第六章游戏设计技术ppt课件.ppt

数字媒体技术导论 第6章数字媒体与游戏 内容概要 6 1游戏概述6 1 1游戏概念6 1 2游戏特点6 1 3游戏分类6 1 4游戏市场需求6 2游戏设计基本原理6 2 2游戏设计文档6 2 3游戏创意设计6 2 4游戏开发流程6 3游戏设计相关技术6 3 1DirectX6 3 2OpenGL6 3 3游戏编程语言简介6 3 4游戏引擎简介 6 1游戏概述 游戏的概念荷兰学者胡伊青加对游戏的描述性定义是 游戏是一种自愿的活动或消遣 这种活动或消遣是在某一固定的时空范围内进行的 其规则是游戏者自由接受的 但又有绝对的约束力 游戏以自身为目的而又伴有一种紧张 愉快的情感以及对它 不同于日常生活 的意识 游戏特点虚拟特征学习特征社会特征 游戏的类型 1 角色扮演型游戏 2 益智游戏 3 视频游戏 4 模拟游戏 5 策略类游戏 6 动作过关类游戏 7 射击类游戏 8 冒险类游戏 角色扮演游戏 轩辕剑系列 魔界 策略游戏 模拟游戏 动作游戏 战栗时空 毁灭战士 运动游戏 游戏的市场与需求 2004年是游戏业极具里程碑意义的一年 游戏业真正完成了从地下产业至阳光行业的转换过程并得到了社会的重视2005年 网络游戏的产业规模和市场潜力将得到进一步的激发据预测 2007年将是国产网络游戏的大作之年 中国大陆游戏市场年平均增长率为62 国内所需技术人员至少2万名 人才的缺口已经在1 5万人以上 网络游戏人才奇缺的问题亟待解决 我国游戏产业发展的背景 游戏产业的飞速发展2005年1月召开了第一届中国游戏产业年会2006年1月第二届游戏产业年会游戏产业GDP2003年是13 2亿元 2004年已经达到58亿国家对交互式数字娱乐业的逐步重视863设立游戏开发引擎的专项资助信息产业部设立了游戏开发平台的重点招标项目相关课程 计算机游戏程序设计 陈天桥 盛大网络发展有限公司 董事长兼CEO TheLegendofMir 韩国唯美德娱乐有限公司WEMADE 朱骏 第九城市董事长兼CEO 暴雪自1994年以来推出了三个系列三个系列的七款游戏 魔兽争霸1994魔兽争霸1995魔兽争霸 2002魔兽争霸 2004魔兽世界暗黑破坏神1996暗黑破坏神2000暗黑破坏神II星际争霸1998星际争霸 游戏产业分化 技术领域图像处理图形绘制三维动画交互技术音频编程网络人工智能软件工程 艺术领域原型设计动画设计仿真材质游戏剧情游戏美术原声音乐 游戏产业的发展瓶颈 一是人才缺乏 特别是水平高 经验丰富的中高级开发人才严重短缺 二是游戏引擎技术落后 品种少 功能弱 严重影响游戏的开发水平 三是具有自主知识产权的高质量的民族网络游戏作品数量少 自主研发与引进产品结构失衡 产业链不合理 四是引进的游戏占据市场主导地位 不利于中华民族文化的传播 也不利于满足广大消费者特别是未成年人的精神需求和健康成长 五是许多中国企业代理境外游戏作品但不掌握核心技术 导致自身的合法权益难以保障 使非法网络游戏出版活动有机可乘 游戏产业的人才需求 高薪难聘游戏人才月薪8000元难招高人游戏软件开发人才奇缺大专院校开设的游戏软件开发相关专业较少 培训方法不得当 大部分设计人员是根据自己的经验摸索 很难达到较高水平 由于游戏是一种集剧情故事 美术 音乐 动画 程序等技术为一体的复合艺术 所以一名游戏从业人员必须兼具软件行业专家和艺术家的创造力 而当前符合这一要求的人才却是少之又少 因而专家呼吁 培养游戏软件专业人才已成为当务之急 游戏产业的需求预测我国现有网游玩家3000万 而全国包括美编在内的专业网络游戏技术人员只有不到3000人 统计下来 目前国内专业网游人才的缺口高达60万名 游戏开发人才培训的现状 中国游戏产业的超高速增长让人们对游戏产业的价值刮目相看时 