AI腳本編寫場景 資產 對象等屬性編輯關卡邏輯設定特效編輯 游戲編輯器 二 子編輯器 關卡編輯器角色及動畫編輯器場景管理器特效編輯器貼圖編輯器聲音編輯器等等 開發一款游戲要做的需求分析 創造一個美麗的靜態世界我的世界需要勃勃生機我討厭無聲的世界我要和虛擬朋友們玩耍爭斗如何玩 如何贏 如何輸 我要逼真的交互性我要酷酷絢絢的效果我想和朋友們一起玩我沒有錢 不能買最新的硬件 創造一個美麗的靜態世界 渲染引擎 能讀入并顯示在建模軟件里設計的場景模型能支持室外及其室內場景渲染能實現逼真的光影效果能實現各種貼圖效果能模擬真實的環境渲染效果 我的世界需要勃勃生機 動畫引擎 能讀入動畫軟件里設計的動畫數據實現頂點動畫實現骨骼動畫支持動畫混合實現面部表情動畫 FacialAnimation 變形動畫 MorphingAnimation 我討厭無聲的世界 聲音引擎 實現3D音效回放實現流音樂 多軌混合實現多層音效支持數字環繞 混響效果支持聲音控制效果 Doppler Fade in Fade out CrossFade Random 我要和虛擬朋友們玩耍爭斗 AI引擎 實現通用智能 RayCasting PathFinding 實現個體智能實現個體Behavior 如何玩 如何贏 如何輸 游戲邏輯編寫 相對比較枯燥的代碼根據游戲類型不同而不同還包含用戶界面 菜單 抬頭顯視設備等 我要逼真的交互性 物理引擎 近年來興起的技術 PPU實現基于立方體 球體 膠囊體和三角形面的碰撞檢測支持剛體力學支持基本流體力學實現人偶格斗實現車輛系統 我要酷酷絢絢的效果 特效引擎 包括顯示特效和物理特效支持粒子系統支持全屏特效其他 Lensflare bullettrail Glow 等 我想和朋友們一起玩 網絡引擎Replication預測模擬NAT處理游戲大廳MMOG服務器 動態負載均衡 按需服務 我沒有錢 不能買最新的硬件 優化游戲開發永恒不變的主題內存優化 時間優化 數據量優化各個模塊都需要優化需要設計一套性能記錄和調試的系統減面 優化建模 空間分割 場景管理 裁剪 層次細節 虛函數層次優化 多核多線程并行運算 數據壓縮 等等 游戲開發的發展趨勢 下一代游戲復雜度急劇增加開發往中國及其他低成本國家轉移硬件上從單核往多核過渡 并行算法需要發展PPU PhysicsProcessingUnit物理運算處理器 誕生游戲引擎規模越來越巨大 朝組件化方向發展 游戲引擎的組件化發展 渲染及動畫引擎或全功能引擎系統 Unreal Renderware Gamebryo Granny3D OGRE 聲音 Miles FMod OpenAL物理 Havok NovodeX ODE MathEngine網絡 RakNet GameSpy AI PathEngineVideo回放 Bink用戶界面 GFC底層架構 Rapid Boost stlport zlib 成為游戲開發者的條件 C Script語言 RAD語言 rapidapplicationdevelop快速應用開發 算法 數據結構 計算機圖形學 操作系統 編譯原理 網絡原理 人工智能 數學 物理 游戲設計的關鍵 什么因素決定一個游戲能否成功 怎樣設計一個叫好又叫座的游戲 如何充分利用現有的技術 基本原則從一個好的故事和好的idea開始在紙上寫下設計思路量力而行了解潛在玩家的需求隨時隨地brainstorming 基本原則快速成型理念具有前瞻性內容決定一切娛樂為主效果與技術是手段讓玩家有目標 游戲設計過程 市場調研什么樣的游戲最好銷對玩家進行調研從現有顧客得到反饋原型系統交互的故事板或者特定技術的demo 可以是僅測試三維技術的三維引擎 也可以僅測試故事情節發展的引擎 圖6 1游戲的目的調查 游戲設計的目的 游戲設計中應考慮的因素 游戲設計中應考慮的因素 影響游戲性的因素 游戲設計的類型 網絡游戲中喜歡任務 網絡游戲中喜歡的活動 游戲設計步驟 各階段 起草故事大綱濃縮的游戲情節的完善設計 DesignTreatment 文檔整理游戲腳本以及原型系統 故事大綱 是關于游戲設計的一些綱領性的想法用1 