本期为GAMES104《现代游戏引擎：从入门到实践》视频公开课文字实录第2期。本课程由GAMES(图形学与混合现实研讨会）发起，游戏引擎技术专家王希携手游戏引擎一线开发者共同研发。
课程共计22个课时，将介绍现代游戏引擎所涉及的系统架构，技术点，引擎系统相关的知识。为配合学习实践，课程组在 GitHub 上开源了小引擎Piccolo，上线1个月即获得了2900+star, 累计下载量已超过20000+。
PS：错过了上期内容的同学可以点击下方链接阅读哦。
以下内容为公开课视频转文字版本，为阅读通顺，有删减
01「游戏引擎的历史」
全球第一款游戏引擎
视频游戏行业的历史非常短，大概只有50多年。行业早期的机器很简陋，这个机器同学们有没有玩过？叫红白机。这里面有很多童年的快乐，比如大家觉得特别经典的魂斗罗、马里奥。
那个时代实际上没有游戏引擎的概念，游戏都非常简单。那时候开发游戏最核心的能力是什么？是如何把一个复杂的元素放到一个非常小（比如40KB）的存储空间里去。
看任天堂的报告，它会告诉你，那时候为了节约资源，比如把白色的云彩变个颜色放到地上，就变成了一片草丛。把一只小乌龟正面反面地来回播放，就变成了它在地上走。
记得在美国工作的时候，有位微软副总裁跑过来做报告，他告诉我们这么一件事，说在加入微软之前，他一年做了四款游戏。当时我们听傻了，因为我们几百人做三年才能做一款3A游戏，那个时代他一个人就能做四款游戏。
为什么？因为那个时代的游戏非常简单。我一直认为那是游戏的黄金年代，大家有很多创意、野蛮生长，就像寒武纪生命大爆发一样，生命会变成各种各样的形态。
第一个提出游戏引擎的是谁？我觉得是约翰·卡马克——传说中的卡神。
我认为他是行业里的教父级人物，直到今天他还在为Facebook的Oculus在努力。
*约翰·卡马克最近宣布成立了一家专注于通用人工智能的新公司Keen Technologies。
我非常崇拜和敬佩他，最近听了一个他讲VR虚拟现实的报告，还是那么谦卑、务实，在讲一些具体东西。
他是个非常睿智的人，在那个时代做了一款叫Wolfenstein（德军总部）的游戏，它非常经典，可以说是开创了FPS时代。
做游戏的时候，我经常跟团队讲，大家千万不要被现成的东西束缚住。比如今天的游戏从业者会说，我要做一款什么什么类型的游戏，但实际上任何一种现在看到的游戏类型，都是被一款产品给创造、定义出来的。我觉得未来世界会有很多新的引擎出来、新的游戏类型出来。
而在那个时代，世界上没有一个物种叫做游戏引擎，但John Carmack看到了一个东西。他说，在写各种各样游戏的时候，有很多代码是可以重用的，这些重复的东西能不能抽出来在产品中共用？要不要把它定义成一个叫做game engine的东西？这位老哥说干就干，接着就做了第二款游戏DOOM，它也是经典中的战斗机，到现在DOOM仍是非常棒的一款射击游戏。
在做DOOM的时候，他把DOOM的核心代码变成了一个游戏引擎，接着他把这个引擎授权给了另外一家公司，这家公司做了一款叫做ShadowCaster（投影者）的游戏，这个游戏居然在商业上成功了。
所以，我们认为卡神的DOOM引擎应该是全球第一款游戏引擎，并且很幸运，第一款引擎在商业上就成功了。
早期的现代游戏引擎
不过这个课程叫什么？叫现代游戏引擎。
早期的游戏引擎只是一些代码的共用，真正的现代游戏引擎概念，我认为还得从Quake时代开始。Quake也是卡神的作品，在那个时代，Quake是最经典的射击对战游戏。
讲一个很有年代感的东西，Quake有个很著名的火箭跳，你可以拿着个RPG对着地上轰，然后反作用力会让你跳得更高。
Quake给我们创造了无数的快乐，并且它是第一款系统研究过联网对战下网络怎么同步的游戏，Quake引擎也是那个时代真正的经典。
为什么会出现质的飞跃？因为一个划时代的东西出来了——显卡。
早期游戏计算机是没有显卡的，直到大家意识到：图形运算和逻辑运算是不一样的，图形运算是大量的向量运算，并且有大量并行化的运算，拿CPU做图形运算会很麻烦。