却突然发现中国根本没有正规的游戏教育 游戏企业不得不沿用师傅带徒弟的育才模式 使得游戏人才培养的效率很低 并缺乏系统性 游戏学院的培养模式 UbisoftCampus培养模式等游戏程序设计的从业门槛并不高 经过一定的专业领域知识培训 有一到两年编程经验的程序员都可以胜任计算机游戏编程 大多数程序员并没有投身到游戏开发这一领域中来觉得游戏开发是个神秘领域 对游戏开发的专业领域知识不甚了解而感觉自己无法胜任 2020 3 8 22 行业发展催生新岗位 行业变化可为职场人带来新的发展机遇 因IT业技术更新换代快 市场竞争激烈 故不断为业内人士创造了新的发展空间 3G 芯片 互联网 游戏等已成为近两年IT职场上的关键词 蕴藏者大量的职场机会 此外 新的商业模式也会引发新的工作岗位产生 但因人才短缺 这些岗位也成为高薪聚集地 目前游戏产业人才缺口高达60万 一名游戏公司市场经理的年薪已达到26万 而一名优秀的游戏设计师的年薪在30万元左右 在今后几年内 网络安全人才 游戏人才 软件测试工程师 研究人员的需求将持续旺盛 就拿网络游戏人才来说 最为缺乏的游戏设计 开发与编程人员 只要具备2年以上相关工作经验 掌握C或C 编程 熟悉Win32 VC 开发平台或Lunix Unix开发平台 熟悉TCP IP Socket编程或MySQL Oracle数据库 有良好的面向对象设计 分析能力 规范的编程风格 有个人作品和良好英文技术资料阅读能力者优先 这类人员月薪一般都有万元以上 属于 金领 一族 此外 游戏策划人员 美工等也是热销的职位 有经验的策划人月薪也能达到上万元 而资深的美工如果设计的速度和质量俱佳 最高月薪能达到2 3万元 而一般美工月薪维持在4000 5000元 九十年代后的主流游戏设备 索尼SonyPlayStation PlayStation2 PlayStation3PSP任天堂NintendoN64 GameCube WiiGB GBA NDS微软MicrosoftXbox Xbox360 游戏时代催生的次世代主机 手持游戏机 掌机 6 2游戏设计理论与开发过程 人员组织 团队 制作人 项目管理人员游戏策划师 关卡设计师软件工程师美术设计师动画设计师音效设计师数据管理员游戏测试员 游戏引擎系统 导入导出工具游戏编辑器数据转换打包工具引擎版本制作工具辅助工具 游戏编辑器 一 功能 数字资产导入导出组合各种数字资产 Asset 建设一个虚拟场景简单结构和模型创建空间结构的划分角色AI脚本编写场景 资产 对象等属性编辑关卡逻辑设定特效编辑 游戏编辑器 二 子编辑器 关卡编辑器角色及动画编辑器场景管理器特效编辑器贴图编辑器声音编辑器等等 开发一款游戏要做的需求分析 创造一个美丽的静态世界我的世界需要勃勃生机我讨厌无声的世界我要和虚拟朋友们玩耍争斗如何玩 如何赢 如何输 我要逼真的交互性我要酷酷绚绚的效果我想和朋友们一起玩我没有钱 不能买最新的硬件 创造一个美丽的静态世界 渲染引擎 能读入并显示在建模软件里设计的场景模型能支持室外及其室内场景渲染能实现逼真的光影效果能实现各种贴图效果能模拟真实的环境渲染效果 我的世界需要勃勃生机 动画引擎 能读入动画软件里设计的动画数据实现顶点动画实现骨骼动画支持动画混合实现面部表情动画 FacialAnimation 变形动画 MorphingAnimation 我讨厌无声的世界 声音引擎 实现3D音效回放实现流音乐 多轨混合实现多层音效支持数字环绕 混响效果支持声音控制效果 Doppler Fade in Fade out CrossFade Random 我要和虚拟朋友们玩耍争斗 AI引擎 实现通用智能 RayCasting PathFinding 实现个体智能实现个体Behavior 如何玩 如何赢 如何输 游戏逻辑编写 