02 - 引擎工具链高级概念与应用

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本文将简要介绍一些游戏引擎工具链的相关的高级概念与应用，内容包括：

  • 世界编辑器；
  • 编辑器插件架构；
  • 设计叙述工具；
  • 反射；

世界编辑器

UE的世界编辑器的UI如下，可见它集成了许多功能：

基础功能

视口

就是编辑器模式下的运行时游戏引擎，给用户自由编辑世界。此外，有时候还会要求有多个不同视角的视口出现，需要好好架构。

万物皆可编辑

编辑器中所有的对象都可被编辑，例如天上的云、人物等。编辑的内容通常有SRT变换，其他属性等。

Gizmo

因此，编辑器通常需要提供如下编辑工具。

鼠标选取

此外，别忘了首先要实现鼠标选取功能。一种方法是使用Ray Casting方法来选择，这需要物理引擎的辅助，且精确性不高；另外一种方法则需要一个额外的Framebuffer，内容是当前视角中所有物体的ObjectID形成的纹理，然后根据选中的位置得到选中的物体。

需要注意的是透明物体的选取，这需要编写一些额外代码来解决。

用不同视图管理对象

除了在场景管理View中列出所有对象外，还需要根据用户需求去给这些对象分类分组。

Schema驱动的对象属性编辑

编辑器还需要编辑选中对象的属性，这些属性是通过Schema组织的数据结构+反射实现的。

内容浏览器

这也是世界编辑器中不可缺少的功能，它可以给所有资产提供预览，也能在不同的游戏项目中共享资源。

地形编辑

大体思路就是根据高度贴图和纹理贴图绘制好一个地形，然后再通过放置植被实例和贴花等装饰地形。

高度刷

高度刷允许用户自定义地形，通过实时绘制高度贴图实现。如何让地形过渡看起来丝滑是一个挑战。能实现自己导入高度贴图，自己定义笔刷更佳。

实例刷

实例刷则允许用户快速生成特色地形，但内存占用较大。

环境编辑

还有环境编辑，例如光源的摆放，天空、路、河流等的生成。可由插件拓展。

规则约束系统

环境之间也有一些规则约束，例如对路的约束：路上不应该有树，路应该适配地形等。

道路的规则系统需要程序来帮忙，通过自定义环境中树、物体等分布的贴图，然后交给程序进行处理，最终留下符合规则的结果。

编辑器插件架构

实际上不可能一下子在编辑器上实现各种各样的功能，这些功能应该以插件的形式拓展编辑器。商业软件中的插件架构如下：

作用范围

对于提供给编辑器使用的插件，它的作用范围是任何系统或对象类型。例如针对粒子系统额外实现了GPU-Driven的版本，针对NPC额外实现了新的寻路功能。这些特性都能作为插件补充编辑器的功能。

插件的组织

对于多个插件的组织，主要有如下形式：

覆盖式

有时候新插件需要完全覆盖掉编辑器原生/老插件的功能，例如地形的编辑。

分布式

各种插件分工合作，将自己独立完成的结果整合到一起作为输出。

管线式

各种插件按顺序合作，插件的输出可当作另一个插件的输入，最终获得成果。

洋葱圈式

在管线式基础上，输出被进一步处理，然后作为输入进入反向管线进行逆处理，获得和最初输入格式相同的输出格式。

版本控制

有时候引擎会升级，但它的插件没有升级，这时候强行使用旧版插件可能会出现兼容问题。因此需要一个合理的版本控制系统，认为某些插件“过时”就会强行弃用它们。

设计叙事工具

如今游戏的叙事越来越重要，会让玩家身临其境的叙事工具才是好工具。如下图所示，叙事工具的核心就是时间轴，在各个时间点上进行不同的事件，从而形成一个绘声绘色的故事。

序列器Sequencer

UE5的Sequencer就是一个很强大的叙事工具，它有如下组件：

  • Track：用于选中在Sequencer中要改变的Actor，例如任意角色、摄像机等；
  • Property Track：用于选中要改变Actor的属性；
  • Timeline：在离散帧中描述时间的轴；
  • Key Frame：标记某个特殊帧为关键帧，Actor的相关属性会在这一帧中改变为设定好的；
  • Sequence：Sequencer的数据。

反射

反射是游戏引擎中的核心功能之一，引擎是如何知道当前对象可修改的数据并进行修改的，是反射帮的忙。

传统硬编码的局限性

对于传统硬编码，要想从外部调用特定类型的特定函数，只能这样写：

随着Human类型的函数种类越来越多，右边的代码也会越来越冗余，很麻烦。而反射能让我们知道当前对象是什么类，有什么成员、什么方法，然后再自由调用。例如Java，C#等都支持反射了，C++也将在C++26标准实现反射。

