電子游戲本就是元宇宙的雛形，因此，電子游戲技術(shù)中的游戲引擎、3D圖像渲染、云游戲等也為元宇宙的內(nèi)容制作提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

一、游戲引擎

1.游戲開發(fā)的利器

自從電子游戲在20世紀(jì)六七十年代出現(xiàn)以來(lái)，就深受人們的喜愛。龐大的市場(chǎng)和持久強(qiáng)勁的消費(fèi)需求為游戲廠商帶來(lái)巨額利潤(rùn)。知名游戲《王者榮耀》單在2020年就為騰訊在全球吸金23.5億美元。每天都有大量的游戲從工作室走向市場(chǎng)。游戲市場(chǎng)的空前繁榮，游戲玩家對(duì)游戲的規(guī)模、游戲畫面的質(zhì)量、游戲設(shè)計(jì)的難度等需求日益提升。在市場(chǎng)的推動(dòng)下，產(chǎn)生了游戲引擎這個(gè)游戲開發(fā)的核心工具，它為游戲行業(yè)的繁榮產(chǎn)生了巨大作用。

游戲開發(fā)的過(guò)程大致就是開發(fā)人員在計(jì)算機(jī)、音響、顯示器等硬件設(shè)備上，基于程序開發(fā)環(huán)境，利用開發(fā)工具，按照游戲故事線設(shè)計(jì)游戲項(xiàng)目，并將游戲場(chǎng)景與真實(shí)世界融合展示給玩家。在電子游戲開發(fā)的早期，由于設(shè)備和環(huán)境的限制，游戲需要的各種程序功能只能由游戲開發(fā)團(tuán)隊(duì)自己開發(fā)。而隨著游戲規(guī)模越來(lái)越大、游戲設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，中小型游戲開發(fā)商很難通過(guò)人工的方式快速完成游戲開發(fā)。隨后出現(xiàn)了游戲開發(fā)的中間件，即擅長(zhǎng)特定領(lǐng)域的開發(fā)者們提供了一種能夠跨機(jī)通用的簡(jiǎn)單便捷的工具程序，以實(shí)現(xiàn)游戲所需特定機(jī)能，例如3D建模，紋理或聲音的數(shù)據(jù)制作等。當(dāng)這些零散的部分功能匯聚成一條“游戲開發(fā)內(nèi)容生產(chǎn)線”的時(shí)候，游戲引擎應(yīng)運(yùn)而生。

游戲引擎是指一些已編寫好的可編輯計(jì)算機(jī)游戲系統(tǒng)，或者一些互交式實(shí)時(shí)圖像應(yīng)用程序的核心組件，供開發(fā)人員高效、便捷地設(shè)計(jì)和編寫游戲程序需要實(shí)現(xiàn)的功能。游戲引擎將游戲中的所有元素有序地組織在一起，讓游戲設(shè)計(jì)者能夠高效快速地設(shè)計(jì)出游戲程序，而不是從零開始。游戲引擎由硬件管理、開發(fā)環(huán)境、場(chǎng)景構(gòu)建及游戲設(shè)計(jì)等部分構(gòu)成。

游戲引擎的構(gòu)成

硬件和開發(fā)部分偏向后端管理，即主要負(fù)責(zé)游戲引擎的硬件資源的管理與使用以及為開發(fā)人員使用引擎、靈活裝配功能組件提供支持。游戲設(shè)計(jì)主要是通過(guò)數(shù)學(xué)庫(kù)與人工智能對(duì)游戲的邏輯、關(guān)卡進(jìn)行趣味性設(shè)計(jì)。游戲引擎最核心的部分主要是場(chǎng)景構(gòu)建中的渲染引擎和物理引擎。