相对比较枯燥的代码根据游戏类型不同而不同还包含用户界面 菜单 抬头显视设备等 我要逼真的交互性 物理引擎 近年来兴起的技术 PPU实现基于立方体 球体 胶囊体和三角形面的碰撞检测支持刚体力学支持基本流体力学实现人偶格斗实现车辆系统 我要酷酷绚绚的效果 特效引擎 包括显示特效和物理特效支持粒子系统支持全屏特效其他 Lensflare bullettrail Glow 等 我想和朋友们一起玩 网络引擎Replication预测模拟NAT处理游戏大厅MMOG服务器 动态负载均衡 按需服务 我没有钱 不能买最新的硬件 优化游戏开发永恒不变的主题内存优化 时间优化 数据量优化各个模块都需要优化需要设计一套性能记录和调试的系统减面 优化建模 空间分割 场景管理 裁剪 层次细节 虚函数层次优化 多核多线程并行运算 数据压缩 等等 游戏开发的发展趋势 下一代游戏复杂度急剧增加开发往中国及其他低成本国家转移硬件上从单核往多核过渡 并行算法需要发展PPU PhysicsProcessingUnit物理运算处理器 诞生游戏引擎规模越来越巨大 朝组件化方向发展 游戏引擎的组件化发展 渲染及动画引擎或全功能引擎系统 Unreal Renderware Gamebryo Granny3D OGRE 声音 Miles FMod OpenAL物理 Havok NovodeX ODE MathEngine网络 RakNet GameSpy AI PathEngineVideo回放 Bink用户界面 GFC底层架构 Rapid Boost stlport zlib 成为游戏开发者的条件 C Script语言 RAD语言 rapidapplicationdevelop快速应用开发 算法 数据结构 计算机图形学 操作系统 编译原理 网络原理 人工智能 数学 物理 游戏设计的关键 什么因素决定一个游戏能否成功 怎样设计一个叫好又叫座的游戏 如何充分利用现有的技术 基本原则从一个好的故事和好的idea开始在纸上写下设计思路量力而行了解潜在玩家的需求随时随地brainstorming 基本原则快速成型理念具有前瞻性内容决定一切娱乐为主效果与技术是手段让玩家有目标 游戏设计过程 市场调研什么样的游戏最好销对玩家进行调研从现有顾客得到反馈原型系统交互的故事板或者特定技术的demo 可以是仅测试三维技术的三维引擎 也可以仅测试故事情节发展的引擎 图6 1游戏的目的调查 游戏设计的目的 游戏设计中应考虑的因素 游戏设计中应考虑的因素 影响游戏性的因素 游戏设计的类型 网络游戏中喜欢任务 网络游戏中喜欢的活动 游戏设计步骤 各阶段 起草故事大纲浓缩的游戏情节的完善设计 DesignTreatment 文档整理游戏脚本以及原型系统 故事大纲 是关于游戏设计的一些纲领性的想法用1 3句话作定性的描述总结性地描述游戏中的主要人物和角色能在第一时间激发读者的兴趣如果你不能将你的想法用几句话概述说明你还没有想明白整个问题 正式的设计文档 非常必要 尤其在你想吸引风险投资的时候 参考电影和电视脚本以及各类制作文档 充实游戏内容干巴巴的大纲变成有血有肉 实实在在的描述描述故事情节发展围绕 如何赢得游戏 这个总体目标分阶段完成我需要完成什么 才能进入下一关 绝大部分游戏故事能够划分为彼此独立的段落 过关游戏可按难度分级RPG和冒险游戏具有情节 场景 地图等体育游戏分为队伍 场地 课程训练等军事和历史游戏包括军队 武器 以及作战环境等因素 游戏前期开发团队 开发团队策划团队程序团队美术团队 游戏前期开发团队 开发团队 资料管理ResourceManagement行政管理Administration专案管理ProjectManagement专案管理执行ProjectManagement 游戏前期开发团队 策划团队 