3D引擎是什么？

聽到“引擎”兩個字，你可能首先會想到汽車引擎，為汽車提供動力的核心部件。如果沒有引擎，汽車就只能是一個模型，它就無法跑起來。

3D模型也一樣，我們用3DMax軟件制作了一個非常逼真、精美的3D模型，還有光影和動畫效果，甚至每一根發(fā)絲都是那么真實(shí)，但它是“死”的，不能與人互動。

而3D引擎是讓模型“活”起來。假設(shè)我們把3D應(yīng)用或者3D游戲看作一輛正在奔跑的汽車，那3D引擎就是隱藏在內(nèi)部驅(qū)動它去運(yùn)行的底層技術(shù)。

這就是3D引擎的能力，它為3D模型賦予了“交互方法、物理定律、劇情腳本、AI智能”，讓開發(fā)者不需要編寫很多代碼，就能讓3D模型在“體”、“相”、“用”三方面逼近現(xiàn)實(shí)世界真實(shí)的人和物。

而且與汽車引擎不同，汽車沒引擎不能跑，3D應(yīng)用和游戲沒引擎也可以運(yùn)行，3D引擎更像“汽車工廠”，本質(zhì)上是一種開發(fā)游戲和應(yīng)用的軟件。

實(shí)時渲染與離線渲染

講到這里，需要給大家澄清一個概念，剛才說我們引擎是驅(qū)動3D應(yīng)用和3D游戲在不斷的運(yùn)行，那有伙伴問了：電影院里我們也經(jīng)?？吹揭恍?D渲染的非常精美畫面，那是不是也跟3D引擎有關(guān)系？

實(shí)際上電影畫面大多數(shù)都是離線渲染出來的，跟我們今天聊的3D引擎不是一回事兒，3D引擎的渲染方式是實(shí)時的。

那離線渲染引擎和實(shí)時渲染引擎有什么本質(zhì)上的區(qū)別呢？

實(shí)時渲染（Real-time Rendering）從字面的意思非常容易理解，就是我們要實(shí)時看到渲染之后的3D效果。

3D應(yīng)用和3D游戲這種必須要滿足與用戶之間強(qiáng)交互，比如最常見的3D游戲《英雄聯(lián)盟》，或者是一些帶有交互的3D應(yīng)用，比如智慧城市、智慧工廠等數(shù)字孿生項(xiàng)目，一般來說保證流暢運(yùn)行至少24FPS：只有達(dá)到或者超過1秒鐘播放24張連貫圖像，才能人眼觀看時沒有卡頓的感覺。

離線渲染（Offline Rendering）是跟實(shí)時渲染相對應(yīng)的，簡單來說就是我們不需要實(shí)時的看到渲染效果的場景。最早電影每幀都要花上幾天的時間來渲染，渲染完成后輸出的一個完整的電影視頻，給到院線去放映就可以了。

即使到今天硬件發(fā)展如此迅速，現(xiàn)在電影渲染依然是很慢的。比如電影《阿凡達(dá)》如果說在一個普通電腦上渲染，可能還要幾百年的時間，隨著云渲染技術(shù)的愈加成熟，直接在渲染農(nóng)場也能很快完成電影渲染任務(wù)。

3D引擎與集成電路很像，都是內(nèi)部復(fù)雜，使用起來反而沒那么復(fù)雜。下面這個架構(gòu)圖就是實(shí)時渲染的游戲引擎架構(gòu)示例，我們可以看到里面包括很多功能模塊，實(shí)時渲染是一部分，還有聲音模塊、渲染模塊、圖形系統(tǒng)、UI 系統(tǒng)和內(nèi)存管理。我們常用的數(shù)字孿生引擎里邊也有相應(yīng)的一些邏輯，比如數(shù)據(jù)儲戶、孿生體互相控制，還有物理仿真等等。

3D引擎的發(fā)展歷史

3D引擎的發(fā)展歷史是3D游戲行業(yè)發(fā)展史的縮影。其實(shí)在三十多年前，電子游戲出現(xiàn)的早期，沒有游戲引擎也能開發(fā)游戲，我們熟悉的瑪麗兄弟、魂斗羅，都是程序員用簡陋的代碼編輯器，從零開始一行一行寫代碼開發(fā)出來的。

在紅白機(jī)時代，游戲開發(fā)者如何既節(jié)省性能又增強(qiáng)游戲體驗(yàn)：

想必大家很熟悉超級馬里奧這款游戲，下方展示兩張圖，我們可以看到左側(cè)的畫面中天空有白云，地上有草叢。大家有沒有發(fā)現(xiàn)，白云和草叢長得很像，形狀完全一樣只是顏色發(fā)生了變化。

實(shí)際上，白云和草叢只用了一張圖，游戲開發(fā)者為了保持游戲的性能節(jié)約內(nèi)存，想盡各種辦法。再比如右側(cè)的怪物，它有一個不斷左右腳不斷向前踏步的動作，一會兒左邊腳大，一會兒右邊腳大，這樣來回翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)走動效果的。