渲染引擎通過(guò)光照、陰影、動(dòng)畫、粒子特效等子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光影的投射與反射等光學(xué)效果，是游戲體現(xiàn)真實(shí)感、交互性的關(guān)鍵組成。例如在模型動(dòng)畫系統(tǒng)中，渲染引擎通過(guò)預(yù)先植入的設(shè)計(jì)代碼，在模型基礎(chǔ)變形的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)人物或動(dòng)物活動(dòng)的自由操控，或者對(duì)極具特征性的事物進(jìn)行渲染，比如頭發(fā)和毛皮。由于頭發(fā)和毛皮具有一定特征的彩色發(fā)絲構(gòu)成的復(fù)雜有機(jī)結(jié)構(gòu)，本身?yè)碛歇?dú)特的半透明與反光屬性，還會(huì)對(duì)重力或風(fēng)吹等外力產(chǎn)生反應(yīng)，且數(shù)量較多，所以生成逼真的圖像是普通的計(jì)算機(jī)設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)的，必須利用高性能的渲染工具。在3D模型制作完成后，渲染引擎根據(jù)游戲的需要，將動(dòng)畫、光影、聲音、特效等融為一體，并根據(jù)后臺(tái)編寫的代碼將所有的效果渲染到游戲中，產(chǎn)生最終輸出的畫面質(zhì)量。

頭發(fā)渲染示例

物理引擎是遵循現(xiàn)實(shí)物理規(guī)律對(duì)虛擬世界環(huán)境的真實(shí)模擬，以提高游戲的逼真效果，包括碰撞檢測(cè)系統(tǒng)、物理模擬系統(tǒng)等。碰撞檢測(cè)系統(tǒng)，主要用來(lái)合理描繪虛擬世界中模型與模型之間的物理關(guān)系，以提高場(chǎng)景的交互真實(shí)感。例如，人物在開車時(shí)遇到障礙物會(huì)產(chǎn)生“翻車”等，為凸顯游戲的逼真性，碰撞檢測(cè)系統(tǒng)需要通過(guò)對(duì)游戲中各項(xiàng)虛擬物體模型邊緣的探測(cè)，從而產(chǎn)生逼真的觸感與物理反應(yīng)。物理模擬部分，包括重力、剛性物理、柔性物理等，進(jìn)一步豐富了虛擬場(chǎng)景對(duì)運(yùn)動(dòng)中的真實(shí)世界的模擬。

2.元宇宙的創(chuàng)作工具

因?yàn)橛螒蛞娴拇嬖?，曾?jīng)專業(yè)的游戲制作環(huán)節(jié)逐漸工具化、可操作化，讓游戲的創(chuàng)作變得更加簡(jiǎn)便高效。這也就意味著，在元宇宙中普通人都有機(jī)會(huì)利用相關(guān)的軟件或工具，構(gòu)建出自己心中的虛擬世界。

從當(dāng)前游戲引擎的現(xiàn)狀來(lái)看，游戲引擎技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)十分成熟。目前無(wú)論是主機(jī)游戲、PC端游戲還是移動(dòng)端游戲都離開游戲引擎的開發(fā)。游戲引擎也出于其強(qiáng)大的建模及渲染能力，從游戲行業(yè)中走出，拓展到影視制作、工業(yè)設(shè)計(jì)等多市場(chǎng)領(lǐng)域。供給側(cè)方面，全球涌現(xiàn)出大量?jī)?yōu)秀的游戲引擎，例如虛幻引擎(Unreal Engine)、Unity、寒霜引擎(Frostbite Engine)、尖叫引擎(Cry-Engine)、起源(Source)、IW Engine等。其中比較受歡迎且如雷貫耳的游戲引擎當(dāng)屬虛幻引擎和Unity了。

以Unity為例，Unity是由Unity Technologies公司開發(fā)的一個(gè)讓玩家能夠輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化視頻、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，《王者榮耀》、《使命召喚國(guó)服手游》、《爐石傳說(shuō)》、《神廟逃亡》等一些廣為人知的游戲就是Unity開發(fā)的。

