从Wolf3D到Quake4：3D游戏引擎进化史

在阅读各种游戏介绍的时候我们常常会碰见“引擎”（Engine）这个单词，引擎在游戏中究竟起着什么样的作用？它的进化对于游戏的发展产生了哪些影响？希望下面这篇文章能为大家释疑。

一、什么是引擎
我们可以把游戏的引擎比作赛车的引擎，大家知道，引擎是赛车的心脏，决定着赛车的性能和稳定性，赛车的速度、操纵感这些直接与车手相关的指标都是建立在引擎的基础上的。游戏也是如此，玩家所体验到的剧情、关卡、美工、音乐、操作等内容都是由游戏的引擎直接控制的，它扮演着中场发动机的角色，把游戏中的所有元素捆绑在一起，在后台指挥它们同时、有序地工作。简单地说，引擎就是“用于控制所有游戏功能的主程序，从计算碰撞、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。”

Hale Life2: Lost Coast

可见，引擎并不是什么玄乎的东西，无论是2D游戏还是3D游戏，无论是角色扮演游戏、即时策略游戏、冒险解谜游戏或是动作射击游戏，哪怕是一个只有1兆的小游戏，都有这样一段起控制作用的代码。经过不断的进化，如今的游戏引擎已经发展为一套由多个子系统共同构成的复杂系统，从建模、动画到光影、粒子特效，从物理系统、碰撞检测到文件管理、网络特性，还有专业的编辑工具和插件，几乎涵盖了开发过程中的所有重要环节，以下就对引擎的一些关键部件作一个简单的介绍。
首先是光影效果，即场景中的光源对处于其中的人和物的影响方式。游戏的光影效果完全是由引擎控制的，折射、反射等基本的光学原理以及动态光源、彩色光源等高级效果都是通过引擎的不同编程技术实现的。

Hale Life2: Lost Coast

其次是动画，目前游戏所采用的动画系统可以分为两种：一是骨骼动画系统，一是模型动画系统，前者用内置的骨骼带动物体产生运动，比较常见，后者则是在模型的基础上直接进行变形。引擎把这两种动画系统预先植入游戏，方便动画师为角色设计丰富的动作造型。
  引擎的另一重要功能是提供物理系统，这可以使物体的运动遵循固定的规律，例如，当角色跳起的时候，系统内定的重力值将决定他能跳多高，以及他下落的速度有多快，子弹的飞行轨迹、车辆的颠簸方式也都是由物理系统决定的。
  碰撞探测是物理系统的核心部分，它可以探测游戏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，这就确保了当你撞在墙上的时候，不会穿墙而过，也不会把墙撞倒，因为碰撞探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。
  渲染是引擎最重要的功能之一，当3D模型制作完毕之后，美工会按照不同的面把材质贴图赋予模型，这相当于为骨骼蒙上皮肤，最后再通过渲染引擎把模型、动画、光影、特效等所有效果实时计算出来并展示在屏幕上。渲染引擎在引擎的所有部件当中是最复杂的，它的强大与否直接决定着最终的输出质量。

