基于C++和DirectX技术的3D 游戏引擎开发

王昌建

摘要：如今的电子游戏风靡世界，无论什么大型的游戏都是基于游戏引擎设计和开发出来的。该文对游戏引擎的各个功能进行了详细的阐述，并使用C++程序设计语言实现了游戏引擎中内存池管理、文件管理、图形控制系统、渲染器、物理系统、媒体系统、输入控制系统等主要功能。

关键词：C++； DirectX；游戏引擎

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）27-0064-03

1 游戏引擎概述

1.1 什么是游戏引擎

电子游戏中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。

1.2 游戏引擎介绍

游戏引擎是负责与系统底层联络的一套程序规范，游戏的效果很大程度取决于游戏引擎的好坏。一款好的游戏引擎所带来的画面冲击感和游戏流畅度，对于一个游戏的生命周期来说是至关重要的。

1.3目前主流游戏引擎简介

CryEngine由德国Crytek开发，主要的游戏产品是《孤岛危机》，《孤岛危机：弹头》，《蓝色火星》等。Gamebryo由Numerical Design Limited与Emergent Game Technologies公司开发，主要的游戏产品是《上古卷轴Ⅳ》，《辐射3》，《魔界2》等。用BigWorld引擎制作的游戏主要有《北斗神拳OL》，《天下2》，《星门世界》，《三国群英传online2》，《传世西游》，《峥嵘天下》，《格兰蒂亚OL》，《鬼吹灯OL》等。此外还有Epic Games公司的Unreal Engine、Criterion Software公司的RenderWare以及开源免费的Ogre引擎等。

2游戏引擎各模块介绍

游戏引擎一般应包含以下系统：渲染引擎（即“渲染器”，含二维图像引擎和三维图像引擎）、物理引擎、碰撞检测系统、音效、脚本引擎、人工智能、网络引擎以及场景管理。

2.1渲染器

在Windows平台下的渲染器主要就是DirectX 3D。DirectX是一种应用程序接口（API），是计算机计算图形的一种规则。它可以让Windows为平台的游戏或多媒体程序获得更高的执行效率，在这个规则中大量包含着现实实例的抽象集合，意味着它具有强大的灵活性和多态性。然而其抽象主要表现在参数的自定义和运算结构的随意组合，但其运算结构的坚固（独特/固定的运算规则）也使其具有很强的稳定性。DirectX加强3D图形和声音效果，并提供设计人员一个共同的硬件驱动标准，让游戏开发者不必为每一品牌的硬件来写不同的驱动程序，也降低用户安装及设置硬件的复杂度。

2.2物理引擎

目前在游戏里被大量普遍应用的物理引擎有两种，分别是Ageia开发的PhysX以及Havok的Havok系列引擎。

PhysX 是原AGEIA公司开发的一套物理运算引擎，主要竞争对手是Havok。同Havok一样，Physx也可运用在Xbox360，Playstation3，PC，Mac等多种平台之上。Physx的另外一个优势是可以运用独立的浮点处理器（包括独立的物理加速卡和GPU）进行更为复杂的运算效果，同时减轻CPU的计算负担。Havok成立于1998年，主要为游戏开发商提供物理仿真技术，从而使对象能够以更加真实的状态展现。

2.3音频引擎

目前主流的音频引擎为FMOD。 声音系统是为游戏开发者准备的革命性音频引擎。采用了FMOD作为音频引擎的游戏包括Far Cry（孤岛惊魂）、Tom Clancy's Ghost Recon（幽灵行动），甚至著名的World Of Warcraft（魔兽争霸）等。

2.4脚本引擎

主流的脚本语言有perl，lua，ruby。游戏中一般使用的脚本语言是lua，因为lua体积小、开源、执行速度快，语法也比较简单。例如魔兽争霸用的脚本就是lua，网游中的任务也一般是lua。

2.5人工智能

人工智能就其本质而言，是对人的思维的信息过程的模拟。人工智能是一门前沿交叉学科，属于自然科学和社会学科的交叉。网游中用到的并不多，一般就应用在怪物发现玩家在附近就主动攻击等场景中，在格斗类游戏中，就是对玩家出招，进行相应的反击操作。

