《黑神话》爆火，正好借机科普3D游戏制作的常识。理解了本文，以后看游戏的眼光，就不一样了。笔者的感受是，这么复杂的游戏，居然是可以开发出来的，人类的技术发展真很伟大。
一．3D游戏开发常识
《黑神话》等动作游戏，全都是3D游戏。可以理解为有一个虚拟的游戏世界，其内部是三维的坐标系统，游戏中的物体都在里面活动。
玩家即时看见的只是游戏世界的很小一部分，随着玩家的行走、转身在不停游动变换。这个世界叫“摄像机视角”，它也是3D的。
但是目前的显示设备，是2D的屏幕。需要将摄像机视角的3D图景，转换成2D的画面显示在电脑、手机、平板、游戏机等设备上。
2D屏幕显示、3D摄像机视角、整个虚拟游戏世界
游戏是动态的，玩家希望看见画面流畅像放电影一样，越真实越好。这需要一个双缓冲区机制。
我们屏幕上显示的东西，是由显卡处理的（GPU以前就是显卡，后来增加了计算功能）。一幅2D图像内容放入“显存”，然后用一个显卡硬件调用，就会在屏幕上显示出来，呈现的画面叫“一帧”。如果更新画面时，对这一帧从上到下逐行扫描更新，就会出现上下不匹配的感觉。实际操作中，会准备显存中的另一个缓冲区，大小一样，在其中计算写入“下一帧”的图像数据。等全部准备好了，就将屏幕图像硬件调用的指针指过来，一下全部更新到屏幕上。原来的那帧，就成为计算再下一帧的图像缓冲区。如此来回切换，屏幕画面就像放电影一样推进了。
实践中根据人眼感觉，一秒钟显示切换30帧的“帧率”，人感觉较为流畅、可以接受了。帧率再低，就会有画面一跳一跳的卡顿、跳跃感。30的帧率继续提升，人眼会感觉画面更为流畅，普通人到60帧达到满意的程度，不需要更高了。有些玩家就追求玩《黑神话》的硬件，或者调整设置，要达到60的帧率。帧率还可以继续提高，游戏发烧友会追求120帧，其实区别没多大。再往上只有对画面极为敏感的职业电竞选手有追求了。
因此，游戏显示帧率一般是在30-60帧，以60帧为优化目标，30帧为优化底线。偶尔出现低于30帧的情况还能忍，经常出现就有问题了。另外，一秒内帧率波动，出现“掉帧”的情况也不好，不能300毫秒只有3帧，余下700毫秒27帧。有时Switch等游戏硬件上的30帧比电脑上的60帧感觉还流畅，因为帧率稳定，掉帧情况少。
以上是最基础的知识，游戏画面是从哪来的。但是，对于游戏世界如何构建，还需要更多的知识介绍。
虚拟的游戏世界，肯定是用“数据结构”来存储的。游戏世界一般模拟的是人类生活的世界，开发者总结出了几类有特性的数据结构。
地形、天空盒、植被、水体、粒子特效、场景物品、角色、布料、光源，游戏世界就是这些东西构成的。每一类都有自己的特色，相关的数据结构和处理算法都需要专门设计。
天空盒（或者天空球）可以理解为，用一个很大的方形盒子或者球形，笼罩住整个3D世界，盒子上会贴上天空图片。有些天空算法能让天空图片动态变化，效果更自然。这个盒子非常大、非常高，甚至无限高一样，玩家在地面移动时会感觉天空是稳定的。但要注意，它并不是真有一个很大的盒子数据结构，后面说渲染的时候我们再解释下。
地形就是地图，还记录了地表的高低起伏，是游戏世界最基础的数据。植被是地表的草、树等覆盖物，量非常大，不断重复，但又要体现变化。水体有特殊的运动规律，有透明、反射、波动等属性。粒子特效实现烟雾、火焰、扬沙、扬尘、攻击波等效果。场景物品定义了游戏世界的活动空间，包括建筑、石头、土壤、道具等各类刚性物体，有的远观，有的能进去要有更详细的三维建模。
其实植被也可以当物品来理解。但其数量非常多，需要不同的高效处理算法，就专门定义成一个类别。
角色，是游戏进行时玩家主要的关注焦点。角色的属性最为复杂，需要更详细的定义，3D动作游戏不少角色有漂亮的专属动作。定义角色，一个重要的手段是骨胳关节系统。关节可以扭动，角色就可以变成各种各样的形态。
角色还会有衣服、饰品、面具等等，有时几层衣服。这些也需要专门的数据结构来处理，布料就能用来表示衣服。
最特殊的一类东西是光源。有火炬、蜡烛之类的光源。有时有一个外来光源，相当于太阳一样的平行光。由于光会反射、折射、吸收、增强，光线的处理非常复杂，是图形显示算力需求最大的算法。实际上所有物体的颜色、亮度值都是以光源为基础的。
看看图中有哪些数据结构？