第一代显卡Voodoo显卡出来了，Quake抓住了这个时代，做了第一代的3D游戏，当时它的画面、沉浸感震撼到了玩家。
直到今天，很多人在讲FPS游戏的时候，会说一个叫做“晕3D”的东西。不知道有多少人是晕3D的？就是打着打着就吐了。如果你想了解什么叫晕3D，强烈推荐Quake，包你当场就吐出来。但是，它确实创造了一个前所未有的体验。
游戏引擎为什么会越来越发达、越来越重要？这里面有个核心的关联度——硬件的发展。我们在思考这个技术平台的driver到底是什么？我一直认为是硬件的发展。
以PlayStation为例，第一代的算力值有多少？只有0.066个GFLOPS，一直到PS2/PS3/PS4，再到现在的PS5，PS5的算力是多少？10个TFLOPS。这意味着算力整整提升了20万倍。
当有了20万倍算力，这意味着什么？很多游戏从业者会说，哇，太棒了，我可以做一个很棒的东西出来了！但从软件工程上来讲，这是一个巨大的挑战。
随着计算机算力越来越丰富、越来越强大，系统就会越来越复杂。所表达的效果、所涵盖的模块就会越来越多，就像最早期操作系统谁都能做，但为什么现代操作系统只有极少数公司才有能力做？那是上亿行的代码。
同样的，游戏引擎也是这样。早期的游戏引擎非常简单，但是现代游戏引擎动辄就是几百万到上千万行代码，而且里面的算法非常复杂。
丰富的现代游戏引擎生态
从九几年开始，经过将近30年的发展，今天我们可以看到一个非常丰富的游戏引擎生态。
大家非常熟悉的虚幻引擎、Unity引擎，还有前些年非常厉害的Crytek引擎（这些年有点掉队），这些都是商业级引擎。
全球的游戏大厂（比如育碧、EA、RAGE）都有自己的游戏引擎，比如大名鼎鼎的寒霜引擎。如果你是一个FPS游戏玩家，一定知道《战地》这款游戏，它那种开阔战场的感觉，就是寒霜引擎巨大能力的表现。
Anvil（铁砧）引擎是育碧做刺客信条的，虽然觉得育碧的游戏有点塑料，但不妨碍它的引擎做得好。《刺客信条》里面一个很著名的案例——巴黎圣母院，一场大火后，我们现在只能在《刺客信条》里面感受和体验巴黎圣母院的盛况了。
Valve的source引擎以及Torque、Armory、Godot这些免费引擎，主要以开发轻量级的休闲游戏为主，就复杂性而言，它们和那些商业引擎、大厂的引擎相比还是有差距的。
随着游戏行业的发展，我们发现引擎（包括引擎内部的有些东西）非常复杂。
早期的游戏运擎会自己写物理模块（比如解算器、物理碰撞检测），但后来这些问题越来越复杂，就会出现专门做物理模块的，我们叫做middleware（中间件）。
中间件包括比如做物理的Havok、PhysX，还有专门做声音的Wwise、fmod。游戏里面的声音效果是非常重要的，玩一个恐怖游戏，走进房间会听到脚步的回声。打仗的时候，一个炮弹在身边爆炸会有耳鸣感。
中间件还包括做自然植被、做光照的，比如大名鼎鼎的Speedtree——做漫山遍野的树木。《阿凡达》里面的茂密葱葱的外星星球，用的就是Speedtree的技术。
多说一句，中间件公司总会不断地爆发出来，但一般生命周期都不长。我们经常说，中间件公司最好的归宿就是被某个游戏/游戏引擎大厂收购。但中间件在整个游戏引擎生态里面是一个非常重要的模块。
02「游戏引擎的定义」
游戏引擎是构建《黑客帝国》矩阵的底层框架。
《黑客帝国》是一部非常经典的20多年前的电影，新作《黑客帝国：矩阵重启》去年也上市了。
《黑客帝国》构建了一个非常伟大的想法：我们是不是生活在一个虚拟世界？今天我们虽然能够感知到彼此，觉得好像生活在一个真实世界，但是，假如我们是缸中之脑呢？
我们通过一系列的传感器和计算机模拟出一切的实际存在，而游戏引擎在过去的30年，做的一切事情都是在模拟一个虚拟世界。未来，当我们戴上VR眼镜、插上耳塞、穿上触感皮肤，我们可能无法区分是生活在一个虚拟世界还是真实世界。而游戏引擎，它所有的软件和体系架构都在为这件事情服务。
游戏引擎是人类创意/想象力的生产力工具。
通过这样一套工具体系，我们可以把想象的世界在虚拟的空间里构建出来。可以构建一个几英里高的巨大建筑物，可以创造一个从来没有存在过的外星星球。
