1. 3D游戏开发常识
像黑神话这类动作游戏都是3D游戏，可以理解成一个虚拟的游戏世界，里面有一个三维坐标系，游戏里的所有物体都在里面运动。
玩家在任意时刻看到的只是游戏世界的一小部分，随着玩家的行走和转身，游戏世界也在不断变化。这个世界被称为“摄像机视角”，也是 3D 的。
然而目前的显示设备都是2D屏幕，因此需要将摄像机视角的3D图像转换成2D图像才能在电脑、手机、平板、游戏机等设备上显示。
2D屏幕显示，3D相机视角，整个虚拟的游戏世界
游戏是动态的，玩家希望看到流畅的画面，就像看电影一样，越逼真越好，这就需要双缓冲机制。
我们屏幕上显示的东西，都是经过显卡（GPU以前就是显卡，后来加上了计算功能）处理的。一个2D的图像内容被放在“显存”中，然后由显卡硬件调用，就会显示在屏幕上。呈现的画面被称为“一帧”。如果在更新画面时，从上到下逐行扫描更新这一帧，就会有上下不对齐的感觉。实际操作时，会在显存中准备另一个大小相同的缓冲区，计算“下一帧”的图像数据并写入其中。一切准备就绪后，屏幕图像硬件调用的指针就指向过去，一下子全部更新到屏幕上。原来的一帧变成了计算下一帧的图像缓冲区。如此来回切换，屏幕画面就像电影一样前进。
实际操作上，按照人眼的感受，30帧每秒的“帧率”是比较流畅、可以接受的，帧率再低一点，画面就会跳来跳去，如果帧率从30继续提高，人眼会觉得画面更流畅。普通人60帧就满足了，不需要更高，有些玩家为了玩《黑神话》追求硬件，或者调整设置达到60帧率，帧率还能再提高一些。游戏发烧友会追求120帧，其实差别不大，只有对画面极其敏感的职业电竞选手，才会追求更高的帧率。
因此游戏显示帧率一般在30~60帧之间，60帧为优化目标，30帧为优化底线。偶尔帧率低于30还可以忍受程序开发，但频繁出现就麻烦了。另外，如果一秒钟内帧率波动很大，出现“掉帧”就不好了。你不可能300毫秒只有3帧，剩下的700毫秒只有27帧。有时候在Switch等游戏硬件上30帧比电脑上的60帧感觉更流畅，因为帧率稳定，掉帧少。
以上就是关于游戏画面从何而来的最基本的知识。然而，想要了解游戏世界是如何构建的，还需要更多的知识。
虚拟的游戏世界必须存放在“数据结构”中，游戏世界一般模拟人类生存的世界，开发者总结了几类各具特色的数据结构。
地形、天空盒、植被、水、粒子效果、场景物品、角色、布料、光源，游戏世界就是由这些东西组成的。每一类都有自己的特点，相关的数据结构和处理算法都需要专门设计。
天空盒（或天空球体）可以理解为一个覆盖整个 3D 世界的大方形盒子或球体，盒子上附有一张天空图像。一些天空算法可以让天空图像动态变化，使效果更加自然。这个盒子很大，很高，甚至无限高，玩家在地面移动时会感觉到天空是稳定的。但请注意，它并不是真正意义上的大盒子数据结构，我们后面讲渲染的时候会解释。
地形是记录地表起伏的地图，是游戏世界中最基础的数据。植被是地表上的草、树等覆盖物，非常庞大游戏程序开发，有重复，但也必须体现变化。水体有特殊的运动规律，有透明度、反射、波动等属性。粒子特效实现烟雾、火焰、沙土、尘埃、攻击波等效果。场景物体定义游戏世界的活动空间，包括建筑、石块、土壤、道具等各种刚体物体。有些可以远观，有些可以进入，这就需要更细致的三维建模。
其实，植被也可以理解为物体，但由于数量众多，需要不同的高效处理算法，所以专门将其定义为一个类别。
角色是玩家在游戏过程中关注的重点，角色的属性是最复杂的，需要更细致的定义，3D动作游戏中很多角色都有漂亮的专属动作，定义角色的一个重要手段就是骨骼关节系统，关节可以扭动，角色可以变换成各种形态。
角色也有衣服、配饰、面具等，有时衣服有好几层。这些也需要特殊的数据结构来处理，可以用布料来表示衣服。
最特殊的一种东西就是光源，有火把、蜡烛等光源，有时也有外部光源，相当于太阳等平行光。由于光可以反射、折射、吸收、增强，所以光的处理非常复杂，是图形显示最需要计算能力的算法。事实上，所有物体的颜色和亮度值都是以光源为基础的。
图中有哪些数据结构？