故事设计Storytelling脚本设计Scripting玩法设计GamePlayDesign关卡设计LevelDesign数值设定NumericalSetupAI设计GameAI ArtificialIntelligence 音乐设定SoundFXSetup场景设定SceneSetup 游戏前期开发团队 程序团队 游戏程序GameProgram游戏开发工具GameTools游戏引擎开发GameEngineDevelopment网络游戏服务端开发OnlineGameSeverDevelopment 游戏前期开发团队 美术团队 场景Terrain人物Character建模Models材质Textures动作Motion Animation特效FX用户界面UserInterface 建模第一步 绘制原画 建模第二步 在计算机中创建模型 使用三维数字化仪创建对象表面使用三维扫描仪创建对象表面使用在线三维对象数据库利用三维软件 计算机建模方法 三维数字化仪 ImmersionMicroscribe3D 计算机建模方法 三维数字化仪 缺点 工作范围有限 很难适合于大型对象的建模数字化过程中一次只能处理一个点 花费的时间比较长手的颤动和跟踪器的噪声将精度限制在约1mm 计算机建模方法 三维扫描仪 扫描仪有一个数字照相激光装置 能通过三角测量计算出到对象的距离与三维数字化仪相比 三维扫描仪是非接触式的 PolhemusFastScan3D手持式三维扫描仪 计算机建模方法 三维扫描仪 扫描的精度随着离对象表面的距离增加而迅速退化 可用雷达的飞行时间数据来弥补激光数据在测距中的不足 Cyrax2500 主要用于远距离大型对象的建模 允许扫描的最大距离为100m 可扫描从战舰到建筑物在内的各种尺寸的对象 计算机建模方法 三维扫描仪 扫描得到的数据是点壮云图的形式通过连接相邻的点 把浓密的点壮云图转换成三角形网格进行多边形简化降低模型的复杂度把多边形模型转换成外观改良了的NURBS参数表面格式 建模模型管理 细节等级管理 细节层次 level of detail 简称LOD 管理包括那些通过选择对象相应的细节等级来提高图形流水线吞吐量的技术 静态LOD管理自适应的LOD管理 它把场景划分成以虚拟相机的位置为中心的同心圆区域 同心圆区域的半径由用户定义 模型管理 细节等级管理 自适应的LOD管理 只在需要表现细节特征的三角形网格区域分裂顶点 以增加表面细节 其他区域则保持较低的细节等级 第三步 模型视觉外观 表现质感的工作实际可分成为两部分 光影和材质 对象的视觉外观 场景光照 场景的光照决定了对象表面的光强度 可分成局部光照和整体光照两类局部场景光照孤立地处理对象和光源之间的交互 而忽略了对象之间的相互依赖关系 整体光照模拟对象之间的相互反射和阴影效果 从而得到真实感更强的场景 HaleLife2 LostCoast 材质 色彩和纹理光滑和粗糙反射和折射透明发光凹凸 材质 对象的视觉外观 纹理映射 纹理给VR带来的好处 增加了场景的细节等级和真实感能基于透视变换提供较好的三维空间线索纹理的使用极大地减少了场景中多边形的数量 因此可以提高帧刷新率 Shaderlanguage程序应用于纹理映射 基本纹理 加上3个印花纹理 加上漫反射光照 加上镜面光照 加上mark 纹理映射减少了场景中多边形的数量 对象的视觉外观 多纹理映射 把第二副纹理作用在第一次纹理映射的输出上 然后把结果保存在帧缓冲器中凹凸纹理光线映射 第四步 设置模型对象的动作 骨骼设置 骨骼设置 第五步 特效 赛车的引擎决定着赛车的性能和稳定性 赛车的速度 操纵感这些直接与车手相关的指标都是建立在引擎的基础上的 游戏的引擎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 