Hale Life2: Lost Coast

引擎还有一个重要的职责就是负责玩家与电脑之间的沟通，处理来自键盘、鼠标、摇杆和其它外设的信号。如果游戏支持联网特性的话，网络代码也会被集成在引擎中，用于管理客户端与服务器之间的通信。
  通过上面这些枯燥的介绍我们至少可以了解到一点：引擎相当于游戏的框架，框架打好后，关卡设计师、建模师、动画师只要往里填充内容就可以了。因此，在 3D游戏的开发过程中，引擎的制作往往会占用非常多的时间，《马科斯·佩恩》的MAX-FX引擎从最初的雏形Final Reality到最终的成品共花了四年多时间，LithTech引擎的开发共花了整整五年时间，耗资700万美元，Monolith公司（LithTech引擎的开发者）的老板詹森·霍尔甚至不无懊悔地说：“如果当初意识到制作自己的引擎要付出这么大的代价的话，我们根本就不可能去做这种傻事。没有人会预料得到五年后的市场究竟是怎样的。”
  正是出于节约成本、缩短周期和降低风险这三方面的考虑，越来越多的开发者倾向于使用第三方的现成引擎制作自己的游戏，一个庞大的引擎授权市场已经形成。
二、引擎的进化
  曾经有一段时期，游戏开发者关心的只是如何尽量多地开发出新的游戏并把它们推销给玩家。尽管那时的游戏大多简单粗糙，但每款游戏的平均开发周期也要达到8到10个月以上，这一方面是由于技术的原因，另一方面则是因为几乎每款游戏都要从头编写代码，造成了大量的重复劳动。渐渐地，一些有经验的开发者摸索出了一条偷懒的方法，他们借用上一款类似题材的游戏中的部分代码作为新游戏的基本框架，以节省开发时间和开发费用。根据马老先生的生产力学说，单位产品的成本因生产力水平的提高而降低，自动化程度较高的手工业者最终将把那些生产力低下的手工业者淘汰出局，引擎的概念就是在这种机器化作业的背景下诞生的。

Baldur's Gate

每一款游戏都有自己的引擎，但真正能获得他人认可并成为标准的引擎并不多。纵观九年多的发展历程，我们可以看出引擎最大的驱动力来自于3D游戏，尤其是 3D射击游戏。尽管像Infinity这样的2D引擎也有着相当久远的历史，从《博德之门》（Baldur's Gate）系列到《异域镇魂曲》（Planescape：Torment）、《冰风谷》（Icewind Dale）直至今年夏天将要发布的《冰风谷2》，但它的应用范围毕竟局限于“龙与地下城”风格的角色扮演游戏，包括颇受期待的《夜在绝冬城》（Neverwinter Nights）所使用的Aurora引擎，它们都有着十分特殊的使用目的，很难对整个引擎技术的发展起到推动作用，这也是为什么体育模拟游戏、飞行模拟游戏和即时策略游戏的引擎很少进入授权市场的原因，开发者即便使用第三方引擎也很难获得理想的效果，采用《帝国时代2》（Age of Empires）引擎制作的《星球大战：银河战场》（Star Wars：Galactic Battleground）就是一个最好的例子。

Baldur's Gate

因此，下面对引擎的历史回顾将主要围绕动作射击游戏的变迁展开，动作射击游戏同3D引擎之间的关系相当于一对孪生兄弟，它们一同诞生，一同成长，互相为对方提供着发展的动力。
1992年，3D Realms公司/Apogee公司发布了一款只有2兆多的小游戏—— 《德军司令部》（Wolfenstein 3D），稍有资历的玩家可能都还记得初接触它时的兴奋心情，用“革命”这一极富煽动色彩的词语也无法形容出它在整个电脑游戏发展史上占据的重要地位。这部游戏开创了第一人称射击游戏的先河，更重要的是，它在X轴和Y轴的基础上增加了一根Z轴，在由宽度和高度构成的平面上增加了一个向前向后的纵深空间，这根 Z轴对那些看惯了2D游戏的玩家造成的巨大冲击可想而知。

Wolfenstein 3D

Wolfenstein 3D引擎的作者是大名鼎鼎的约翰·卡马克，这位id Software公司的首席程序师正是凭借这款Wolfenstein 3D引擎在游戏圈里站稳了脚跟。事实上，《德军司令部》并非第一款采用第一人称视角的游戏，在它发售前的几个月，Origin公司就已经推出了一款第一人称视角的角色扮演游戏——《创世纪：地下世界》（Ultima Underworld），这款角游戏采用了类似的技术，但它与Wolfenstein 3D引擎之间有着相当大的差别，举例来说，《地下世界》的引擎支持斜坡，地板和天花板可以有不同的高度，分出不同的层次，玩家可以在游戏中跳跃，可以抬头低头，这些特性Wolfenstein 3D引擎都无法做到，而且从画面上看，《德军司令部》更接近漫画风格而不是传统的像素画面。