反射、代码与工具链

反射是代码和工具链之间的桥梁，代码通过反射后会生成相关元数据、Getter和Setter方法等供引擎调用。

反射的实现

从代码中获取类型信息

对于高级语言来说，它的编译管线已经是约定俗成的了：

我们要做的就是从编译器（如Clang）中获取这个抽象语法树AST的信息：

生成Schema

获得AST中的关键信息（如类型名、成员变量名、成员变量类型等）后，需要在内存中将其转换为我们定义的Schema。

实际上，并不是所有类都需要反射，Piccolo引擎通过宏来限定哪些类该反射，这个类的哪些成员该反射：

Piccolo引擎中宏的定义如下：

访问反射信息

接下来需要访问按Schema格式生成的反射信息，有三大类访问器：

  • 对于类，需要生成类型信息的getter；
  • 对于成员变量，需要生成访问它们的getter和setter；
  • 对于方法/函数，需要生成可以调用触发它们的invoke；

这些访问器可不是程序员手写的，是用代码渲染工具自动生成的。代码渲染将代码和数据分离，通过把数据填入代码模板而自动生成相应的代码。

例如使用模板元编程来自动生成代码，使用工具（如Mustache）来自动生成代码，这些操作都是代码渲染。

协同编辑

对于内容创作者来说，游戏引擎的协同编辑功能也很重要。

冲突解决

协同编辑时常遇到的问题就是冲突，如何解决它很重要。

常见的冲突解决方案如下：

  1. 把世界进行分层：

    难的是分层标准不好确定，且不同层之间的对象可能存在依赖。

  2. 把世界划分为不同区块：

    解决了分层的缺点，但对于跨区块的物体来说有困难。

现在UE5中解决冲突的方法是，为每个对象创建一个单独文件，粗暴但有效地解决冲突问题。

存在的问题也显而易见，要进行版本管理的文件超级多，需要一个额外的打包过程。

跨平台兼容性

此外还需要解决的就是在一个局域网下，不同设备/操作系统的协同编辑。这通常需要一个服务器，它负责管理用户发过来的命令（原子化操作），然后同步到大家的编辑会话中。

同步性

协同编辑就像多线程一样，也会出现类似竞争条件的问题。因此也可以通过加锁来保证当前操作的原子性，可能用到的锁如下：

  • 实例锁：防止多人同时编辑一个实例。

  • 资源锁：防止多人同时编辑一个资产。

加锁确保操作的原子性，保护用户所操作的资源不受篡改。但它仍然无法防止多人进行撤消重做操作时的竞争条件：

这种情况的解决方法如下：

参考资料

  • GAMES104 (boomingtech.com)

待阅读的资料

编辑器

  • GPU-Based Run-Time Procedural Placement in ‘Horizon: Zero Dawn’, Jaap van Muijden, GDC2017:https://www.gdcvault.com/play/1024700/GPU-Based-Run-Time-Procedural
  • Ray casting:https://en.wikipedia.org/wiki/Ray_casting
  • Unreal Sequencer Overview:https://docs.unrealengine.com/4.27/en-US/AnimatingObjects/Sequencer/Overview/
  • Unity Timeline:https://docs.unity3d.com/Packages/com.unity.timeline@1.7/manual/index.html
  • Plug-in (computing):https://en.wikipedia.org/wiki/Plug-in_(computing)

反射

  • C++ Reflection, Austin Brunkhorst, 2016:https://austinbrunkhorst.com/cpp-reflection-part-1/
  • Clang:https://en.wikipedia.org/wiki/Clang
  • Reflective programming:https://en.wikipedia.org/wiki/Reflective_programming
  • Unreal Engine UProperties:https://docs.unrealengine.com/5.0/en-US/unreal-engine-uproperties/

可视化脚本/蓝图

  • Unreal Blueprints Visual Scripting:https://docs.unrealengine.com/5.0/en-US/blueprints-visual-scripting-in-unreal-engine/

协同编辑

  • Unreal One File Per Actor:https://docs.unrealengine.com/5.0/en-US/one-file-per-actor-in-unreal-engine/
  • Uses of layers in Unity:https://docs.unity3d.com/Manual/use-layers.html
  • Unreal World Partition:https://docs.unrealengine.com/5.0/en-US/world-partition-in-unreal-engine/
  • How Figma’s multiplayer technology works, Evan Wallace, 2019:https://www.figma.com/blog/how-figmas-multiplayer-technology-works/
  • Unreal Multi-User Editing:https://docs.unrealengine.com/4.27/en-US/ProductionPipelines/MultiUserEditing/
  • Conflict-free Replicated Data Types, Marc Shapiro,Nuno Preguiça, Carlos Baquero, Marek Zawirski,2011:https://pages.lip6.fr/Marc.Shapiro/papers/RR-7687.pdf
  • Operational Transformation Frequently Asked Questions and Answers:https://www3.ntu.edu.sg/scse/staff/czsun/projects/otfaq/