每一种数据结构的处理，都有非常深入的计算机图形学研究背景。但是随着技术的发展，这些重要数据结构的处理算法，都基本成熟、可用了。靠这些图形学算法，3D游戏开发才有基础。上世纪90年代3D游戏就有了不错的效果，软硬件算法不断进步，到现在游戏的效果提升极大，有时逼真得吓人。了解游戏开发的基础知识，就会明白游戏对于科技进步的拉动作用。
但是，3D游戏开发涉及的数据种类、算法，实在是太多了，一般开发者没有能力自己去从头实现，中小公司都不行。
还好有游戏开发引擎，如Unity和Unreal。游戏开发引擎将相关数据结构和算法打包好，直接提供框架给游戏开发者使用。开发者按照引擎使用规范，定义好游戏世界的数据，设定游戏规则，就可以把游戏编写出来了。Unreal和Unity就如同编程更常用的Visual Studio一样，是一个集成开发环境。
除了游戏，Unity还可以用于美术、建筑、汽车设计、影视等领域，都是3D模型、3D世界进行2D显示。引擎开发公司是Unity Software，中国子公司是Unity中国。Unity中国版叫“团结引擎”，有自己的特性，和英文版不一样。Unity是最常用的游戏开发引擎，开发的游戏类型和数量最多。Unity每年都会有大版本更新，如2019版、2020版，直到2024版，小版本更新就更为频繁。
Unreal中文叫“虚幻”（但没有特殊的中文版），现在流行的是虚幻4（或称UE4）以及2020年推出的虚幻5（或称UE5），《黑神话》就是用虚幻5开发的。虚幻引擎是著名游戏公司EPIC开发的，这个公司有《堡垒之夜》、《战争机器》等成功游戏作品。为了促进行业发展，EPIC把虚幻开发引擎的源代码开放了，和开源有区别，使用还是要付费，也有赚钱的目的。和Unity一样，虚幻引擎也可以用于影视等其它领域。
虚幻引擎相比Unity，率先实现了一些独门的先进图形算法（一些在《黑神话》中有应用，如Nanite、Lumen，后文介绍），能够更好展示一些游戏效果。但Unity后面也会实现这些算法，二者不能说有高下区别。虚幻引擎还有game play，一套定义游戏规则、角色动作的代码框架，而Unity没有。但这并非说虚幻就更好，也许开发者认为game play定义规则的办法对某些游戏并不高效。
个人开发者与中小公司一般会用Unity或虚幻引擎开发游戏，大公司也会用。但是大公司同时会有自己开发的引擎，代表了公司技术实力。
另外还有DCC（Digital Content Creation）软件、建模软件，如Blender、3DMAX、Maya，生成行业最通用的FBX模型文件。
以上是游戏开发概念性的常识，大约是如何开发的，没有涉及具体的数据结构与算法。
二.游戏开发基础算法概念
游戏世界的物体，基础的表示办法是三角形网格（Mesh）。
如图，三角形网格（Mesh）可以模拟物体表面，一个物体就能够定义出三维的形状了。从上图可以感觉到，顶点的密度大，三角形网格数量多，物体表面就能模拟得非常好了。三角形网格表示的基础是，任意多边形都可以切成多个三角形。也有其它的网格类型，如四角形网格（加一些三角形网格），但最常用的是三角形网格，《黑神话》应该也是。
一个三角形网格，要存储顶点的3D坐标、三条边，顶点的顺序可以区分正面与反面。还有一些其它性质，如法向量、材质属性。
玩家看游戏画面时，往往意识不到三角形网格的存在。这是因为，最吸引人们注意的，是物体表面（也就是三角形内部）的“内容”，而不是顶点。要用各种色彩去填充表面，不能是光光的三角形，那就太丑了。这就是三角形内部的“纹理”（Texture），其实就是一张图片（图片局部）贴到三角形上面去。显示时不止贴图片，还要结合光源计算出里面的色彩。
有了三角形网格表示、纹理表面贴图，一个物体就很象回事了。游戏中有近景、远景，对同一个物体可以设计精度不同的模型，近景用高精度，远景用低精度，分几个级别。但这都是静态的，游戏里很多物体的形状、角度是会变的。
物体如何变动、对撞反应，需要一个“物理引擎”。游戏世界的物理，和真实世界一般是不同的，有夸张、简化。也有尽量模拟真实世界的，做得很细，这是很难的，主打真实，但效果未必好。游戏世界只要效果好，完全可以变通处理，一些物理效果细究显然是不符合牛顿定律的。但没关系，人们很容易接受游戏世界的物理规则，比真实世界更有趣、好玩。