各个数据结构的处理在计算机图形学中都有非常深入的研究背景。但是随着技术的发展，这些重要数据结构的处理算法基本都成熟可用。依托这些图形算法，3D游戏开发才有了基础。3D游戏在90年代就有了不错的效果，软件和硬件算法也不断完善。现在游戏的效果已经有了很大的提升，有时候逼真到让人害怕。了解游戏开发的基本知识，就会明白游戏对技术进步的推动作用。
但3D游戏开发涉及到的数据类型和算法太多，普通的开发者并不具备从零开始实现的能力，就连中小型公司也做不到。
幸好还有游戏开发引擎，比如 Unity、Unreal。游戏开发引擎将相关的数据结构和算法打包起来，直接提供一个框架给游戏开发者使用。开发者按照引擎的使用规范，定义游戏世界的数据，设定游戏规则，就可以编写游戏了。Unreal 和 Unity 就像是编程更常用的 Visual Studio，是一个集成开发环境。
除了游戏，Unity 还可用于艺术、建筑、汽车设计、影视等领域，这些领域都是以 2D 形式展示 3D 模型和 3D 世界。引擎开发公司为 Unity Software，其中国子公司为 Unity China。Unity 的中文版本称为“Unity Engine”，有自己的特色，与英文版本不同。Unity 是最常用的游戏开发引擎，开发的游戏数量和类型最多。Unity 每年都会有大版本更新，如 2019 版、2020 版，直到 2024 版，小版本更新会更加频繁。
Unreal中文名为“玄幻”（不过没有专门的中文版），现在比较流行的有虚幻4（或UE4）和2020年推出的虚幻5（或UE5），《黑神话》就是用虚幻5开发的。虚幻引擎是由著名游戏公司EPIC开发的，旗下有《堡垒之夜》、《战争机器》等成功的游戏作品。为了推动行业的发展，EPIC开放了虚幻开发引擎的源代码，和开源不一样，使用还是要付费的，也有赚钱的目的。和Unity一样，虚幻引擎也可以用在影视等其他领域。
相比于 Unity，虚幻引擎率先实现了一些独特的高级图形算法（《黑神话》中就用到了一些，比如后面会介绍的 Nanite 和 Lumen），可以更好地显示一些游戏效果。但 Unity 也会在后面实现这些算法，所以不能说两者有区别。虚幻引擎还有 game play，也就是一套定义游戏规则和角色动作的代码框架，而 Unity 没有。但这并不意味着虚幻引擎就更好。或许开发者认为 game play 中定义规则的方法对某些游戏来说效率不高。
个人开发者和中小型公司一般使用Unity或者虚幻引擎开发游戏，大公司也会使用。不过大公司也有自己的引擎，代表着公司的技术实力。
还有DCC（数字内容创建）软件和建模软件，例如Blender，3DMAX和Maya，它们生成业界最常见的FBX模型文件。
以上是关于游戏开发的一些概念性常识，大致就是如何开发游戏，不涉及具体的数据结构和算法。
2. 游戏开发的基本算法概念
游戏世界中物体的基本表现方式是三角网格（Mesh）。
如图所示，三角网格可以模拟物体的表面，而物体可以定义三维形状。从上图我们可以感受到顶点密度越高、三角网格越多，越能模拟出物体的表面。三角网格表示的基础是任意多边形都可以被切割成多个三角形。还有其他网格类型，比如四边形网格（加上一些三角网格），但最常用的是三角网格，《黑神话》中应该就是这种网格。
一个三角形网格需要存储顶点的三维坐标，三条边，顶点的顺序可以区分正反面。还有一些其他属性，比如法向量和材质属性。
玩家在观看游戏画面时，往往意识不到三角形网格的存在。这是因为最吸引人眼球的是物体表面（也就是三角形内部）的“内容”，而不是顶点。表面必须填充各种颜色，不能只是单纯的三角形，那样太难看了。这就是三角形内部的“纹理”，其实就是贴在三角形上的一张图片（图片的一部分）。显示时，不但要贴图片，还要结合光源计算里面的颜色。
通过三角网格表示和纹理表面映射，一个物体看起来非常真实。游戏中有近景和远景，对于同一个物体，可以设计不同精度的模型，近景精度高，远景精度低，分为几个等级。但这些都是静态的，游戏中很多物体的形状和角度是会变化的。