Unity Technologies公司成立于2004年，其前身是一家名為Over the Edge Entertainment(OTEE)的游戲公司。雖然OTEE沒有推出拿得出手的游戲作品，但是多款游戲的打磨為OTEE積攢了大量的游戲技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)并促使其進(jìn)行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。更名為Unity后，Unity Technologies開發(fā)了適用于Mac OS X操作系統(tǒng)的應(yīng)用，并獲得一致好評(píng)。隨后，Unity成功覆蓋PC、手機(jī)、主機(jī)等幾乎所有的端口。Unity始終貫徹開發(fā)大眾化原則，將最有效率的開發(fā)工具提供給游戲開發(fā)者，及時(shí)解決開發(fā)中遇到的困難。截至2020年6月30日，Unity在全球超過(guò)190個(gè)國(guó)家和地區(qū)擁有每月約150萬(wàn)活躍用戶。2019年，這些開發(fā)者開發(fā)的應(yīng)用程序在超過(guò)15億臺(tái)獨(dú)立設(shè)備上每月被下載超過(guò)30億次。在中國(guó)市場(chǎng)，超過(guò)70%的手游都使用Unity開發(fā)。

2020年，Unity成功在紐交所順利上市，Unity開盤價(jià)為75美元，較發(fā)行價(jià)漲44.2%，市值一度超200億美元，收盤后Unity股價(jià)為68.35美元，較發(fā)行價(jià)上漲31.44%，市值為180億美元。Unity也不再將其自身定位于游戲引擎，而是創(chuàng)建和操作交互式實(shí)時(shí)3D內(nèi)容的平臺(tái)，包括VR/AR的內(nèi)容實(shí)時(shí)創(chuàng)作等，應(yīng)用于包括游戲、3D藝術(shù)、建筑、汽車工業(yè)、電影制作等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。例如，Unity在2021年1月正式發(fā)布了一部具有中國(guó)傳統(tǒng)美學(xué)元素的講述愛與成長(zhǎng)的溫情動(dòng)畫短片Windup，該短片攬獲19項(xiàng)全球級(jí)別的電影節(jié)提名、斬獲5個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，并且正式獲得2021年奧斯卡參選資格。該動(dòng)畫短片最大的亮點(diǎn)在于整部影片都是實(shí)時(shí)渲染的，單幀渲染時(shí)間小于33毫秒，相比于傳統(tǒng)的動(dòng)畫電影要快幾百萬(wàn)倍。與此同時(shí)，實(shí)時(shí)渲染的所見即所得功能，能夠使動(dòng)畫團(tuán)隊(duì)在制作的過(guò)程之中一旦發(fā)現(xiàn)問題，就可以立即修復(fù)、實(shí)時(shí)調(diào)整，在不同部門的協(xié)同努力下高效完成制作。Unity這種高效且協(xié)作性較強(qiáng)的虛擬內(nèi)容制作軟件或平臺(tái)是元宇宙建設(shè)必不可少的工具。

Unity利用實(shí)時(shí)渲染技術(shù)制作的動(dòng)畫短片Windup

二、云游戲與觸手可及的元宇宙

未來(lái)的元宇宙一定不是少數(shù)人的狂歡，而是一個(gè)任何人都能夠輕松進(jìn)入的虛擬世界。這就必然面臨著一個(gè)問題，那就是進(jìn)入信息量超載的虛擬空間并在其中建設(shè)、創(chuàng)造、社交、玩樂，這對(duì)用戶的硬件設(shè)備的要求極高。而這勢(shì)必會(huì)將一大部分用戶擋在元宇宙的大門之外。隨著5G和云計(jì)算技術(shù)的成熟及廣泛應(yīng)用，云游戲正在成為游戲行業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于元宇宙而言，也是極為有益的探索與嘗試。