对计算机编程来说，这提供了很大的方便。一个物理引擎只要自洽地定义出来了，效果就是那样，出来什么是什么，只要玩家接受。如果是模拟真实世界，就得非常小心地定义和模拟，想调到接近真实很难。当然物理引擎也是以真实世界规律为基础的，大差不差，符合人们的物理直觉，不能搞得无法理解了。
例如《黑神话》里，悟空的棍风扫到了几株小草，小草的弯曲能显示棍风的存在。如果是真实物理，会比较麻烦。在物理引擎里，就可以简单处理，对小草加一个有方向的扰动，根据扰动力度，计算各顶点偏移量，模拟出效果不难。有时这种处理非常简单，都不用物理引擎就能做好了。真实世界从原理上来说，棍子一扫不可能有太大棍风，但游戏里可以直接定义一个数值，模拟出夸张效果。
物理引擎是游戏引擎里不算难的部分，游戏开发引擎会带上。英伟达就提供了物理引擎，这是它的风格，到处找有什么需求，早早就做在开发包里。Unity很早就内置了英伟达的PhysX物理引擎。
PhysX有刚体碰撞、粒子系统、布料模拟等。粒子系统可以模拟烟雾、水流、火焰，布料模拟是处理衣服、旗帜的动态效果，效果接近真实。可以理解为，英伟达PhysX算法目标是逼近真实，并不是专门给游戏开发用的，但用到游戏上也还行。
虚幻5的默认物理引擎是EPIC自研的Chaos，以前是用PhysX的。对有些游戏项目，Chaos更适合，因为它目标不是追求真实，而是游戏效果。
在物理引擎作用下，游戏世界接受玩家输入，就可以不断演化了。根据玩家视角，将3D游戏世界呈现在2D界面上，而这是游戏开发的核心任务，处理显示问题。
相关专业名词是“渲染”（Rendering）、“渲染管线”、“着色器”（Shader）。要理解这三个名词，需要先介绍3D动作游戏运行的硬件特性，CPU GPU，其中GPU起到了主要的计算作用。
象《黑神话》这样讲究视觉效果的动作游戏，必须有GPU，档次低了还不行。理论上只靠CPU，就可以把这些物理引擎、3D世界转成2D显示的算法跑下来。早在90年代初，就有了《侏罗纪公园》、《终结者2》等效果不错的特效电影，那时GPU都没出来。但是，这些特效，都是用很长时间做出来的，放出来1分钟，做可能要1周。而3D动作游戏显示，需要实时计算，就需要非常强大的GPU来加速计算。
许多人对CPU的串行编程逻辑不陌生，但了解GPU编程的人就少多了。GPU有成千上万个计算核心，可以并行加速计算过程。但有非常多的细节，这些核心并不是都一样的，而是分成几类，各有擅长的任务，GPU内部架构也不简单。
Shader可以理解为GPU上跑的并行加速程序。有许多种Shader，完成顶点位置、象素颜色计算这些任务。给Shader准备好输入数据，它就会把计算后的数据写到显存、内存上去。
游戏开发引擎，会提供多种Shader，开发者也可以自己编写Shader，进行特别的处理。但光有Shader，相当于程序只有一些子函数，完成不了整个任务。
这时就需要“渲染管线”，管线安排好一连串处理动作。可以把渲染管线理解为CPU GPU编程，是一个软硬件过程，每一步调用CPU或者GPU，其中会有多个不同的Shader完成主要的计算，CPU处理逻辑、准备数据。
渲染管线是将3D的游戏世界的游戏数据转化成2D屏幕上一幅画面的过程。游戏开发引擎提供了渲染管线代码，程序员可以修改。它会计算出现在“摄像机视角”的物体，将视角以外的物体剪裁掉，边缘要处理。它需要判断场景中的物体遮挡情况。对于每个物体，计算2D显示的颜色值。
一种特殊的算法是天空渲染，其实就是6张“参考图片”，作为天空采样的纹理，对应立方体的6个面，天空渲染时根据当前位置方向计算出天空颜色值。从这个意义上说，“天空盒”实际并不存在，没有在场景文件里。
一个游戏的渲染管线编写完成，关于图形显示的部分就好了。但是，如果换了GPU，可能需要换一种渲染管线。如GPU不够强，一些高开销的Shader跑不了，就要换成低开销的Shader，帧率、画质就要降了。《黑神话》程序第一次启动的时候，会进行“着色器编译”，就是在根据机器的CPU GPU组合，编译出合适的二进制代码，之后再启动就不需要了。