3句話作定性的描述總結性地描述游戲中的主要人物和角色能在第一時間激發讀者的興趣如果你不能將你的想法用幾句話概述說明你還沒有想明白整個問題 正式的設計文檔 非常必要 尤其在你想吸引風險投資的時候 參考電影和電視腳本以及各類制作文檔 充實游戲內容干巴巴的大綱變成有血有肉 實實在在的描述描述故事情節發展圍繞 如何贏得游戲 這個總體目標分階段完成我需要完成什么 才能進入下一關 絕大部分游戲故事能夠劃分為彼此獨立的段落 過關游戲可按難度分級RPG和冒險游戲具有情節 場景 地圖等體育游戲分為隊伍 場地 課程訓練等軍事和歷史游戲包括軍隊 武器 以及作戰環境等因素 游戲前期開發團隊 開發團隊策劃團隊程序團隊美術團隊 游戲前期開發團隊 開發團隊 資料管理ResourceManagement行政管理Administration專案管理ProjectManagement專案管理執行ProjectManagement 游戲前期開發團隊 策劃團隊 故事設計Storytelling腳本設計Scripting玩法設計GamePlayDesign關卡設計LevelDesign數值設定NumericalSetupAI設計GameAI ArtificialIntelligence 音樂設定SoundFXSetup場景設定SceneSetup 游戲前期開發團隊 程序團隊 游戲程序GameProgram游戲開發工具GameTools游戲引擎開發GameEngineDevelopment網絡游戲服務端開發OnlineGameSeverDevelopment 游戲前期開發團隊 美術團隊 場景Terrain人物Character建模Models材質Textures動作Motion Animation特效FX用戶界面UserInterface 建模第一步 繪制原畫 建模第二步 在計算機中創建模型 使用三維數字化儀創建對象表面使用三維掃描儀創建對象表面使用在線三維對象數據庫利用三維軟件 計算機建模方法 三維數字化儀 ImmersionMicroscribe3D 計算機建模方法 三維數字化儀 缺點 工作范圍有限 很難適合于大型對象的建模數字化過程中一次只能處理一個點 花費的時間比較長手的顫動和跟蹤器的噪聲將精度限制在約1mm 計算機建模方法 三維掃描儀 掃描儀有一個數字照相激光裝置 能通過三角測量計算出到對象的距離與三維數字化儀相比 三維掃描儀是非接觸式的 PolhemusFastScan3D手持式三維掃描儀 計算機建模方法 三維掃描儀 掃描的精度隨著離對象表面的距離增加而迅速退化 可用雷達的飛行時間數據來彌補激光數據在測距中的不足 Cyrax2500 主要用于遠距離大型對象的建模 允許掃描的最大距離為100m 可掃描從戰艦到建筑物在內的各種尺寸的對象 計算機建模方法 三維掃描儀 掃描得到的數據是點壯云圖的形式通過連接相鄰的點 把濃密的點壯云圖轉換成三角形網格進行多邊形簡化降低模型的復雜度把多邊形模型轉換成外觀改良了的NURBS參數表面格式 建模模型管理 細節等級管理 細節層次 level of detail 簡稱LOD 管理包括那些通過選擇對象相應的細節等級來提高圖形流水線吞吐量的技術 靜態LOD管理自適應的LOD管理 它把場景劃分成以虛擬相機的位置為中心的同心圓區域 同心圓區域的半徑由用戶定義 模型管理 細節等級管理 自適應的LOD管理 只在需要表現細節特征的三角形網格區域分裂頂點 以增加表面細節 其他區域則保持較低的細節等級 第三步 模型視覺外觀 表現質感的工作實際可分成為兩部分 光影和材質 對象的視覺外觀 場景光照 場景的光照決定了對象表面的光強度 可分成局部光照和整體光照兩類局部場景光照孤立地處理對象和光源之間的交互 而忽略了對象之間的相互依賴關系 整體光照模擬對象之間的相互反射和陰影效果 從而得到真實感更強的場景 HaleLife2 LostCoast 材質 色彩和紋理光滑和粗糙反射和折射透明發光凹凸 材質 對象的視覺外觀 紋理映射 紋理給VR帶來的好處 增加了場景的細節等級和真實感能基于透視變換提供較好的三維空間線索紋理的使用極大地減少了場景中多邊形的數量 