Wolfenstein 3D

尽管从技术细节上看，Wolfenstein 3D引擎比不上《创世纪：地下世界》的引擎，但它却更好地利用了第一人称视角的特点，快速火爆的游戏节奏使人们一下子记住了“第一人称射击游戏”这个单词，而不是“第一人称角色扮演游戏”。《德军司令部》后来还发布过一款名义上的续集——《三元的崛起》（Rise of the Triad），这款游戏在Wolfenstein 3D引擎的基础上增加了许多重要特性，包括跳跃和抬头低头等动作。
引擎诞生初期的另一部重要游戏同样是出自id Software公司的一款非常成功的第一人称射击游戏——《毁灭战士》（Doom）。Doom引擎在技术上大大超越了Wolfenstein 3D引擎，《德军司令部》中的所有物体大小都是固定的，所有路径之间的角度都是直角，也就是说你只能笔直地前进或后退，这些局限在《毁灭战士》中都得到了突破。尽管游戏的关卡还是维持在2D平面上进行制作，没有“楼上楼”的概念，但墙壁的厚度可以为任意，并且路径之间的角度也可以为任意，这使得楼梯、升降平台、塔楼和户外等各种场景成为可能。

Doom

由于Doom引擎本质上依然是二维的，因此可以做到同时在屏幕上显示大量角色而不影响游戏的运行速度，这一特点为游戏创造出了一种疯狂刺激的动作风格，在这方面迄今为止大约只有《英雄萨姆》（Serious Sam）系列能与之相比，除此之外还没有哪款3D引擎能在大批敌人向你涌来的时候依然保持游戏的流畅，这也是为什么如今市面上的大部分第一人称射击游戏都在积极地培养玩家的战术运用能力、提高玩家的射击准确率而拒绝滥砍滥杀的主要原因之一。值得一提的是，尽管Doom引擎缺乏足够的细节度，但开发者仍然在《毁灭战士》中表现出了惊人的环境效果，其纯熟的设计技巧实在令人赞叹。
不过更值得纪念的是，Doom引擎是第一个被用于授权的引擎。 1993年底，Raven公司采用改进后的Doom引擎开发了一款名为《投影者》（ShadowCaster）的游戏，这是游戏史上第一例成功的嫁接手术。1994年Raven公司采用Doom引擎开发《异教徒》（Heretic），为引擎增加了飞行的特性，成为跳跃动作的前身。1995年Raven公司采用Doom引擎开发《毁灭巫师》（Hexen），加入了新的音效技术、脚本技术以及一种类似集线器的关卡设计，使你可以在不同关卡之间自由移动。 Raven公司与id Software公司之间的一系列合作充分说明了引擎的授权无论对于使用者还是开发者来说都是大有裨益的，只有把自己的引擎交给更多的人去使用才能使引擎不断地成熟起来。

Doom

《毁灭战士》系列本身就相当成功，大约卖了350万套，而授权费又为id Software公司带来了一笔可观的收入。在此之前引擎只是作为一种自产自销的开发工具，从来没有哪家游戏商考虑过依靠引擎赚钱，Doom引擎的成功无疑为人们打开了一片新的市场。
在引擎的进化过程中，肯·西尔弗曼于1994年为3D Realms公司开发的Build引擎是一个重要的里程碑，Build引擎的“肉身”就是那款家喻户晓的《毁灭公爵》（Duke Nukem 3D）。《毁灭公爵》已经具备了今天第一人称射击游戏的所有标准内容，如跳跃、360度环视以及下蹲和游泳等特性，此外还把《异教徒》里的飞行换成了喷气背包，甚至加入了角色缩小等令人耳目一新的内容。在Build引擎的基础上先后诞生过14款游戏，例如《农夫也疯狂》（Redneck Rampage）、《阴影武士》（Shadow Warrior）和《血兆》（Blood）等，还有台湾艾生资讯开发的《七侠五义》，这是当时（至今依然是）国内不多的几款3D射击游戏之一。Build 引擎的授权业务大约为3D Realms公司带来了一百多万美元的额外收入，3D Realms公司也由此而成为了引擎授权市场上的第一个“暴发户”。不过从总体来看，Build引擎并没有为3D引擎的发展带来任何质的变化，突破的任务最终由id Software公司的《雷神之锤》（Quake）完成了。