过去我们对这类东西的想象停留在书本、画面或者电影上，但游戏引擎提供了一个工具，让我们可以把这个世界身临其境地创造出来、摆在我们面前。
游戏引擎是一个复杂性的艺术。
当有了这么强大的需求和能力，这个系统绝对不简单，它非常复杂。几乎不存在一个完美精致的引擎架构，它是一系列妥协、一系列决策的结果。
所以我认为游戏引擎是一个复杂性的艺术，我特别喜欢一本书——《复杂之美》，当我们越来越深地去理解游戏引擎，会发现面对的是一个超级复杂的系统。
为什么讲我们在构建这个世界？
十年前讲游戏引擎，我特别喜欢用一张图，这张图展现的是一只吸满血的蚊子。当我们用显微摄像机拍下来，可以看到它那么美，它身体的材质，无数的细节……
今天看到游戏，我们说次时代、说画面无比真实，但和大自然相比，我们还差得很远。
剧透一下，为什么我这么热爱这个事业？记得十年前，看完电影《阿凡达》后特别激动，我和小伙伴们说，十年之内我不会失业。为什么？我们要用十年甚至更久的时间，把那样一个美轮美奂的世界真得通过游戏展示在大家面前，让大家真得在那个世界里面可以交互。
在虚拟世界，一切东西都是用简单的01逻辑表达的。
现代计算机最基础的理论模型是什么？图灵机。图灵机的逻辑是什么？我们大脑所有复杂的运算/决策，图灵老先生在8、90年前就用数学告诉我们：只要有一条无限长的可以打孔的纸带就可以了。有个头、可以读和写，然后按照一定的机械规则去运动，就能完成一个计算。
当然，现代计算机越来越复杂、越来越花哨，但它的本质就是读、写、计算。
用简单的01变化构建一个世界，其实是非常挑战的。
一个简单的两人联网动作游戏。
要把这个人渲染出来、要这个人能动起来，就需要有一个渲染系统、动画系统。这是看得见的，还有很多看不见的系统，比如要定义一个物理碰撞系统，需要知道你打不打得中我。
还有控制系统，因为一切输入都要能进得去。还有更复杂的，网络怎么同步？两个人在两台不同的计算机上，A同学按下一个键，他在自己的世界里就做了一个操作。在另外一个世界，B同学是不是也要看到同样的操作？如果他做了个闪避操作，到底算是闪避成功还是没有成功？
这就是这个系统的复杂度。
科普一个概念，特别希望上GAMES104课程的同学能够建立这个概念：当有人告诉你，我会做很多的Rendering，我就能做游戏引擎了。上完的同学可以说：No，这事没有那么简单！
这是游戏引擎非常经典的一本书——Game Engine Architecture，作者画了一张游戏引擎的结构图。我是图形学科班出身，但很卑微地发现，原来图形学在整个游戏引擎中只占很小的一部分。
我本科、研究生都在研究图形学，那时候觉得自己做图形学还可以，但是没想到做游戏引擎的时候，又整整花了15年学习所有相关的知识体系。
以后有人问，做绘制是不是就能做游戏引擎了？学完GAMES104课程的同学可以很自豪地回答：No，你还要学另外90%的知识。
03「游戏引擎的挑战」
计算机有限的算力
假设我们真实的世界全是虚拟的，那么上帝老人家真的特别厉害：有无限的算力、有无限的存储、没有带宽的延迟、可以采用暴力算法。
对物理学有所了解的话，量子力学最基础的理论是非常简单的，就只有四个基本力，现在好像只有三个了。再往下推，如果弦论靠谱的话，一切都是振荡的弦，通过这些弦的振荡，居然能形成这么丰富多彩的世界和它的意识世界。
上帝有暴力算法，但是很可悲的是：在现代计算机里面，我们是被严格限制住的。
计算机的CPU主频一直在涨，但是这几年涨的速度变慢了，几乎已经到了摩尔定律的上限。硬盘、内存也是有限的，就那么多G。还有一个很可怕的东西叫带宽，同学们在网上下载电影、看视频都会知道带宽是很让人头疼的，每秒钟能传输的东西是有限的。还有一个叫延迟，在A地方发生的事情要传到B地方，这个时间是有延迟的。
有这么多的约束条件，要在计算机里面模拟一个很像真实世界的东西，大家想想看，是不是很难？
核心设计的边界条件——Realtime（实时）
这其实就是游戏引擎的复杂度。而且，更让我们觉得痛苦的，也是游戏引擎的一个核心设计的边界条件——Realtime（实时）。