因此可以提高幀刷新率 Shaderlanguage程序應用于紋理映射 基本紋理 加上3個印花紋理 加上漫反射光照 加上鏡面光照 加上mark 紋理映射減少了場景中多邊形的數量 對象的視覺外觀 多紋理映射 把第二副紋理作用在第一次紋理映射的輸出上 然后把結果保存在幀緩沖器中凹凸紋理光線映射 第四步 設置模型對象的動作 骨骼設置 骨骼設置 第五步 特效 賽車的引擎決定著賽車的性能和穩定性 賽車的速度 操縱感這些直接與車手相關的指標都是建立在引擎的基礎上的 游戲的引擎玩家所體驗到的劇情 關卡 美工 音樂 操作等內容都是由游戲的引擎直接控制的 把游戲中的所有元素捆綁在一起 HaleLife2 LostCoast 虛幻引擎3 Speedtree引擎創造的出奇跡 引擎的作用 引擎是用于控制所有游戲功能的主程序 從計算碰撞 物理系統和物體的相對位置 到接受玩家的輸入 以及按照正確的音量輸出聲音等等 同一人物在兩代 半條命 中的表現 引擎的作用 光影效果動畫物理系統 碰撞探測渲染玩家與電腦之間的溝通 引擎相當于游戲的框架 框架打好后 關卡設計師 建模師 動畫師只要往里填充內容就可以了 帝國時代3 物理系統 碰撞探測 物理引擎就是負責計算場景里面物體之間互相作用效果的程序 物理引擎越完美 游戲就越顯得接近真實 拿起筐 你甚至還可以用鼠標將罐子 甩 出來 兩個最重要的物理引擎 HavokPhysics引擎NovodeX引擎 帝國3 半條命2 F E A R 光暈2等都使用了其Havok物理引擎 HavokPhysics引擎 HavokPhysics引擎讓其中的人體可以根據不同的受力擺出這種姿勢 而且完全和周圍的地形環境結合在一起 帝國時代3 帝國時代3 英雄連 HavokPhysics物理引擎 Havok公司剛剛發布了最新的Havok4 0開發工具套件 新的套件包括現有的HavokPhysics及HavokAnimationtools 并加入了新的HavokBehavior和HavokFX組件 HavokBehavior能為游戲加入基于物理特性的互動角色行為以增加游戲真實性 HavokFX則將利用ATi和nVIDIAGPU強大的圖形處理能力 用于物理計算并獲得更真實的游戲體驗 Havok4 0SDK兼容索尼PS3以及微軟64位操作系統 提供更為輕松的多平臺開發體驗 渲染 基于法線貼圖的渲染 高多邊形模型 低多邊形模型 低多邊形角色實時光影效果 PhysX物理引擎 被AGEIA收購前叫NovodeX物理引擎 NovodeX物理引擎 NovodeX支持速度 加速度和彈性碰撞等物理概念 并且含有布娃娃系統令人物動作更加逼真 PhysX物理引擎 布娃娃 系統 PhysX物理引擎 復雜而強大的聲音仿真效果是PhysX物理引擎的另一亮點 它不僅能夠模擬出音調隨著發音物體的速度而變化的多普勒效應 最明顯的例子是運動著的火車汽笛聲調會變的現象 甚至連同一物體中材質不同的位置也能夠發出不同的聲音 物理引擎vsPPU 物理處理單元 PPU的一個互動式Demo 液體傾瀉到一輛汽車上面的超真實效果 3D游戲引擎進化史 1992年 3DRealms公司 Apogee公司發布了一款只有2兆多的小游戲 德軍司令部 Wolfenstein3D 它在X軸和Y軸的基礎上增加了一根Z軸 在由寬度和高度構成的平面上增加了一個向前向后的縱深空間 Doom引擎 Doom引擎是第一個被用于授權的引擎 Build引擎 肯 西爾弗曼于1994年為3DRealms公司開發的Build引擎是一個重要的里程碑 Build引擎的 肉身 就是那款家喻戶曉的 毀滅公爵 已經具備了今天第一人稱射擊游戲的所有標準內容 如跳躍 360度環視以及下蹲和游泳等特性 Quake引擎 idSoftware公司Quake引擎是當時第一款完全支持多邊形模型 動畫和粒子特效的真正意義上的3D引擎QuakeII引擎通過引擎授權所獲得的收入至少有一千萬美元此時的引擎已經從一種單純的工具變成了一塊令人垂涎欲滴的肥肉 Unreal引擎 EpicMegagames公司 即現在的Epic游戲公司 