2.6网络引擎

网络引擎主要职责是负责数据传输，保证数据的稳定性。ace是一个比较有名的开源网络通讯库，而且跨平台。

2.7场景管理

场景管理是对数据进行有序的组织和管理。现在的游戏动不动就10G以上，如果没有一个有效的数据管理就不行了，如何在适当时候加载相应资源，一些资源不需要了，就从内存中释放掉，从而能够保证内存空间足够，这是相当重要的。

3基于C++的游戏引擎开发

3.1核心模块：内存池管理系统

内存管理在C++中相当重要，如果内存处理，稍有不慎都有可能导致内存泄漏。而且频繁的申请内存，释放内存，都会造成内存碎片，时间长了可能导致申请内存失败。如果使用内存池，就可以很好的管理内存，更可以有效地减少内存碎片，而且可以有更快的速度申请释放内存。

内存管理方式如图1所示，首先向系统申请一块较大的内存，设置内存块头标志，并存入内存池链表中进行管理，每次向内存池，都先向内存池头中搜索，如果有足夠的空间，就从当前内存池中获取空闲空间，并设置相应地头标记。但是如果空间不够，就创建新的内存池，并存入链表中进行管理。但是如果都用相同级别内存池大小，可能会造成很多的内存浪费，可以创建多个级别内存池，每个级别用不同大小，在申请内存时候，可以根据申请的精度，自动匹配到相应的级别进行搜索获取相应的内存，这样可以减少内存浪费，增加内存池利用率。

3.2核心模块：文件管理系统

商业游戏中用到的图片、声音很少直接赤裸裸的放在文件夹中，不进行任何的打包和加密，一般都有自己的一套文件格式，内部进行压缩加密。如果不进行良好管理，则很难进行维护，而且资源也不安全，可能被别人利用。而一套文件管理，既可以保密自己的资源不被别人利用，而且可以减少了资源占用空间。

文件系统的实现方式如图2所示，首先有个文件系统头信息，里面记录当前文件的信息，包括指向第一个文件夹，第一个文件的信息，通过访问第一个文件夹的头数据，可以继续查询到下一个文件夹信息，指向的文件信息，指向第一个子文件夹信息。访问文件数据头时候，可以取到数据的头信息和数据。使用链表方式管理所有数据，进入可以自由添加删除文件系统内的所有数据。

3.3核心模块：图形控制系统

不相同的2个点构成线，不共线的3个点组成了面。所以面是3D的基本元素。图形系统由场景、资源管理（纹理管理，静态模型管理，动态模型管理，渲染状态管理）、摄像机，地形，天空盒，天空球，静态模型，骨骼动画，纹理贴图，材质，雾化处理，灯光，粒子系统，文字系统等组成。

3.4引擎模块：渲染器

渲染器，是专门针对各个平台的操作系统，而定植的。目前很多游戏都提供了多种渲染器（DirectX，OpenGL，Software），甚至是多种平台（Windows，Linux，mac）。Ogre中，就是将渲染器做成了插件的形式，根据需要，加载DirectX的渲染器，还是加载OpenGL的渲染器，从而可以有更好的适应性。而Software，则是纯软件模拟的，所有的渲染状态，混合处理，坐标转换，全部都自己用算法实现，而不是考DirectX和OpenGL内部已经帮你处理好。

3.5引擎模块：物理系统

物理系统，是一个纯逻辑，算法的模块，内部封装的各种复杂的处理算法，并提供简单的接口，本引擎目前只完成了八叉树碰撞检测系统。游戏中碰撞检测导出可见，若是没有碰撞检测，那玩家变的飞檐走壁，可以横穿各个物体。有了碰撞检测，就能很好地限定在指定允许的范围内行动。在2D小游戏中的方法，简单地用是数组来的碰撞物体，人物行走很，可以简单的跟数组中的值进行判断即可，而在3D中就行不通了，三维游戏中场景特别大，就得用特别是算法来实现了。

