电子游戏本就是元宇宙的雏形，因此，电子游戏技术中的游戏引擎、3D图像渲染、云游戏等也为元宇宙的内容制作提供了强大的技术支撑。

一、游戏引擎1.游戏开发的利器

自从电子游戏在20世纪六七十年代出现以来，就深受人们的喜爱。庞大的市场和持久强劲的消费需求为游戏厂商带来巨额利润。知名游戏《王者荣耀》单在2020年就为腾讯在全球吸金23.5亿美元。每天都有大量的游戏从工作室走向市场。游戏市场的空前繁荣，游戏玩家对游戏的规模、游戏画面的质量、游戏设计的难度等需求日益提升。在市场的推动下，产生了游戏引擎这个游戏开发的核心工具，它为游戏行业的繁荣产生了巨大作用。

游戏开发的过程大致就是开发人员在计算机、音响、显示器等硬件设备上，基于程序开发环境，利用开发工具，按照游戏故事线设计游戏项目，并将游戏场景与真实世界融合展示给玩家。在电子游戏开发的早期，由于设备和环境的限制，游戏需要的各种程序功能只能由游戏开发团队自己开发。而随着游戏规模越来越大、游戏设计越来越复杂，中小型游戏开发商很难通过人工的方式快速完成游戏开发。随后出现了游戏开发的中间件，即擅长特定领域的开发者们提供了一种能够跨机通用的简单便捷的工具程序，以实现游戏所需特定机能，例如3D建模，纹理或声音的数据制作等。当这些零散的部分功能汇聚成一条“游戏开发内容生产线”的时候，游戏引擎应运而生。

游戏引擎是指一些已编写好的可编辑计算机游戏系统，或者一些互交式实时图像应用程序的核心组件，供开发人员高效、便捷地设计和编写游戏程序需要实现的功能。游戏引擎将游戏中的所有元素有序地组织在一起，让游戏设计者能够高效快速地设计出游戏程序，而不是从零开始。游戏引擎由硬件管理、开发环境、场景构建及游戏设计等部分构成。

游戏引擎的构成

硬件和开发部分偏向后端管理，即主要负责游戏引擎的硬件资源的管理与使用以及为开发人员使用引擎、灵活装配功能组件提供支持。游戏设计主要是通过数学库与人工智能对游戏的逻辑、关卡进行趣味性设计。游戏引擎最核心的部分主要是场景构建中的渲染引擎和物理引擎。

渲染引擎通过光照、阴影、动画、粒子特效等子系统，实现光影的投射与反射等光学效果，是游戏体现真实感、交互性的关键组成。例如在模型动画系统中，渲染引擎通过预先植入的设计代码，在模型基础变形的基础上实现人物或动物活动的自由操控，或者对极具特征性的事物进行渲染，比如头发和毛皮。由于头发和毛皮具有一定特征的彩色发丝构成的复杂有机结构，本身拥有独特的半透明与反光属性，还会对重力或风吹等外力产生反应，且数量较多，所以生成逼真的图像是普通的计算机设备难以实现的，必须利用高性能的渲染工具。在3D模型制作完成后，渲染引擎根据游戏的需要，将动画、光影、声音、特效等融为一体，并根据后台编写的代码将所有的效果渲染到游戏中，产生最终输出的画面质量。

头发渲染示例

物理引擎是遵循现实物理规律对虚拟世界环境的真实模拟，以提高游戏的逼真效果，包括碰撞检测系统、物理模拟系统等。碰撞检测系统，主要用来合理描绘虚拟世界中模型与模型之间的物理关系，以提高场景的交互真实感。例如，人物在开车时遇到障碍物会产生“翻车”等，为凸显游戏的逼真性，碰撞检测系统需要通过对游戏中各项虚拟物体模型边缘的探测，从而产生逼真的触感与物理反应。物理模拟部分，包括重力、刚性物理、柔性物理等，进一步丰富了虚拟场景对运动中的真实世界的模拟。

2.元宇宙的创作工具

因为游戏引擎的存在，曾经专业的游戏制作环节逐渐工具化、可操作化，让游戏的创作变得更加简便高效。这也就意味着，在元宇宙中普通人都有机会利用相关的软件或工具，构建出自己心中的虚拟世界。

从当前游戏引擎的现状来看，游戏引擎技术的发展已经十分成熟。目前无论是主机游戏、PC端游戏还是移动端游戏都离开游戏引擎的开发。游戏引擎也出于其强大的建模及渲染能力，从游戏行业中走出，拓展到影视制作、工业设计等多市场领域。供给侧方面，全球涌现出大量优秀的游戏引擎，例如虚幻引擎(Unreal Engine)、Unity、寒霜引擎(Frostbite Engine)、尖叫引擎(Cry-Engine)、起源(Source)、IW Engine等。其中比较受欢迎且如雷贯耳的游戏引擎当属虚幻引擎和Unity了。

以Unity为例，Unity是由Unity Technologies公司开发的一个让玩家能够轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化视频、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，《王者荣耀》、《使命召唤国服手游》、《炉石传说》、《神庙逃亡》等一些广为人知的游戏就是Unity开发的。