那時，用戶的期望很低，游戲的玩法也是很簡單，所以允許使用這種作坊式的粗糙方法。后來游戲市場規(guī)模越來越大，用戶要求越來越高，游戲玩法也越來越復(fù)雜，這就導(dǎo)致游戲的代碼量變得非常巨大。

開發(fā)者們發(fā)現(xiàn)每次做游戲都一行行敲代碼很耗時費(fèi)力，所以能不能設(shè)計(jì)一套代碼庫？把最基礎(chǔ)、最常用的功能都封裝好，這樣下次做新游戲就不用重新寫代碼了。

一開始，這種想法只是在一些游戲公司中的一小部分程序員中做嘗試，程序員在開發(fā)某個功能時多留一個心眼，把未來可能重用的部分單獨(dú)剝離出來。這種嘗試就像荒野中微微閃現(xiàn)的星火，但這些零散的可重復(fù)利用的代碼塊還遠(yuǎn)遠(yuǎn)稱不上“引擎”。

終于，1993年一個改變時代的大神出現(xiàn)了，他就是約翰·卡馬克，ID Software的創(chuàng)始人。他設(shè)計(jì)了人類第一款3D引擎，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在短短幾年內(nèi)就創(chuàng)造了《DOOM》《德軍總部》《雷神之錘》《狂怒》等如雷貫耳的游戲大作。今天，卡馬克被譽(yù)為FPS之父、3D游戲之父。

卡馬克和其他程序員不同，他在動手開發(fā)游戲之前就先設(shè)計(jì)了一整套基礎(chǔ)代碼的框架和開發(fā)規(guī)范，并將所有的基礎(chǔ)代碼寫好，還留下了方便調(diào)用的接口，比如圖像渲染接口、3D加速接口、軌跡控制接口等，這樣其他程序員在開發(fā)游戲時就可以像拼樂高積木一樣，快速搭建出各種游戲應(yīng)用，也使得游戲的規(guī)劃更合理，功能更穩(wěn)定，并且游戲開發(fā)者只需要將精力聚焦游戲規(guī)則本身，提升了游戲開發(fā)效率。而這個基礎(chǔ)代碼庫就是最早的3D游戲引擎。

卡馬克開發(fā)的世界上第一款3D游戲《德軍總部3D》讓人們看到了一個全新的游戲世界、感受到極為震撼的游戲體驗(yàn)。這款游戲一出現(xiàn)，一下子引爆了大量的3D游戲需求。后來有一家叫“烏鴉”的游戲開發(fā)公司找到卡馬克，買下了這個游戲引擎的授權(quán)，于是烏鴉公司就用這款引擎快速開發(fā)了不少暢銷游戲。游戲行業(yè)就此誕生了一個新的細(xì)分市場：3D游戲引擎。

直到今天，3D引擎行業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，伴隨互聯(lián)網(wǎng)時代變遷、軟硬件技術(shù)更迭，行業(yè)本身出現(xiàn)了不同專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展方向，逐漸進(jìn)化出不同領(lǐng)域的專用引擎。

3D引擎賦能創(chuàng)新應(yīng)用

從2021年開始，元宇宙逐漸進(jìn)入人們的視野，將成為下一代互聯(lián)網(wǎng)的科技革命浪潮。而ChatGPT的爆火，讓元宇宙的熱度逐漸退去，人們開始冷靜下來思考，元宇宙概念變得更加真實(shí)，與之相關(guān)的數(shù)字孿生、XR等產(chǎn)業(yè)也展現(xiàn)出更為實(shí)用的商業(yè)價值。

元宇宙造就了一種全新的、身臨其境的數(shù)字世界，想要構(gòu)建一個與現(xiàn)實(shí)世界高度貼合甚至是超越現(xiàn)實(shí)世界的“元宇宙”，前提需要創(chuàng)造一個與現(xiàn)實(shí)世界1:1還原的虛擬世界，關(guān)鍵核心點(diǎn)則是數(shù)字孿生，而數(shù)字孿生也是構(gòu)建元宇宙的核心技術(shù)之一。

3D引擎所提供的渲染能力和實(shí)時交互是數(shù)字孿生所需的必要能力之一。開發(fā)數(shù)字孿生的引擎模擬現(xiàn)實(shí)世界自然法則越豐富越強(qiáng)大，就能越好地讓數(shù)字孿生體身上的信息發(fā)揮作用，數(shù)字孿生體被3D引擎驅(qū)動，就如同現(xiàn)實(shí)物體被自然法則驅(qū)動。

因此3D引擎能力決定著數(shù)字孿生技術(shù)的成熟度，也決定了元宇宙在虛實(shí)映射與虛實(shí)交互中所能支撐的完整性。

可以預(yù)見到，3D引擎將成為下一代互聯(lián)網(wǎng)的“CAD”。

如果說數(shù)字孿生開發(fā)離不開“3D引擎”

那該如何選擇最合適的3D引擎？

3D游戲引擎能否開發(fā)數(shù)字孿生？

B/S架構(gòu)和C/S架構(gòu)如何比較？

常見的WebGL與WebGPU又有什么關(guān)系?

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下一期我們再為大家詳細(xì)講解。

審核編輯黃宇