把游戏中的所有元素捆绑在一起 HaleLife2 LostCoast 虚幻引擎3 Speedtree引擎创造的出奇迹 引擎的作用 引擎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等 同一人物在两代 半条命 中的表现 引擎的作用 光影效果动画物理系统 碰撞探测渲染玩家与电脑之间的沟通 引擎相当于游戏的框架 框架打好后 关卡设计师 建模师 动画师只要往里填充内容就可以了 帝国时代3 物理系统 碰撞探测 物理引擎就是负责计算场景里面物体之间互相作用效果的程序 物理引擎越完美 游戏就越显得接近真实 拿起筐 你甚至还可以用鼠标将罐子 甩 出来 两个最重要的物理引擎 HavokPhysics引擎NovodeX引擎 帝国3 半条命2 F E A R 光晕2等都使用了其Havok物理引擎 HavokPhysics引擎 HavokPhysics引擎让其中的人体可以根据不同的受力摆出这种姿势 而且完全和周围的地形环境结合在一起 帝国时代3 帝国时代3 英雄连 HavokPhysics物理引擎 Havok公司刚刚发布了最新的Havok4 0开发工具套件 新的套件包括现有的HavokPhysics及HavokAnimationtools 并加入了新的HavokBehavior和HavokFX组件 HavokBehavior能为游戏加入基于物理特性的互动角色行为以增加游戏真实性 HavokFX则将利用ATi和nVIDIAGPU强大的图形处理能力 用于物理计算并获得更真实的游戏体验 Havok4 0SDK兼容索尼PS3以及微软64位操作系统 提供更为轻松的多平台开发体验 渲染 基于法线贴图的渲染 高多边形模型 低多边形模型 低多边形角色实时光影效果 PhysX物理引擎 被AGEIA收购前叫NovodeX物理引擎 NovodeX物理引擎 NovodeX支持速度 加速度和弹性碰撞等物理概念 并且含有布娃娃系统令人物动作更加逼真 PhysX物理引擎 布娃娃 系统 PhysX物理引擎 复杂而强大的声音仿真效果是PhysX物理引擎的另一亮点 它不仅能够模拟出音调随着发音物体的速度而变化的多普勒效应 最明显的例子是运动着的火车汽笛声调会变的现象 甚至连同一物体中材质不同的位置也能够发出不同的声音 物理引擎vsPPU 物理处理单元 PPU的一个互动式Demo 液体倾泻到一辆汽车上面的超真实效果 3D游戏引擎进化史 1992年 3DRealms公司 Apogee公司发布了一款只有2兆多的小游戏 德军司令部 Wolfenstein3D 它在X轴和Y轴的基础上增加了一根Z轴 在由宽度和高度构成的平面上增加了一个向前向后的纵深空间 Doom引擎 Doom引擎是第一个被用于授权的引擎 Build引擎 肯 西尔弗曼于1994年为3DRealms公司开发的Build引擎是一个重要的里程碑 Build引擎的 肉身 就是那款家喻户晓的 毁灭公爵 已经具备了今天第一人称射击游戏的所有标准内容 如跳跃 360度环视以及下蹲和游泳等特性 Quake引擎 idSoftware公司Quake引擎是当时第一款完全支持多边形模型 动画和粒子特效的真正意义上的3D引擎QuakeII引擎通过引擎授权所获得的收入至少有一千万美元此时的引擎已经从一种单纯的工具变成了一块令人垂涎欲滴的肥肉 Unreal引擎 EpicMegagames公司 即现在的Epic游戏公司 是使用最广的一款引擎Unreal引擎的应用范围不限于游戏制作 还涵盖了教育 建筑等其它领域 3D引擎方面也逐渐出现了单独专注于某个领域的产品SpeedTree是专门负责在游戏中 栽种 树木的程序 它不仅能够营造出非常真实的树木和森林效果 而且可以作为 零件 方便的嵌入到其他渲染引擎当中 