是使用最廣的一款引擎Unreal引擎的應用范圍不限于游戲制作 還涵蓋了教育 建筑等其它領域 3D引擎方面也逐漸出現了單獨專注于某個領域的產品SpeedTree是專門負責在游戲中 栽種 樹木的程序 它不僅能夠營造出非常真實的樹木和森林效果 而且可以作為 零件 方便的嵌入到其他渲染引擎當中 為任何一款游戲帶去優秀的畫面 動態風效果示意圖 動態調整多邊形 開發人員可以使用SpeedTreeCAD進行樹木建模 然后導入到3DSMax Maya等開發環境中去加工細節和陰影等特效 最后將其作為資源交給引擎去處理 而SpeedTree之需要一層類似中間件的環境就可以嵌入第三方的渲染引擎當中去 上古卷軸4 湮滅 游戲引擎顛峰實力 虛幻引擎3Unreal 集合了多項優秀引擎和技術為一體的 超級引擎 SpeedTreeNovodeX物理引擎可視化交互式開發環境UnrealEd 虛幻引擎3大作UT2007 游戲的圖像發展到 虛幻 這里已經達到了一個天花板的高度 接下去的發展方向很明顯不可能再朝著視覺方面進行下去 兩部劃時代的作品同時出現在1998年 Valve公司的 半條命 Half Life 和LookingGlass工作室的 神偷 暗黑計劃 Thief TheDarkProject 從2000年開始3D引擎朝著兩個不同的方向分化 一是如 半條命 神偷 和 殺出重圍 那樣通過融入更多的敘事成分和角色扮演成分以及加強游戲的人工智能來提高游戲的可玩性 二是朝著純粹的網絡模式發展 idSoftware在QuakeII出色的圖像引擎的基礎上加入更多的網絡成分 破天荒推出了一款完全沒有單人過關模式的純粹的網絡游戲 雷神之錘3競技場 QuakeIIIArena 與Epic公司稍后推出的 虛幻競技場 UnrealTournament 一同成為引擎發展史上的一個轉折點 QuakeIII QuakeIII引擎 星際迷航 精英部隊 StarTrekVoyager EliteForce 重金屬F A K K 2 HeavyMetalF A K K2 艾麗絲漫游魔境 AmericanMcGee sAlice 重返德軍總部 ReturntoCastleWolfenstein 榮譽勛章 盟軍進攻 UnrealTournament引擎不僅可以應用在動作射擊游戲中 還可以為大型多人游戲 即時策略游戲和角色扮演游戲提供強有力的3D支持 UnrealTournament引擎在許可業務方面的表現也超過了QuakeIII Shogo LithTech引擎 在1998年到2000年期間迅速崛起的另一款引擎是Monolith公司的LithTech引擎LithTech引擎的3 0版本也已經發布 并且衍生出了 木星 Jupiter 鷹爪 Talon 深藍 Cobalt 和 探索 Discovery 四大系統 其中 鷹爪 被用于開發 異形大戰掠奪者2 AlienVs Predator2 木星 將用于 無人永生2 的開發 深藍 用于開發PS2版 無人永生 探索 則將被用來制作一款尚未公布的大型網絡游戲 Quake4 光照效果vsSLI顯示卡 NVIDIA的 物理SLI NVIDIA則在2006年3月的GameDevelopersConference 游戲開發者大會 中提出了 SLI物理卡 的概念 這項技術由NVIDIA和Havok共同研發 NVIDIA揭示 物理SLI 的性能十倍于CPU運算 NVIDIA的 物理SLI 讓GPU負責物理計算是適合的 目前GPU的速度和高可編程性完全可以兼顧物理運算HavokFX將物理數據轉換為Direct3D數據 從而使任何ShaderModel3 0顯卡都可以直接運算 NVIDIA的 物理SLI 2塊Nvidia顯卡通過SLI主板互連 在不需要太多物理運算的游戲中以普通SLI模式運行 在大量物理運算需要的游戲中則劃分一塊顯卡專門負責物理運算 或者由2塊顯卡動態分配任務 要實現 SLI物理卡 必須購買2塊Nvidia顯卡和1塊NvidiaSLI主板 ATI的GPGPU和Corssfire ATI稱其R520和R580架構本身具備物理處理功能新的DPP