《GAMES104-现代游戏引擎》学习笔记

分层

  • 资源层
  • 功能层
  • 平台层
  • 工具层

游戏世界构成

  • game object
  • component
  • tick
  • events

渲染

渲染方程的三点挑战

  1. 如何拿到所有光源
  2. 计算完毕后，反射出去的光会变成新的光源
  3. 2会把1变的更麻烦

BRDF

主流应用

PBR Specular Glossiness（SG模型）

  • diffuse：三个通道控制rgb
  • specular：三个通道控制菲涅尔。在不同金属中，对不同颜色的菲涅尔是不一样的
  • glossiness：单通道，控制粗糙度

优点：

  • 所有参数都可以由艺术家控制，且可被理解，可以做到像素级的控制

缺点：

  • 过于自由，如果参数调错会很影响结果

PBR Metallic Roughness（MR模型）

  • base color：rgb，设置就不用动了
  • roughness：单通道，粗糙度
  • metellic：单通道，金属度（金属流）。如果金属度低，不会进菲涅尔。

shadow

cascade shadow（csm级联阴影）

类似lod，远处的shadow精度变低

软阴影处理

  • PCF（Percentage Closer Filter）：用滤波的方法处理
  • PCSS（Percentage Closer Soft Shadow）：PCF的实现应用
  • Variance Soft Shadow Map

AAA实战使用技术

  • LightMap + LightProbe
  • PBR + IBL
  • Cascade shadow + VSSM

优点：

  • 控制偏差不会太大

缺点：

  • 非金属往金属过渡时，可能会出现小小的白边

地形

LOD技术

  • adpative tessellation
  • triangulated irregular network(TIN)
  • 四叉树

3d采样构建技术

  • marching cubes

地形材质过渡

  • advanced texture splatting

主流方法

  • virtual texture mipmap

植被渲染

  • speed tree
  • decorator rendering(装饰物渲染)
  • decals （贴花）

大气

  • radiative transfer equation(RTE/RTF)
  • volume rendering equation(VRE)

散射

  • precomputed atmospheric scattering

把大气的散射现象，全部转化为表格

噪声

  • perlin noise：棉花絮
  • worley noise：泡泡絮/细胞壁

渲染处理

环境光遮蔽（Ambient Occlusion）

表示对环境漫反射光的遮挡，和shadow区分，shadow是对目标光源光的遮挡

  • screen space ambient occlusion
  • SSAO+：法线方向半球面随机采样
  • horizon-based ambient occlusion(HBAO)
  • ground truth-based ambient occlusion(GTAO)
  • ray-tracing ambient occlusion(RTAO)

雾效

  • 高度指数雾：低于某个高度用雾效的最大值，高于的话指数递减
  • voxel-based volumetric fog（体素化雾效）

灰度图参数

L = 0.299R + 0.587G + 0.114B

抗锯齿算法

  • SSAA：四倍
  • MSAA：四倍+优化
  • FXAA：先找出边界，然后对边界单独处理
  • TAA

Color Grading

HDR转换到LDR的方法

render pipeline

  • G-Buffer
    • depth
    • normal
    • albedo
    • roughness
  • V-Buffer (visibility buffer)
    • depth
    • primitiveID
    • barycentrics

前向渲染

  1. shadowPass
  2. shading
  3. post-process

延迟渲染

  1. 先全部渲染一遍，G-Buffer
  2. 再处理光源，shading

tile-based rendering

切成一个个小块，可以把光源切割处理

cluster-based rendering

棱锥切割

动画

  • 3d蒙皮动画
  • 2d蒙皮动画（spine）
  • 基于物理动画
    • 布娃娃系统
    • IK
    • 衣料

蒙皮动画

皮肤上的每个点，对应各个joint的权重，根据joint的变化，算出skin的点的位置

  • joint：关节
  • bone：关节构建的刚体
  • root joint：根节点（非传统意义的根节点），用来表示物体的位置、高度信息等
  • pelvis joint：模型根节点，从这个节点衍生出其他节点，传统意义上是根节点
  • bind point：绑定节点（6Dofs层面上的绑定），用于不同模型组合播放动画时保持一致的节点

动画混合

动画文件产出要求：必须循环，且完成一次循环，比如左脚迈起到左脚落下
混合帧：将两个动画归一化，然后找到对应位置的数据

  • lerp blending：全身线性
  • mask blending：半身线性（比如上半身）
  • additive blending：只存变化量，在其他blending之后，在变化的东西加个差分