物体如何变化、碰撞时如何反应，需要“物理引擎”来实现。游戏世界的物理一般与现实世界不同，有的夸张，有的简化。有的极力模拟现实世界，做得很细致，难度很大。主要还是以现实为主，但效果未必好。只要游戏世界的效果好，可以灵活处理。有些物理效果明显不符合牛顿定律。但没关系，人们很容易接受游戏世界的物理规律，这比现实世界更有趣、更好玩。
这给计算机编程提供了极大的便利。只要物理引擎定义得自洽，效果就是它的样子，只要玩家接受就行。如果是模拟现实世界，就必须非常仔细地定义和模拟，很难调整到贴近现实。当然，物理引擎也是基于现实世界的规律，大致符合人的物理直觉，不能搞得不可理解。
比如黑神话中悟空的棍风扫过几片草叶，草叶的弯曲就显示出棍风的存在。如果是真实物理的话游戏程序开发，那就麻烦多了。在物理引擎中，可以简单处理，给草叶加上一个有方向性的扰动，根据扰动力计算出各个顶点的偏移量，模拟出效果并不难。有时候这个处理很简单，不需要物理引擎就可以做到。从原理上讲，真实世界中棍子扫过的时候不可能出现太大的风，但在游戏中，可以直接定义一个数值，模拟出夸张的效果。
物理引擎并不是游戏引擎的难点，游戏开发引擎都会包含它。NVIDIA 提供了物理引擎，这是它的风格，它会寻找任何需求，并在早期就将其内置到开发套件中。Unity 早就内置了 NVIDIA 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、火焰等，布料模拟就是处理衣服、旗帜等动态效果，效果比较贴近现实。可以理解为NVIDIA PhysX算法的目标是贴近现实，并不是专门用来做游戏开发的，不过用在游戏中也是可以的。
虚幻5默认的物理引擎是EPIC开发的Chaos，之前都是用PhysX，对于一些游戏项目来说Chaos更适合，因为它的目标不是追求真实感，而是游戏效果。
在物理引擎的作用下，游戏世界接受玩家的输入并能不断演化，按照玩家的视角将3D的游戏世界呈现在2D的界面上，这是游戏开发的核心任务，处理显示问题。
相关专业术语有“渲染”、“渲染管线”和“着色器”，要理解这三个术语，首先需要介绍一下3D动作游戏的硬件特点，CPU+GPU，其中GPU起着主要的计算作用。
像《黑神话》这种注重视觉效果的动作游戏，GPU 是必须的，低端不行。理论上，单靠 CPU 就能运行这些物理引擎和 3D 世界转换成 2D 显示的算法。早在 90 年代初，就有《侏罗纪公园》、《终结者 2》等特效电影，但那时还没有 GPU。但这些特效制作时间很长，1 分钟的显示可能需要一周时间才能制作完成。3D 动作游戏显示需要实时计算，因此需要非常强大的 GPU 来加速计算。
很多人熟悉 CPU 的串行编程逻辑，但了解 GPU 编程的人却少之又少。GPU 有成千上万个计算核心，可以并行使用以加速计算过程。但细节很多。这些核心并不完全相同，而是分为几类，每类都有自己的专长。GPU 的内部架构也不简单。
Shader可以理解为运行在GPU上的并行加速程序，Shader有很多种，分别完成顶点位置、像素颜色计算等任务。为Shader准备好输入数据，Shader会将计算好的数据写入显存和主存。
游戏开发引擎提供了各种各样的着色器，开发者也可以编写自己的着色器进行特殊处理。但单独的着色器相当于一个只有一些子功能的程序，无法完成整个任务。
这时候就需要“渲染管线”了，管线安排了一系列的处理动作，渲染管线可以理解为CPU+GPU编程，是一个软硬件流程，每一步都会调用CPU或者GPU，中间会有多个不同的shader完成主要的计算，CPU处理逻辑，准备数据。
渲染管线是将3D游戏世界的游戏数据转换成2D屏幕上的画面的过程。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“相机视图”中的物体，切断视图外的物体，并处理边缘。它需要确定场景中物体的遮挡。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”作为天空采样的纹理，对应立方体的 6 个面。渲染天空时，会根据当前的位置和方向计算天空颜色值。从这个意义上来说，“天空盒”其实并不存在，也不存在于场景文件中。