3.6引擎模块：媒体系统

游戏中若是一点声音都没用那将是多么枯燥，背景音乐能够体现一个游戏的主题，类型，打斗的场面，会有刀剑的声音。背景音乐用到时高保真音乐，用于播放背景音乐，且不频繁切换，由于加载时间比较长。音效，是使用了硬件缓冲区的接口，能够快速播放音效，缺点是质量不高，但是速度能足够快，一样用于游戏中打斗声音，开门声等。三维音效，像CS中的音效一样，通过判断声音，能够辨别出声音发出的方位，是比较真实的模拟音效。缺点是比较耗资源，运算量比较大，通过多普勒定理算出的。

3.7引擎模块：输入控制系统

游戏都是互动的，不可能全部由计算机执行，而不用玩家参与，用户反馈就显得相当的重要。目前pc机上的输入设备主要有鼠标，键盘。因此鼠标和键盘成了用户与计算机交流的通道。游戏中也是，玩家通过控制鼠标，键盘可以控制游戏中人人物驰骋沙场。Windows系统中的，获取输入消息，可以通过Windows消息队列，也可以用API函数。Windows消息队列缺点是相应的速度不够快（相对于竞技类游戏），API也是一样。dinput就很好地解决了这个问题，dinput直接与硬件打交道，可以直接获取硬件状态。dinput中获取数据状态有2中模式，缓冲模式和即时模式。缓冲模式，是只有当状态发生变化的时候才有消息（如果在短时间发生的多次消息会存到dinput消息队列中），即时模式是获取当前的状态（中间发生的多次消息将被忽略）。一般游戏都会用缓冲模式，应为他获取的值更加准确可靠。

3.8 引擎模块：辅助系统

一般一个引擎都有一套自己的库文件系统，内部自己实现一套数学库，复杂的运算函数，字符处理，等待都是為了扩平台做前提。本文设计的引擎辅助系统，目前仅仅完成几个简单的字符处理，ANSI与Unicode字符转换，自定义的一套类型。

3.9 引擎各模块联系

本文设计的引擎各个部分静态结构图如图3所示。

MdMemory内存池，是本文设计的引擎的核心部分，负责管理内存。其它对象都是通过内存池来获取相应内存，这样保证了所有对象数据都在内存池的管理之中，由内存池进行了统一的管理。内存池在析构时候进行了检测是否发生泄露，并提示在那个文件第几行代码发发生的，并有一个专门的值，可供设置断点使用，在下次启动时候自动中断在泄露的位置，然后通过编译器的调用堆栈查看，可以快速看出问题的所在，大大的简化的各个模块内存使用的情况。文件系统，内部使用了内存池接口，并使用了一套文件夹头，文件头信息缓冲机制，由于采用路径访问方式，要访问子路径中的文件，就必须先访问文件夹信息，通过一个缓冲方式储存在内存池中，比直接从硬盘加载，查询的速度快了很多，而查询缓冲数据，用了哈希算法，快速定位，并有个最长时间未使用的记录，把长时间不使用的信息移除，保证了缓冲的高效使用机制。内部实现了加密算法，保证了数据的安全，杜绝的数据被窃取。图形系统，是包含了所有3D图形的算法，实现，内部封装了各种复杂的实现算法，并提供一套简单的接口，而且和文件系统关联，加载数据可以直接从文件系统获取，避免所使用到的资源裸露在外头。内部对各种资源的头数据进行了扩展，方面图形信息直接使用，而不用计算配置后使用，使之能快速有效。图形系统的渲染接口用了渲染器的接口，在Windows系统下，可以像ogre一样可以自由切换DirectX9或OpenGL来渲染。图形系统中，用到的碰撞检测调用物理系统完成，集合到图形系统的场景管理中，可以无需外部特别的处理，可以方便有效的实现碰撞检测系统。

4 总结

本文介绍了3D游戏引擎的各个组成部分，并使用C++语言实现了一个能够完成基本3D功能的游戏引擎。经过测试，基于该引擎能够开发一些中小型游戏产品，并且该引擎是开源免费的，对理解游戏引擎的原理有一定的作用。

参考文献：

[1] Matt Pharr.Gpu Gems 2：Programming Techniques for High - Performance Graphics and General-Purpose Computation[M].Nvidia，2005.

[2] David H.Eberly.3D Game Engine Design： A Practical Approach to Real-Time Computer Graphics Second Edition[M].北京： 人民邮电出版社，2009.

[3] Jim Adams.Advanced Animation with DirectX[M].Course Technology PTR，2005.