IK

  • CCD
  • FABRIK
  • Jacobian Matrix：雅克比矩阵，长链条ik

表情动画

morph target animation

物理

物理形状

  • spheres: 球形
  • capsules: 胶囊
  • boxes
  • convex meshes: 凸包
  • triangle meshes: 三角网格，用于静态建筑
  • height fields: 用于地形

碰撞检测

  • BVH
  • Sort and Sweep
  • GJK（games104 10 1:31:19）
    • 闵可夫斯基差：A图形与(B图形中心对称图形)，形成的组合图形，如果包含中心点的话，则两图形是相交的
  • SAT：只要找到一个轴，两个凸包的投影可以分开，说明两物体不相交

Raycast

目标

  • 射线所有的交点
  • 最近的交点
  • 是否有交点

角色控制器

角色是非物理模型，默认脚底的摩擦力无限大

  • 双层box，里层用于碰撞判断，外层用于行走判断，比如防止角色离墙太近
  • auto step（上台阶）：每次前进时，code里把角色抬一下
  • 上坡角度限时：大于某个角度时，会往下滑
  • 角色高度变化时的处理
  • 移动平台上的特殊处理：和平台绑定

衣料模拟

弹簧质点模型：用矩阵形状的弹簧模拟

需要计算的力：

  • 重力
  • 风力
  • 运动时的空气阻力
  • 周围弹簧的拉力（拉力需要衰减）

算法（前沿）：

  • PBD
  • XPBD

布料自穿插

  • 增加检测密度/增加衣服厚度
  • SDF，在布料背面加有向距离场，穿过去的东西会弹回去

particle

形态

  • billboard（广告牌）：始终面向相机
  • mesh：3d模型特效
  • ribbon：拖尾特效

gameplay

event quene

环形队列：环形指针控制事件位置，避免频繁申请空间

AI——寻路

建模方式

  • grid：用几何图形表达空间（比如六边形地图）
  • way point：基本的图
  • NavMesh（常用）：用几何体表达空间

event分支管理：

  • net event queue
  • battle event queue
  • animation event queue

ai决策算法

自上而下：

  • 有限状态机
  • 行为树

自下而上（目标导向）：

  • Hierarchical Tasks Network（层次任务网络）
  • goal oriented action planning（目标导向行为规划）
  • monte carlo tree search（蒙特卡洛树搜索）
  • deep learning

HTN

primitive task:

  • percondition
  • action
  • effect

compound task（复合任务）:

  • percondition
  • method(task list)

网络同步

  • 快照同步
  • 帧同步
  • 状态同步

快照同步

服务端模拟世界，客户端上传操作+同步服务端数据

帧同步

客户端上传操作/指令，服务端按照统一时间间隔接收数据，再统一时间间隔下发个所有客户端

优点：

  • 公平
  • 有效利用客户端算力，以及解放服务端压力
  • 方便做游戏录屏

缺点：

  • 保持同步很难（如果有一个人，其他人都要等）
  • 防作弊要研究（比如全图挂）
  • 长时间断线重连问题

bucket帧同步

定时收集数据 + 下发操作。网络不好的人操作不收集，保证网络好的玩家的游戏体验

断线处理——快照追帧

客户端每隔一定时间，保存一次快照（联网状态下）
如果断网后恢复了，获取网络最新快照和数据，客户端去快进的模拟，直到追上最新帧
比如，客户端9400f断网了，重连后服务端返回10000f，那客户端就去获取这600f的数据在本地快速模拟到10000f，而不用从0f开始

王者荣耀使用的方法

根据需要，服务端也可以保存快照。这样如果掉线时间太长的话，客户端可以直接同步服务端快照，而且服务端快照可以支持观战模式和回放功能。

tracing

1、保存数据快照
2、保存校验和（关键数据校验和/全量校验和）

debugging

1、比较不同客户端的校验和
2、客户端上传50帧的日志/快照
3、debug

状态同步

客户端上传和接收自己相关的状态，服务端总和这些状态后，整合模拟出完整的世界

流程：玩家1操作 -> 发给server -> server接收后验证+发给所有客户端 -> 其他客户端玩家1操作

预测和验证

因为变量要上传服务器后，才能操作，所以所有操作理论都有延迟，为了避免这个延迟，需要做预测和验证。
即上传服务端的同时，本地也模拟，模拟后的结果再和服务端结果做验证。