《黑神话》这类3A游戏，对GPU的性能有要求，就是这个原因。如果GPU连游戏最低要求的Shader都跑不了，游戏就跑不起来，干脆不让玩算了。Shader的计算过程更不可能换成CPU跑，太慢无法接受。
要注意渲染管线只管显示相关的计算，象游戏的game play玩法、物理引擎，这些是另外的管线，也可能调用GPU。Rendering，就是指计算渲染一帧画面、向显存写入画面数据这个动作。渲染是动作，渲染管线是过程。
介绍到这里，3D游戏开发的主要脉络就有了。但是还差一个最重要、最复杂的部分，光照模型。场景的样子，是由一个或多个光源光照的效应决定的，计算非常复杂，还与物品的材质有关。物品的材质，其实就是物品与光线交互的性质，物体看上去是草、树还是水，是吸收、反射、透明这些光照属性决定的。
物体的颜色不是其固有属性，有较为复杂的物理学理论，涉及光学的漫反射、镜面反射、微表面理论等概念。在游戏开发里叫Physical Based Rendering，用于处理光线与物品的交互，光照模型也是渲染中的重要概念。
一个简单的光照模型是，只考虑直射光，就是假定场景中的每个点都独立地受各个光源直接照射的影响。光源可以抽象成点光源，平行光相当于无限远、无衰减的点光源。要计算场景中一个点的亮度，就假定是所有点光源打在这个点上的复合效应。这个计算方法简单，也能用GPU加速，能提供一个基本的光照效果，实际上大多数游戏就这么做了，但显得不够真实。光线会在物体上发生反射、折射，等于又有新的光源了，这个效应简单光照模型没考虑到。
复杂些的是全局光照模型，就是把光线的反射、折射效应也考虑进去。理论上这非常复杂，直接光照、间接光照，还要积分。有一些传统算法来处理，但现在硬件好了，就可以实时地用光线追踪（Ray Tracing）算法了。
光线追踪算法，是从视点（眼睛）发出数以亿计的光线，模拟与物体相交、反射、折射，反复迭代，直到遇上光源或跑出去了、迭代次数够多了。图中蓝线就是从视点发出的追踪光线，根据折射、反射等效应产生次生光线。虚线代表光源对每个关键点的作用，光源主要的可能作用路径都被考虑到了，最终可以计算出复合效应。可能的作用路径非常多，但如果转折太多次，光强就可以忽略了。
要注意，光线追踪算法的“光线”，是从眼睛逆向发出来去寻找光源，而不是从光源发出来，反直觉的。这是因为最终玩家是用眼睛去看画面，眼睛能看到的光才有意义，从眼睛发出来光线逆向推导更有效。而光源发出来的光线，要机缘巧合才能到达眼睛，不适合用来做光线追踪。
这是一种蒙特卡洛抽样模拟算法，视点放出的光线越多模拟效果越好。光线追踪算法效果最好，能够模拟出很好的阴影、反射效果，水面反光、火焰倒影等场景很炫。GPU常用光追来展示性能，英伟达的RTX系列GPU，1秒钟可以发出上百亿根光线。
《黑神话》开光追的下图，水体折射倒影效果惊人，上图未开光追
《黑神话》等游戏界面会有选项，选择画质、是否开光追等等。在一些场景，开光线追踪会有明显效果。
《黑神话》广受好评的画面展示，还有虚幻5引擎中Nanite技术和Lumen技术的功劳。
黑神话中的佛像群，极精细的建模
黑神话画面的一个特性是，景色逼真，无论近景、中景、远景看着都很自然。前面说过，一个物体的模型会有高精度和低精度的，用于近景和远景显示，分几级。但有时会有不太自然的感觉，精度有跳变。Nanite技术可以加载超高精度的模型（多达十亿个三角面），几何体更为真实细腻，这需要高效的几何压缩和内存管理。看程序需要，实时计算出合适的模型和场景显示，而非存储几级低精度模型。这需要很好的优化，模型要渲染多少个面是动态决定的，看不见的、远的就可以节省算力，等于模型本身都在动态变化。总体效果就是场景画质很高，变化自然，实时流畅，达到了影视级的高质量画面。
影视级的高质量画面
虚幻5的另一个重要技术是关于光照的Lumen技术，让《黑神话》的光影效果很出色。Lumen应用了“动态全局光照”，对光照模型进行了大幅优化，漫反射效果好。还有虚幻引擎的粒子特效系统Nigara，火焰、刀光、能量波、落叶飞舞效果很好。这些技术的具体细节非常复杂，我们感受下效果就好。有兴趣的可以找深入的学习资料，本文主要是介绍技术脉络、整体认知。