Realtime是学习游戏引擎特别要记住的一个关键性概念，就是说，无论有多么厉害的算法，能做出多么好的效果，如果不能够在1/30秒（33毫秒）之内把计算结果提交出去，那么这个算法就是无效的。
实际上也不可能给你那么大的算力，比如我们在做游戏引擎的时候，整个预算只有33毫秒。但是每个系统，比如做一个非常漂亮的衣料模拟、做一个非常棒的水体效果、做一个非常酷的物理爆炸，可能只给你1-2毫秒。
并且，对帧率要求也越来越高。现在玩一个动作游戏，如果低于60帧，就觉得这个画面没办法接受。60帧意味着什么？计算只有15毫秒。Fitting到这么短的一个时间片里面，这就是现代游戏引擎设计的核心难点。
强大的工具体系
游戏引擎的第二个核心关键点：游戏引擎不仅仅是一系列的算法，它是一个生产力的工具。
从最早期的Quake时代开始，大家就意识到游戏引擎的用户不仅仅是程序员，它真正最大的用户是设计师和艺术家。
艺术家需要有一整套工具去构建世界：要放好关卡的规则、要放各种各样的敌人、NPC……
早期的工具链很简单，比如在Quake时代，一个编辑器就可以了。但是，现代游戏引擎是一个庞大的工具体系。
每一个工具，它的使用者都是学习不同专业技能的人。比如动画师，用一个角色编辑器编辑角色所有的动画、行为，甚至做上物理的模拟、布料的模拟。关卡设计师，会设计关卡里面所有的山川河流，还要看上去非常好看。designer，要去设计各种各样的规则，让这些规则变得真得好玩，还要给他们一个工具，让他们设计各种各样的AI/AI体的行为。
也就是说，一个游戏引擎如果只是一大堆代码、一个SDK，实际上是没办法用的，必须要提供一个非常强大的工具体系。
上完GAMES104课程，同学们要建立一个非常强的概念：做游戏引擎首先要学会的是做工具，这个工具的用户不是程序员，而是艺术家和设计师。
当然，程序员也是游戏引擎非常重要的用户，为什么呢？
因为在设计技术底层的时候，我们不可能知道所有的游戏类型。比如要做一个闯关动作游戏、要做一个开放世界的冒险游戏、要做一个剧情的MMORPG，每一款游戏的玩法变化都是多种多样的，不可能把所有的玩法都做到游戏引擎里面，这就要求游戏的程序员能够快速开发出特定的玩法。
二次开发能力的强弱，也是游戏引擎最重要的一个评判标准之一。
另外，游戏引擎是一个生产力工具，它有一个很重要的属性：可协作。
比如，一个人可以把整个世界构建出来：一会放棵树、一会做个规则、一会让这个小人动起来……听上去都很简单，但如果把这件事情拆给三个不同的人做，每个人只做自己的一小块，那他们之间是不是要有协作呢？
一个现代游戏工作室动辄就是上百人，大概有20-30个大的分工，每个人的技能也不一样，会写程序的非常少，有的会画贴图、有的会建模、有的会做动画、有的会搭环境、有的会调气氛……，这些人在一起，怎么协作呢？
这时候，游戏引擎的工具链就非常重要了。
我们是“工具人”，设计师美术是“大大”，我们要把他们服务好。做游戏引擎要做好心理建设：虽然做引擎很难，但一定要把自己放得特别低，因为我们的目标是服务好优秀的艺术家和设计师。
所以，工具是游戏引擎第二个非常重要的标签。
引擎架构的设计
游戏引擎是一个非常复杂的东西，把整个体系、工具设计好之后是不是就完事了？不是的。
随着时间的推移，要不断地完善升级：更好的算法、更好的展现、更好的feature，比如把光照做得越来越漂亮、把东西做得越来越细腻、做更逼真的物理模拟等等。
底层技术一直在升级，但之前做的资产、游戏逻辑必须都要能跑起来，不能一升级就不能跑了。有句行话：你要在一架飞起来的飞机上把它的零部件逐渐换掉，甚至把整个引擎都换掉，但这个飞机不能掉下来。
最开始做引擎技术架构的时候，就要做这样的设计。
如果同学们将来有机会参与到真正的游戏引擎研发，我觉得一定要有这样的觉悟：我们面对的是一个超复杂的系统。我特别喜欢用这张图，因为它能代表面对上千万行游戏引擎代码时内心的真实感受。
同学们将来可能不会从事游戏引擎开发，可能会做游戏开发，甚至不做游戏开发，只是用游戏引擎的理念和概念做一些其他方面的应用。但是，通过这门课程学到的方法论、体系结构，对面对很多复杂系统、问题都会有帮助。