Duke Nukem 3D

《雷神之锤》紧跟在《毁灭公爵》之后发售，两者孰优孰劣一时之间成为玩家的热门话题。从内容的精彩程度来看《毁灭公爵》超过《雷神之锤》不少，但从技术的先进与否来看，《雷神之锤》是毫无疑问的赢家。Quake引擎是当时第一款完全支持多边形模型、动画和粒子特效的真正意义上的3D引擎，而不是 Doom、Build那样的2.5D引擎。此外Quake引擎还是连线游戏的始作俑者，尽管几年前的《毁灭战士》也能通过调制解调器连线对战，但最终把网络游戏带入大众的视野之中的是《雷神之锤》，是它促成了电子竞技产业的发展。

Quake

一年之后，id Software公司推出《雷神之锤2》，一举确定了自己在3D引擎市场上的霸主地位。《雷神之锤2》采用了一套全新的引擎，可以更充分地利用3D加速和 OpenGL技术，在图像和网络方面与前作相比有了质的飞跃，Raven公司的《异教徒2》（Heretic II）和《军事冒险家》（Soldier of Fortune）、Ritual公司的《原罪》（Sin）、Xatrix娱乐公司的《首脑：犯罪生涯》（Kingpin：Life of Crime）以及离子风暴工作室去年夏天刚刚发布的《安纳克朗诺克斯》（Anachronox）都采用了Quake II引擎。

Quake

Quake II引擎的授权模式大致如下：基本许可费从40万美元到100万美元不等，版税金视基本许可费的多少而定，40万美元的许可费大约需提取10%以上的版税金，100万美元的许可费则提取很少一部分版税金。这样算下来，《雷神之锤2》通过引擎授权所获得的收入至少有一千万美元，尽管游戏本身的销售业绩比起《毁灭战士》来要差很多，大约卖了110多万套，收入在4500万美元左右，但在授权金这一块它所获得的盈利显然要远远高于《毁灭战士》，此时的引擎已经从一种单纯的工具变成了一块令人垂涎欲滴的肥肉。
俗话说“一个巴掌拍不响”，没有实力相当的竞争者，任何市场都无法发展起来的。正当 Quake II独霸整个引擎市场的时候，Epic Megagames公司（即现在的Epic游戏公司）的《虚幻》（Unreal）问世了。毫不夸张，第一次运行这款游戏的时候，我的确被眼前的画面惊呆了，尽管当时只是在300x200的分辨率下运行的这款游戏（四大悲事之一：玩游戏机器不够劲）。除了精致的建筑物外，游戏中的许多特效即便在今天看来依然很出色，荡漾的水波，美丽的天空，庞大的关卡，逼真的火焰、烟雾和力场等效果。从单纯的画面效果来看，《虚幻》是当之无愧的佼佼者，其震撼力完全可以与人们第一次见到《德军司令部》时的感受相比。

Quake II

Unreal引擎可能是使用最广的一款引擎，在推出后的两年之内就有18款游戏与Epic公司签订了许可协议，这还不包括Epic公司自己开发的《虚幻》资料片《重返纳帕利》，其中比较近的几部作品如第三人称动作游戏《北欧神符》（Rune）、角色扮演游戏《杀出重围》（Deus Ex）以及永不上市的第一人称射击游戏《永远的毁灭公爵》（Duke Nukem Forever），这些游戏都曾经或将要获得不少好评。
Unreal引擎的应用范围不限于游戏制作，还涵盖了教育、建筑等其它领域。Digital Design公司曾与联合国教科文组织的世界文化遗产分部合作采用Unreal引擎制作过巴黎圣母院的内部虚拟演示，Zen Tao公司采用Unreal引擎为空手道选手制作过武术训练软件，另一家软件开发商Vito Miliano公司也采用Unreal引擎开发了一套名为“Unrealty”的建筑设计软件，用于房地产的演示。

Quake II

这款与《雷神之锤2》同时代的引擎经过不断的更新，至今依然活跃在游戏市场上，丝毫没有显出老迈的迹象，实属难得。

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