使用Lumen动态全局光照，阴影区明暗变化丰富，区域中接收了漫反射光
游戏开发中3D建模、图形渲染、光照模型，是非常重要的前沿高科技领域。美国就是依靠计算机图形学、游戏开发等领域的领先，从上世纪90年代起，在电影特效应用上取得了巨大成功，让好莱坞的影响力传遍全球。之前各国都有一些优秀的电影，美国优势没那么大。
目前，3A游戏开发涉及的计算机图形学技术还在快速进步，与高性能GPU开发联动，是有战略意义的技术前沿。因此，中国需要支持高水平、高质量的游戏开发，拉动技术应用与原创技术研发。《黑神话》的爆火，对技术进步来说，也是很好的消息。
三．游戏开发团队
介绍了3D动作游戏开发相关的图形学知识，再介绍下游戏开发人员与团队。
要开发一个3D动作游戏，三类开发者是必需的，写程序的、搞策划的、做美术的。人员可以兼职，但是任务分工就是这样。另外还有音频相关的，游戏也需要测试。有些开发人员，是跨领域的，我们一个个来说。
3D游戏程序开发的任务有客户端程序、引擎程序、图形程序。客户端就是玩家面对的游戏界面，客户端程序员开发实现游戏玩法。引擎程序员，就是处理游戏引擎相关的程序代码的，高水平的能自己开发、修改引擎。图形程序员，就是写Shader、改渲染管线，加速图形渲染的。
客户端程序员又分多种，有网络方向、AI方向、game play方向、动画方向、物理方向等等。相关功能，大型游戏都可能需要。如果有后端服务器，也要开发后端程序。
《黑神话》中的游戏文案
游戏策划也分多种，如系统策划，负责炼丹、升级、道具这些系统的设计。关卡策划，要设计地图，给玩家过关设置重重挑战任务。数值策划，对游戏精微的战力、经济等数值体系进行设计，有时是游戏的核心机制。战斗策划，让打斗更加精彩。文案策划，输出文字让故事与角色生动起来。
有一种特殊的策划职位叫“技术策划”，要懂游戏开发技术，会用专业的数学建模与程序知识，参与策划工作，弥补其它策划的专业不足，提升策划质量。
美术对于游戏的成功非常重要，决定了游戏的艺术感档次，《黑神话》的美术风格得到了极高评价。
重要的美术职位有：原画，画出漂亮又艺术的角色、场景、物品，现在有AI帮助出图效率高多了；3D建模，需要用DCC软件对场景、物品、角色建模；动画师，设计过场动画、生产人物骨胳动画资产，如角色的漂亮动作是放动画师画的姿势动画，画30帧放出来90帧，多的是插值生成；地编，要编辑地图，将各类模型放入关卡策划设计的地图里；特效，设计各种精彩炫目的打斗、魔法特效。
还有一种职位叫“技术美术”，了解美术，又懂图形学，会编程写shader。例如会用图形学技术，将网络收集的美术素材做出美术效果。技术美术的美术能力也不弱，可能校招进来就培养职场级的原画能力，能生产商业美术资产，再加上技术能力，综合实力就强了。
音频方面，有负责艺术类音乐的，也有处理打斗、动作音效的。还有“技术音频”，将原始音频素材处理出效果，如空旷场景、密集场景各有不同音效。
另外非常重要的是，游戏要测试，测试工程师负责找出程序bug，最后让程序稳定运行。另外，还有负责“用户体验”的，是非常有水平的人。不是找bug，而是评价程序的用户感受，提出修改建议，提升游戏作品水平档次。
象《黑神话》这样的3A大作，上面的这些职位应该都有。一些人会身兼数职，几个领域都懂。
游戏公司还可以将一些任务分解外包，能有效降低开发成本。据说开发商游戏科学开发《黑神话》有133名正式员工，还有500人的外包团队。
土豪们！现在知道了吧，《黑神话》就是这样开发出来的，是不是不难？怎么样，来投钱开发一个吧？
家长们！不要只顾玩游戏，看看游戏开发有多少技术？来让小孩学学游戏开发基本知识。
少年们！不要只玩手游了，来玩下3A游戏大作，看看游戏是怎么开发出来的。想想自己能做什么，说不定，未来的游戏开发天才，就是你了！
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■ 作者简介
陈经
中国科学技术大学计算机科学学士，香港科技大学计算机科学硕士，科技与战略风云学会会员，《中国的官办经济》作者。
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