【GAD翻译馆】简述图形学：现代图形技术在电子游戏中的应用
翻译：赵菁菁（轩语轩缘）审校：李笑达（DDBC4747）
简介
嗨，我是baldurk。我已经做了几年的图形程序员，所以虽然我不是一名专家，但我想我对图形工作有一点了解。
我想写这一系列的文章已经有一段时间了，而且我最近重读了一篇有趣的文章，这篇文章详细分析了新的Deus Ex.
我认为图形——尤其以现代游戏的复杂程度——是一个有趣的话题。很少有人会真正深入了解所有错综复杂的东西，但我认为有很多话题可以令所有人都提起兴趣。我想大多数玩过游戏的人都会对游戏效果是如何实现的感到好奇，或者玩家看到一个新的图形游戏，在游戏中，他们被掀翻在地，玩家会想要知道是什么技术把这些东西组合在一起。
即使是制作一个简单的3D游戏，也有很多事情要做，更不用说像看门狗一样的游戏了。
我对于在这个系列中要介绍什么还没有明确的想法，但也可能取决于哪些内容激起了大家的兴趣。但是，我主要的思想是列出现代游戏中发生的事情，不遗漏任何一件——我不会强求大家掌握任何数学或编程知识。如果你知道CPU和显卡的区别，你知道内存和硬盘不一样，那就足够了，我会基于此解释其他的东西。
这些文章会按照看门狗的Chip &Ironicus's Let's Play为我本人提供一个小的结构参考。看门狗一款以图形著称的游戏（好坏仁者见仁智者见智），其中有很多我们可以研究的具体例子。如果有特殊的需求，我可以谈论其他游戏。
我将从游戏之间类似的基本内容开始，但我也会涉及一些看门狗的技巧和视觉效果。
我将会使用一个我在空闲时间里编写的工具，叫RenderDoc，是用于调试图形问题的——帮助你解构图形帧，让我们看看这是怎么做的。
这个动画显示了随着时间的推移建立起来的一部分帧，同时显卡绘制了每个部分。
大多数人已经知道计算机图形（和其他任何视频）都是由一系列静止的帧组成的，每秒钟显示一部分。电影一直是每秒24帧（FPS），电视也差不多，24-30帧每秒。对于游戏，FPS是可变的，因为每个帧都要做很多工作。降到30 FPS以下是不可取的，尽管经常发生这种情况。60 FPS往往是控制台游戏的上限，游戏采用30 FPS还是60 FPS取决于他们的目标。在PC上，如果你有更高的速率显示，你可以选择90, 120 FPS或以上。选择这些特定的数字的原因与垂直同步相关，这一点我们之后会解释。
从我们的角度来看，我们需要彻底搞清楚问题的本质，而不是看FPS有多高，我们看一帧的时间是多么短。如果我们想以30 FPS的速度运行，我们需要在33毫秒内就完成帧所需的一切，60 FPS减半，大约17毫秒。即使对于一台计算机来说，也需要考虑到许多要发生的事情。从理论上讲，保守计算表明子弹每毫秒大约要飞行1米。
我们会主要讨论PC机，因为平台是公开的，我不能谈论细节而不顾及到破坏控制台NDA。在大多数情况下，我不会谈论任何在控制台上不同的东西——如果我这样做的话，我可能会把它喊出来。至于移动平台，PC机/控制台硬件和移动硬件之间的大部分差异超出了本系列讨论的范围。
老实说，这张照片只是在这里看起来有光泽，所以这一张图不能说明问题。
这是我们感兴趣的任务——我们不必担心让人工智能做所有的计算，或者做物理模拟来计算物体移动到哪里。你称之为“图形设计”的边界有点模糊，但我要作出区分，图形编程开始于你拥有做一个帧所需的全部信息时：你知道要发生什么事情，你在内存里有纹理和模型（而不是在磁盘上），动画已经“动”了，物理已完成了，我们现在已经得出将最终显示的帧。
边注：我将专注于一个3D游戏，带有相当传统的、像看门狗一样的渲染——许多适用于2D游戏的核心原则，但阐明概念对我来讲有点困难。另附免责声明：特别是对任何其他图形程序员，我的目的是让大家理解，所以我可能会进行一些非常没有把握的解释，大家明白就好不必较真！
所以如果要学习（粗略地说）这是如何完成的，我们需要关心引起你兴趣的东西，那么这些文章可能正适合你！如果你有任何反馈、要求进一步解释，或者如果你认为有什么特别是你想让我看看的，可以通过Twitter或电子邮件联系我。
帧的组成
在这一部分，和大部分情况一样，我们只看一个帧，并讨论游戏用来创建最终帧的构建块。此外，还有几张新的、光鲜的照片。
有一种方法是用较小的构建块建造帧。你看到的最终图像并不是立刻绘制出来的。很多年前是这样做的，但是现代图形引擎几乎都会做一些早期的处理。图形引擎将绘制许多不同类型的中间图像，帮助它计算最终图像，最后再将屏幕上的帧分层。
这些不同引擎绘制出的图像有很大的不同，这取决于图形程序员完成的技术。例如，她想确保阳光投射出适当的阴影——这需要一种阴影的图像。在其他地方，她可能想对运动员驾驶的汽车生成适当的反射，这又会需要另一个反射图像。
在构建我们的看门狗帧时使用的一些中间图像。
在这一系列中，我不一定要涵盖所有在看门狗帧中使用的图像，但我会提及主要的、有借鉴意义的内容。这正是图形研究和新技术不断发展的领域。创新的、崭新的工作在更细粒度的水平上进行，但当你听到营销号谈论一些伟大的新功能时——这些领域通常是他们会谈论的事情。