OW策略：RTT(延迟)=160ms, Half RTT = 80ms, frame = 16ms, 客户端会预测后面96ms的动作

高频提交

比如移动操作，客户端会存个buffer记录过去所有操作，当一段时间内检测不到替他输入时，会自动推一次。

浮点数误差

1、定点数引擎（研究方向）
2、随机数一致

内/外插值

内插值

优点：表现非常平滑
缺点：增加了额外的延迟

外插值

优点：不会增加平滑
缺点：碰撞检测会被延后

命中判定

服务端存储一段时间的快照，当玩家射击的时候，从快照中找到对应时间的数据（比如延迟是100ms，服务器就把时钟往前播100ms，找到那个时间点的数据），进行判断。

  • 优势方：当人从掩体中突然冲出时，对方因为延迟还没看到我，而我能看到对方，会有先手优势
  • 劣势方：当人进掩体时，我方视角是我已经进掩体了，但是对方视角我还在外面，如果这个时候对方打死了我，我方视角就是进掩体后被打死了

MMO架构

gateway

网关，内外网隔绝。主要做合法性检测，功能：加密、压缩、防攻击

网络延迟hack

  1. 加前摇，能给网络同步争取延迟同步时间
  2. 特效和结算分开，特效在玩家操作后立刻播放增加打击感

tgrading system

交易系统。要求高安全性、原子性且可回滚。

AOI（Area of Interest）

网络同步中，用于带宽优化，只同步自己周围的信息
方式：

  1. Direct Range Query，以自己为圆心固定半径的圆
  2. Spatial Grid，划格子，比如100*100米都是在格子里，然后同步时，发送add/leave协议同步
  3. Orthogonal Linked List，十字链表法，沿x和y轴找到固定范围内的集合，取交集更新

反作弊

内存值修改

原理：修改具体数据，比如ce、八门

  1. 敏感数据的值套个壳，即每次get/set新开辟一块内存
  2. 数据混淆

修改本地文件数据

  1. hash值校验，如果发现不对就踢下线

网络包截获

  1. 加密，使用非对称加密

软件注入

原理：设置一个钩子，调用引擎代码

  1. 扫描包体签名/扫描可疑服务/扫描可疑进程，检查内存中的游戏有没有被人改过，知名软件：VAC，easy

AI作弊（目前前沿）

原理：直接AI图像识别，然后注入鼠标操作

  1. 大数据分析行为模式，校验玩家操作是否特别离谱

编程架构

编程范式

oop的问题：

  1. 对象选择谁？比如战斗中，战斗代码是写在攻击者，还是被攻击者里？需要项目沟通统一
  2. 继承树深不见底，找一个方法麻烦
  3. 基类非常冗杂。大系统的基类（比如UE的Actor）东西非常多，很多东西是我当前不需要的
  4. 最大的问题：内存分配不连续。因为是面向对象，对象大概率不会一起分配空间，加上继承中的虚函数，各种指针和映射会进一步导致内存离散
  5. 测试不方便。改了基类后，所有子类都要测试。而且为了测这一个方法，我需要把整个对象都找环境构建起来

性能敏感编程

  1. 尽量不要多线程访问同一数据，数据一致性会导致多余的内存写入
  2. if-else分开处理。比如for + if-else，可以改成for + if + for + else的方式，避免不同分支增加内存读取时间
  3. AOS to SOA。把数据尽可能放在一起，而不是分散在对象里，确保遍历的时候，不是跳跃遍历的
// AOS
struct Particle {
  Vector3 position;
  Vector3 velocity;
  Color color;
  float age;
} Particle[N];
// SOA
struct Particles {
  Vector3 position[N];
  Vector3 velocity[N];
  Color color[N];
  float age[N];
} Particles;

unity DOTS

Data Oriented Tech Stack三大板块：

  1. ECS
  2. C# Job System
  3. Burst Compiler

*unreal: lumen

基本思路：每一帧的渲染，用当前帧的渲染 + 上一帧渲染cache，叠加后产生

各种GI思路的集大成者

*unreal：nanite

实现曲面简化，用来做LOD的

优点1：简化后的曲面不会出现边对不齐的情况（即出现空洞）
优点2：GPU驱动的几何管线

其他名词记录

  • 球谐函数（Spherical Harmonics）
  • metahuman：一个前沿的表情系统
  • CCD:continuous collision detection，连续运动碰撞检测
  • voronoi算法：破坏模拟算法，算出破坏的各个区域
  • DCC: digital content creator，第三方数据资产工具
  • JIT：边运行边编译
  • NTP算法：时钟同步算法
  • DDGI、SSGI
  • hardware ray tracing

其他记录

  1. ios平台不让热更。为了防止审核后注入其他未过审内容，所有版本都要提交ios审核
  2. 汇编重排。有的汇编正式版会不按照代码行数执行，做多线程assert时要有这个常识

相关链接

  • vulkan-tutorial.com
  • www.vulkan.org/learn
posted @ 2024-09-23 17:39  二律背反GG  阅读(7)  评论(0)  编辑  收藏  举报