Unity Technologies公司成立于2004年，其前身是一家名为Over the Edge Entertainment(OTEE)的游戏公司。虽然OTEE没有推出拿得出手的游戏作品，但是多款游戏的打磨为OTEE积攒了大量的游戏技术开发经验并促使其进行战略转型。更名为Unity后，Unity Technologies开发了适用于Mac OS X操作系统的应用，并获得一致好评。随后，Unity成功覆盖PC、手机、主机等几乎所有的端口。Unity始终贯彻开发大众化原则，将最有效率的开发工具提供给游戏开发者，及时解决开发中遇到的困难。截至2020年6月30日，Unity在全球超过190个国家和地区拥有每月约150万活跃用户。2019年，这些开发者开发的应用程序在超过15亿台独立设备上每月被下载超过30亿次。在中国市场，超过70%的手游都使用Unity开发。

2020年，Unity成功在纽交所顺利上市，Unity开盘价为75美元，较发行价涨44.2%，市值一度超200亿美元，收盘后Unity股价为68.35美元，较发行价上涨31.44%，市值为180亿美元。Unity也不再将其自身定位于游戏引擎，而是创建和操作交互式实时3D内容的平台，包括VR/AR的内容实时创作等，应用于包括游戏、3D艺术、建筑、汽车工业、电影制作等多个行业领域。例如，Unity在2021年1月正式发布了一部具有中国传统美学元素的讲述爱与成长的温情动画短片Windup，该短片揽获19项全球级别的电影节提名、斩获5个奖项，并且正式获得2021年奥斯卡参选资格。该动画短片最大的亮点在于整部影片都是实时渲染的，单帧渲染时间小于33毫秒，相比于传统的动画电影要快几百万倍。与此同时，实时渲染的所见即所得功能，能够使动画团队在制作的过程之中一旦发现问题，就可以立即修复、实时调整，在不同部门的协同努力下高效完成制作。Unity这种高效且协作性较强的虚拟内容制作软件或平台是元宇宙建设必不可少的工具。

Unity利用实时渲染技术制作的动画短片Windup

二、云游戏与触手可及的元宇宙

未来的元宇宙一定不是少数人的狂欢，而是一个任何人都能够轻松进入的虚拟世界。这就必然面临着一个问题，那就是进入信息量超载的虚拟空间并在其中建设、创造、社交、玩乐，这对用户的硬件设备的要求极高。而这势必会将一大部分用户挡在元宇宙的大门之外。随着5G和云计算技术的成熟及广泛应用，云游戏正在成为游戏行业的重要发展趋势，对于元宇宙而言，也是极为有益的探索与尝试。

所谓云游戏是指以云计算为基础的游戏方式，在云游戏的运行模式下，所有游戏的计算和渲染都在服务器端运行，并将渲染完毕后的游戏画面压缩后通过网络传送给用户。而在传统游戏模式下，游戏在本地计算机上运行，对于以高成本、高体量、高质量为特征的“3A 游戏大作”来说，往往需要较高的硬件配置才能匹配游戏精良的画质和复杂的动作设计。云游戏则将内容的存储、计算和渲染都转移到云端，所有游戏逻辑和渲染完毕后的游戏画面将被压缩，再通过解码形成实时的游戏画面串流到终端进行显示，最终呈现到玩家眼中。游戏的运行并不是在玩家自己的设备上而是在远程服务器上运行，相当于万千玩家共同集资购买了一个性能超级强大的计算机，然后共享使用。因此，只要有畅通的网络，用户就可以不用购买高端游戏硬件配置，也可体验精彩的游戏效果，从而让更多的玩家可以进入精彩绝伦的游戏世界。推此及彼，元宇宙也是同样的道理。

云游戏与本地游戏的区别

云游戏成为未来游戏发展趋势之一，不仅在于玩家的可接入性变强，也在于人们生活习惯的改变。随着智能手机性能的不断提高、生活节奏加、日常时间碎片化，人们对于移动型游戏设备更加青睐，移动端游戏为云游戏市场提供了足量的释放空间。根据国外研究机构Newzoo发布的《2021年全球云游戏市场报告》数据显示，至2021年底，云游戏服务付费用户总数将达到2370万，而到2024年这个数量将增至6070万。其对云游戏服务的支出消费在2021年大约为16亿美元，将增长至2024年底的65亿美元。

从市场角度来看，云游戏的崛起是游戏市场的一个新的增长点。云游戏平台的搭建需要庞大的资金与技术支持，吸引了微软、谷歌、腾讯、英伟达等科技巨头的参与，也迎来了移动、联通等网络基础设施运营商的加入。例如英伟达不仅是领先的计算机图形图像及半导体公司，也是领跑全球市场的几大云游戏公司，旗下的云服务GeForce NOW深受用户喜爱。据称英伟达出下一代云游戏平台GeForce Priority在PC或 Mac计算机系统上运行速度高达 120 FPS，能够给玩家带来更好的游戏体验。

英伟达GeForce NOW云游戏平台

实际上，一些玩家实际体验云游戏之后，认为云端运算的延迟永远不可能优于本地运算，短期内云游戏想成为游戏主流依旧困难。网络延迟、外设适配、解码能力、卡顿频繁、费用模式上等依旧是待解决的问题。当云游戏的这些问题能够迎刃而解，那么元宇宙也就触手可及了。

本文截取自《认识元宇宙——源起、现状、未来》

作者：唐江山

出版社：机械工业出版社

关键词： 电子游戏 虚拟世界 渲染引擎 碰撞检测 动画短片