一款游戏的渲染管线写好之后，图形显示部分就准备好了。但是如果换了 GPU，可能就需要不同的渲染管线。如果 GPU 不够强，一些高成本的着色器就无法运行，必须换成低成本的着色器，帧率和画质都会降低。《黑神话》程序第一次启动时会进行“着色器编译”，就是根据机器的 CPU+GPU 组合，编译出合适的二进制代码，后续启动就不需要了。
这就是为什么像《黑神话》这样的 AAA 游戏对 GPU 性能的要求很高。如果 GPU 无法运行游戏的最低着色器要求，游戏将无法运行，所以最好不要玩它。着色器计算过程无法被 CPU 取代，这太慢了，让人无法接受。
需要注意的是，渲染管线只负责显示相关的计算，比如游戏玩法、物理引擎等都是其他管线，也可能调用GPU。渲染是指计算并渲染一帧画面，并将画面数据写入显存的动作。渲染是一个动作，渲染管线是一个过程。
介绍到这里，3D游戏开发的主线就清晰了。不过，还缺少一个最重要、最复杂的部分：光照模型。场景的外观由一个或多个光源的光照效果决定。计算非常复杂，还与物体的材质有关。物体的材质其实就是物体与光相互作用的性质。物体是看起来像草、树还是水，是由光的吸收、反射和透明度等属性决定的。
物体的颜色并不是其固有属性，它有一套相对复杂的物理理论，涉及到漫反射、镜面反射、微表面理论等概念，在游戏开发中被称为基于物理的渲染（Physical Based Rendering），用于处理光与物体的相互作用2d素材，光照模型也是渲染中的一个重要概念。
简易光照模型就是只考虑直射光，也就是假设场景中的每一点都独立地受到各个光源的直接照射。光源可以抽象成点光源，平行光相当于一个无限远、无衰减的点光源。计算场景中某一点的亮度，就假设是所有点光源打到该点的合成效果。这种计算方式简单，也可以通过GPU加速，可以提供基本的光照效果。其实大部分游戏都是这么做的，但是看起来不够真实。光在物体上会发生反射、折射，相当于多了一个光源，这种影响是简易光照模型没有考虑到的。
更复杂的全局光照模型是要考虑光的反射和折射效果。理论上这个很复杂，有直接光照和间接光照，还有积分。有一些传统的算法可以处理这个，但现在硬件好了，可以实时使用光线追踪算法。
光线追踪算法从视点（眼睛）发出上亿条光线，模拟与物体的交汇、反射、折射，不断迭代，直到遇到光源或者跑掉，或者迭代次数足够。图中蓝线是从视点发出的追踪光线，根据折射、反射等效果产生二次光线。虚线表示光源对各个关键点的作用效果。将光源主要可能的作用路径都考虑进去，最后才能计算出复合效果。可能的作用路径有很多，但如果拐弯太多，光强可以忽略。
需要注意的是，光线追踪算法中的“光”是从眼睛向后发，寻找光源，而不是从光源发出，这是违反直觉的。这是因为玩家最终是用眼睛看屏幕的，眼睛能看到的光才是有意义的，逆向推导眼睛发出的光更有效。光源发出的光只能偶然到达眼睛，因此并不适合光线追踪。
这是蒙特卡洛采样模拟算法，视点发出的光线越多，模拟效果越好。光线追踪算法效果最好，可以模拟非常好的阴影和反射。水反射、火反射等场景非常耀眼。GPU 经常使用光线追踪来展示性能。Nvidia 的 RTX 系列 GPU 每秒可以发出数百亿条光线。
下面这张《黑神话》的图片使用了光线追踪，水的反射效果很惊艳。上面的图片没有使用光线追踪。
《黑神话》等游戏的游戏界面都会有选择画质、是否开启光线追踪等选项，在某些场景下，开启光线追踪会有明显的效果。
《黑神话》的画质备受好评，也得益于虚幻引擎5中的Nanite技术和Lumen技术。
黑色神话中的佛像，造型极其细致