在这些中间图像中，每一个都是由更小的部分组成的。场景中的每个对象，或者可能是一组相关对象，将分别作为纹理模型进行构建。在构建游戏时，有一些艺术家在3D建模软件包中构建这些模型，并创建所需的全部资源。然后将这些模型放到一个关卡编辑器中，慢慢建立虚拟城市。
这是个常识，尤其是如果你见识过实时3D图形从20年前的幼年期成长起来的话，你就会知道今天的模型有多么复杂。事实上，早期图形的纹理是昂贵的，我们都尽可能地跳过，只填充对象上的简单颜色。只有对于像眼睛或面部这种非常需要细节的对象，才保留纹理。
三维模型完全由构成物体形状的互锁三角形构成。每个三角形有三个点，称为顶点——由于三角形互锁，顶点在几个三角形之间共享。稍后我们会回到这里，因为顶点和三角形非常重要。同样值得一提的是，一些像人物或树这样的对象在绘制之前会被动画化。该模型是在默认的静态形状中创建的，每个帧都应用了动画——我们将再次回到这个场景中。
这是艾登·皮尔斯的头部的三维模型，经过动画的。三角形是可见的，因为它们是平的，而不是像一般的那样进行视觉上的平滑。
为了更详细地介绍3D模型，应用了纹理，纹理只是普通的平面图像文件，通常是正方形的，或者像2:1这样简单尺寸的矩形。纹理通过一个更复杂的过程应用到3D模型中，我可以更详细地讨论纹理，但从概念上，它非常像仔细包装的礼物，而不是一个简单的重复包装纸模式，图像包装是精确的。如果你看过在平面中见过构建、粘合在一起的“纸工艺”（papercraft）模型，这是同样的原理。
这个比喻其实比你想象的更容易，因为这些纹理通常是首先通过把三维模型“解包”成一个平的蓝图，就像“纸工艺”模型压平了一样，然后画上纹理。这种解包通常是自动完成的，但对于特别复杂的物体，可能是手工完成的。
这是对应于上述模型的艾登·皮尔斯的头部纹理。底部部件用于牙齿和舌头。注意上面没有额·头纹理，因为额头总是会被艾登·皮尔斯标志性的帽子™盖住。
边注：解包有时会放大真正需要更多细节的部分，缩小其他不需要的部分。
谈论不同模型的“皮肤”很常见，尤其是在可定制的人物方面。最近一段时间，甚至所谓的皮肤有时也会涉及到一些小的模型变化——皮带变了或者帽子换了——但这个词最初来自于将要使用的完全相同的模型，但纹理（或皮肤）将被改变，以产生一个不同外观的人物。即使是现在，NPC或物体在这些纹理方面可以产生很多的变化，又节省了大量创建独特3D模型的时间和成本。艾登可以穿的不同服装多半只是同一模型上的不同纹理。
下面是只使用纹理的3D模型头部的简单旋转，没有别的东西。
在我们所观察的帧中，主渲染部分绘制了大约1700个对象。其中一些是相同的模型——像盆栽或垃圾箱都不是特别绘制的，但相同的模型或少数模型会被放置在几个区域。但是，绘制完整帧需要大概接近于4700个对象——大家这样就了解了需要做多少额外的工作，不仅仅是绘制所有的模型。
让我们看看另一个对象的例子，艾登戴的帽子。
这是纹理和带有纹理的帽子模型。大家可以看到纹理是在不同的部分上建立的，这些纹理最终都会聚集在模型上。
边注：帽檐和帽子的主体在质地上根本没什么关系。这是因为包装可能相当复杂，如果必要的话，包装可以发生在几个不同的部分。想要不留下任何可见问题或接缝地绘制一个古怪形状的纹理，有时需要大量的技巧。
由艾登的头部引出的想法同样适用于帽子。事实上，除了计算和解包中涉及到的具体纹理和数字外，工作方式完全相同。
为了展示在开发过程中可能出现的错误，也可以用图形编程来展示那种乐趣，我们可以做一个小实验。由于大多数的纹理是一个标准的平方大小，因为我们包装和把纹理解包到模型的方法也是一样的，如果我们改变一点会怎么样？如果我们把艾登的头纹理放到帽子模型上会发生什么？
艾登·皮尔斯的Not So Iconic帽子（商标申请）。
头部的纹理有耳朵和牙齿，这些纹理贴到了他的帽子上。帽子的边缘是帽状结构，头部的纹理只是一些头发。贴图应用相同，但使用了错误的纹理。这个例子当然是一个错误，但是如果你能够使纹理动画化或闪烁——游戏使用这些技巧为对象创建几种不同效果，大家都能看得到的那种效果，想想你能做什么。特别是《黑道圣徒4》使用了大量的“模拟”特效。
仔细想想这一点也很有用——游戏在每一个点上都仔细地将正确的模型和正确的纹理配对，这就意味着大多数独特的模型都会有自己独特的纹理来匹配。
当然，这不是一个绝对的规则——在某些情况下，为了节省一些空间，纹理可能是一个通用的平铺模式，可以在许多对象上使用。或者，一系列相关的对象——比如报纸摊，每张报纸都只用一小部分纹理，所有的报纸封面都共享这一块纹理。
尽管如此，这意味着如果你希望能够绘制许多图像来建立你的最终帧，你必须把所有所需的构建块放在一起，这会添加许多需要的模型和纹理。在下一篇文章中，我们要看看为什么有些像反射之类的东西是很难做到的，游戏中的一些技巧可以帮助节省一些时间和资源。
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