为任何一款游戏带去优秀的画面 动态风效果示意图 动态调整多边形 开发人员可以使用SpeedTreeCAD进行树木建模 然后导入到3DSMax Maya等开发环境中去加工细节和阴影等特效 最后将其作为资源交给引擎去处理 而SpeedTree之需要一层类似中间件的环境就可以嵌入第三方的渲染引擎当中去 上古卷轴4 湮灭 游戏引擎颠峰实力 虚幻引擎3Unreal 集合了多项优秀引擎和技术为一体的 超级引擎 SpeedTreeNovodeX物理引擎可视化交互式开发环境UnrealEd 虚幻引擎3大作UT2007 游戏的图像发展到 虚幻 这里已经达到了一个天花板的高度 接下去的发展方向很明显不可能再朝着视觉方面进行下去 两部划时代的作品同时出现在1998年 Valve公司的 半条命 Half Life 和LookingGlass工作室的 神偷 暗黑计划 Thief TheDarkProject 从2000年开始3D引擎朝着两个不同的方向分化 一是如 半条命 神偷 和 杀出重围 那样通过融入更多的叙事成分和角色扮演成分以及加强游戏的人工智能来提高游戏的可玩性 二是朝着纯粹的网络模式发展 idSoftware在QuakeII出色的图像引擎的基础上加入更多的网络成分 破天荒推出了一款完全没有单人过关模式的纯粹的网络游戏 雷神之锤3竞技场 QuakeIIIArena 与Epic公司稍后推出的 虚幻竞技场 UnrealTournament 一同成为引擎发展史上的一个转折点 QuakeIII QuakeIII引擎 星际迷航 精英部队 StarTrekVoyager EliteForce 重金属F A K K 2 HeavyMetalF A K K2 艾丽丝漫游魔境 AmericanMcGee sAlice 重返德军总部 ReturntoCastleWolfenstein 荣誉勋章 盟军进攻 UnrealTournament引擎不仅可以应用在动作射击游戏中 还可以为大型多人游戏 即时策略游戏和角色扮演游戏提供强有力的3D支持 UnrealTournament引擎在许可业务方面的表现也超过了QuakeIII Shogo LithTech引擎 在1998年到2000年期间迅速崛起的另一款引擎是Monolith公司的LithTech引擎LithTech引擎的3 0版本也已经发布 并且衍生出了 木星 Jupiter 鹰爪 Talon 深蓝 Cobalt 和 探索 Discovery 四大系统 其中 鹰爪 被用于开发 异形大战掠夺者2 AlienVs Predator2 木星 将用于 无人永生2 的开发 深蓝 用于开发PS2版 无人永生 探索 则将被用来制作一款尚未公布的大型网络游戏 Quake4 光照效果vsSLI显示卡 NVIDIA的 物理SLI NVIDIA则在2006年3月的GameDevelopersConference 游戏开发者大会 中提出了 SLI物理卡 的概念 这项技术由NVIDIA和Havok共同研发 NVIDIA揭示 物理SLI 的性能十倍于CPU运算 NVIDIA的 物理SLI 让GPU负责物理计算是适合的 目前GPU的速度和高可编程性完全可以兼顾物理运算HavokFX将物理数据转换为Direct3D数据 从而使任何ShaderModel3 0显卡都可以直接运算 NVIDIA的 物理SLI 2块Nvidia显卡通过SLI主板互连 在不需要太多物理运算的游戏中以普通SLI模式运行 在大量物理运算需要的游戏中则划分一块显卡专门负责物理运算 或者由2块显卡动态分配任务 要实现 SLI物理卡 必须购买2块Nvidia显卡和1块NvidiaSLI主板 ATI的GPGPU和Corssfire ATI称其R520和R580架构本身具备物理处理功能新的DPP