所謂云游戲是指以云計(jì)算為基礎(chǔ)的游戲方式，在云游戲的運(yùn)行模式下，所有游戲的計(jì)算和渲染都在服務(wù)器端運(yùn)行，并將渲染完畢后的游戲畫面壓縮后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給用戶。而在傳統(tǒng)游戲模式下，游戲在本地計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，對(duì)于以高成本、高體量、高質(zhì)量為特征的“3A 游戲大作”來(lái)說(shuō)，往往需要較高的硬件配置才能匹配游戲精良的畫質(zhì)和復(fù)雜的動(dòng)作設(shè)計(jì)。云游戲則將內(nèi)容的存儲(chǔ)、計(jì)算和渲染都轉(zhuǎn)移到云端，所有游戲邏輯和渲染完畢后的游戲畫面將被壓縮，再通過(guò)解碼形成實(shí)時(shí)的游戲畫面串流到終端進(jìn)行顯示，最終呈現(xiàn)到玩家眼中。游戲的運(yùn)行并不是在玩家自己的設(shè)備上而是在遠(yuǎn)程服務(wù)器上運(yùn)行，相當(dāng)于萬(wàn)千玩家共同集資購(gòu)買了一個(gè)性能超級(jí)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，然后共享使用。因此，只要有暢通的網(wǎng)絡(luò)，用戶就可以不用購(gòu)買高端游戲硬件配置，也可體驗(yàn)精彩的游戲效果，從而讓更多的玩家可以進(jìn)入精彩絕倫的游戲世界。推此及彼，元宇宙也是同樣的道理。

云游戲與本地游戲的區(qū)別

云游戲成為未來(lái)游戲發(fā)展趨勢(shì)之一，不僅在于玩家的可接入性變強(qiáng)，也在于人們生活習(xí)慣的改變。隨著智能手機(jī)性能的不斷提高、生活節(jié)奏加、日常時(shí)間碎片化，人們對(duì)于移動(dòng)型游戲設(shè)備更加青睞，移動(dòng)端游戲?yàn)樵朴螒蚴袌?chǎng)提供了足量的釋放空間。根據(jù)國(guó)外研究機(jī)構(gòu)Newzoo發(fā)布的《2021年全球云游戲市場(chǎng)報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，至2021年底，云游戲服務(wù)付費(fèi)用戶總數(shù)將達(dá)到2370萬(wàn)，而到2024年這個(gè)數(shù)量將增至6070萬(wàn)。其對(duì)云游戲服務(wù)的支出消費(fèi)在2021年大約為16億美元，將增長(zhǎng)至2024年底的65億美元。

從市場(chǎng)角度來(lái)看，云游戲的崛起是游戲市場(chǎng)的一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。云游戲平臺(tái)的搭建需要龐大的資金與技術(shù)支持，吸引了微軟、谷歌、騰訊、英偉達(dá)等科技巨頭的參與，也迎來(lái)了移動(dòng)、聯(lián)通等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)商的加入。例如英偉達(dá)不僅是領(lǐng)先的計(jì)算機(jī)圖形圖像及半導(dǎo)體公司，也是領(lǐng)跑全球市場(chǎng)的幾大云游戲公司，旗下的云服務(wù)GeForce NOW深受用戶喜愛。據(jù)稱英偉達(dá)出下一代云游戲平臺(tái)GeForce Priority在PC或 Mac計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行速度高達(dá) 120 FPS，能夠給玩家?guī)?lái)更好的游戲體驗(yàn)。

英偉達(dá)GeForce NOW云游戲平臺(tái)

實(shí)際上，一些玩家實(shí)際體驗(yàn)云游戲之后，認(rèn)為云端運(yùn)算的延遲永遠(yuǎn)不可能優(yōu)于本地運(yùn)算，短期內(nèi)云游戲想成為游戲主流依舊困難。網(wǎng)絡(luò)延遲、外設(shè)適配、解碼能力、卡頓頻繁、費(fèi)用模式上等依舊是待解決的問題。當(dāng)云游戲的這些問題能夠迎刃而解，那么元宇宙也就觸手可及了。

本文截取自《認(rèn)識(shí)元宇宙——源起、現(xiàn)狀、未來(lái)》

作者：唐江山

出版社：機(jī)械工業(yè)出版社