Black Myth 的一大特点就是景物逼真，不管是近距离、中距离还是远距离，看上去都很自然。前面提到，一个物体的模型会有高精度和低精度，分别用于近距离和远距离的显示，分为几个等级。但有时候会感觉不自然，精度跳跃。Nanite 技术可以加载超高精度模型（高达十亿个三角形），几何更加真实细腻，这就需要高效的几何压缩和内存管理。根据程序的需求，实时计算出合适的模型和场景显示，而不是存储好几级低精度的模型，这就需要很好的优化。模型要渲染的面数是动态确定的，不可见的面和远处的面可以节省计算能力，也就是说模型本身是动态变化的。整体效果就是场景画质很高，变化自然，实时流畅度达到影视级的高质量画面。
电影品质的高质量图像
虚幻引擎5的另一项重要技术是用于光照的Lumen技术，让《黑神话》的光照效果非常出众。Lumen应用了“动态全局光照”，大大优化了光照模型，漫反射效果不错。还有虚幻引擎的粒子特效系统Nigara，火焰、刀光、能量波、落叶飘落等效果都不错。这些技术具体细节很复杂，大家只要感受一下效果就行，有兴趣的可以找深度学习资料。本文主要介绍技术脉络和整体认知。
使用Lumen动态全局照明，阴影区域有丰富的明暗变化，且该区域受到漫反射光照。
3D建模、图形渲染、光照模型等都是游戏开发中非常重要的前沿高科技领域。美国凭借在计算机图形、游戏开发等领域的领先优势，自上世纪90年代以来在电影特效应用方面取得了巨大的成功，将好莱坞的影响力传播到了世界各地。此前，各个国家都有一些优秀的电影，美国并没有这么大的优势。
目前，3A游戏开发所涉及的计算机图形技术仍在快速进步，与高性能GPU的发展相联系，是具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，推动技术应用和原创技术研发。《黑神话》的火爆对技术进步来说也是一个好消息。
3.游戏开发团队
介绍了3D动作游戏开发相关的图形学知识，然后介绍了游戏开发商和团队。
开发一款3D动作游戏，需要三类开发者：程序员、策划、美工。人们可以兼职，但任务分工是这样的。此外还有音频相关的，游戏也需要测试。有些开发者是多专业的，我们就一一说说吧。
3D游戏程序开发的工作包括客户端程序、引擎程序、图形程序。客户端是玩家面对的游戏界面，客户端程序员开发并实现游戏玩法。引擎程序员是处理游戏引擎相关程序代码的人，可以对引擎进行高层次的开发和修改。图形程序员是编写着色器、更改渲染管线、加速图形渲染的人。
客户端程序员分为很多种，有网络程序员、AI程序员、游戏玩法程序员、动画程序员、物理程序员等等，大型游戏可能需要相关功能，如果有后端服务器，还要开发后端程序。
《黑神话》游戏文案
游戏策划有很多种，比如系统策划，负责炼金、升级、道具等系统的设计；关卡策划是设计地图，设置很多有挑战性的任务，让玩家通关；数值策划是设计游戏细微的战力、经济等数值系统，有时是游戏的核心机制；战斗策划是让战斗更加刺激；文案策划是输出文字，让故事和人物生动起来。
有一个特殊的策划岗位叫做“技术策划”，必须懂游戏开发技术，能够运用专业的数学建模和编程知识参与策划工作，弥补其他策划人员专业的不足，提高策划的质量。
美术对于一款游戏的成功至关重要，决定了游戏的艺术水平。《黑神话》的美术风格一直受到高度评价。
重要的艺术岗位包括：原画，绘制漂亮有艺术感的人物、场景、物体。现在有了AI的帮助，绘制的效率高了很多；3D建模，需要使用DCC软件对场景、物体、人物进行建模；动画师，设计过场动画，制作人物骨骼动画资产。比如人物优美的动作都是动画师画出来的姿势动画，画30帧播放90帧，大部分都是插值生成的；地图编辑，需要编辑地图，把各种模型放到关卡规划设计好的地图里；特效，设计各种刺激炫目的打斗、魔法特效。
也有一个称为“技术艺术家”的职位，例如，他们可以使用图形技术来创造从互联网收集的艺术材料的艺术效果。
在音频方面，有些人负责艺术音乐，而另一些则是“技术音频”，它处理原始音频材料以产生不同的效果，例如为空场景和拥挤的场景而言。
还需要对游戏进行测试。
像黑色神话这样的AAA游戏应该具有以上所有职位。
游戏公司还可以分解一些任务并将其外包，这可以有效地降低开发成本。
富人！
父母！不仅仅是玩有多少技术。
年轻人！不再玩手机游戏，玩3A游戏，看看他们的发展方式。
