《黑神話》是如何開發的？3D遊戲技術介紹 | 袁嵐峯_風聞

各位天命人，《黑神話·悟空》通關了嗎？打遊戲也可以學知識，我的朋友、風雲學會會員陳經是一位人工智能研究者，這剛好是他的研究領域。他寫了一篇長文《《黑神話》是如何開發的？3D遊戲技術介紹 | 陳經》，下面我來向大家介紹一下。理解了本文，以後看遊戲的眼光，就不一樣了。

一．3D遊戲開發常識

《黑神話》等動作遊戲，全都是3D遊戲。可以理解為有一個虛擬的遊戲世界，其內部是三維的座標系統，遊戲中的物體都在裏面活動。

玩家即時看見的只是遊戲世界的很小一部分，隨着玩家的行走、轉身在不停遊動變換。這個世界叫“攝像機視角”，它也是3D的。

為了把畫面顯示在電腦、手機、平板、遊戲機等設備上，需要將攝像機視角的3D圖景，轉換成2D的畫面。

2D屏幕顯示、3D攝像機視角、整個虛擬遊戲世界

遊戲是動態的，玩家希望看見畫面流暢像放電影一樣，越真實越好。這需要一個雙緩衝區機制。

我們屏幕上顯示的東西，是由顯卡處理的（GPU以前就是顯卡，後來增加了計算功能）。一幅2D圖像內容放入“顯存”，然後用一個顯卡硬件調用，就會在屏幕上顯示出來，呈現的畫面叫“一幀”。如果更新畫面時，對這一幀從上到下逐行掃描更新，就會出現上下不匹配的感覺。實際操作中，會準備顯存中的另一個緩衝區，大小一樣，在其中計算寫入“下一幀”的圖像數據。等全部準備好了，就將屏幕圖像硬件調用的指針指過來，一下全部更新到屏幕上。原來的那幀，就成為計算再下一幀的圖像緩衝區。如此來回切換，屏幕畫面就像放電影一樣推進了。

實踐中，一秒鐘顯示切換30幀的“幀率”，人眼就感覺較為流暢了。幀率比30低，就會有卡頓感。30的幀率繼續提升，人眼會感覺畫面更為流暢普通人到60幀達到滿意的程度，不需要更高了。有些遊戲發燒友會追求120幀，其實區別沒多大。再往上，只有對畫面極為敏感的職業電競選手有追求了。

因此，遊戲顯示幀率一般是在30-60幀，以60幀為優化目標，30幀為優化底線。偶爾出現低於30幀還能忍，經常出現就有問題了。另外，一秒內幀率波動也不好，這叫做“掉幀”，例如300毫秒裏只有3幀，餘下700毫秒27幀。有時Switch等遊戲硬件上的30幀比電腦上的60幀感覺還流暢，這是因為幀率穩定，掉幀少。

以上是最基礎的知識，遊戲畫面是從哪來的。但對於遊戲世界如何構建，還需要更多的知識介紹。

虛擬的遊戲世界，是用“數據結構”來存儲的。開發者總結出了幾類有特性的數據結構：天空盒、地形、植被、水體、粒子特效、場景物品、角色、布料、光源。遊戲世界就是由這些東西構成的，每一類都有自己的特色，相關的數據結構和處理算法都需要專門設計。

天空盒（或者天空球），可以理解為，用一個很大的方形盒子或者球形，籠罩住整個3D世界，盒子上會貼上天空圖片。有些天空算法能讓天空圖片動態變化，效果更自然。這個盒子非常大、非常高，玩家在地面移動時，會感覺天空是穩定的。但要注意，它並不是真有一個很大的盒子數據結構，後面説渲染的時候我們再解釋下。

地形就是地圖，還記錄了地表的高低起伏，是遊戲世界最基礎的數據。植被是地表的草、樹等覆蓋物，量非常大，不斷重複，但又要體現變化。水體有特殊的運動規律，有透明、反射、波動等屬性。粒子特效實現煙霧、火焰、揚沙、揚塵、攻擊波等效果。場景物品定義了遊戲世界的活動空間，包括建築、石頭、土壤、道具等各類剛性物體，有的遠觀，有的能進去，要有更詳細的三維建模。其實植被也可以當物品來理解。但它的數量非常多，需要不同的高效處理算法，就專門定義成一個類別。

角色，是玩家主要的關注焦點。角色的屬性最為複雜，需要更詳細的定義，3D動作遊戲中，不少角色有漂亮的專屬動作。定義角色，一個重要的手段是骨胳關節系統。關節可以扭動，角色就可以變成各種各樣的形態。

角色還會有衣服、飾品、面具等等，有時還有幾層衣服。這些也需要專門的數據結構來處理，布料就能用來表示衣服。

最特殊的一類東西是光源。有火炬、蠟燭之類的光源，有時還有一個外來光源，像太陽一樣的平行光。由於光會反射、折射、吸收、增強，光線的處理非常複雜，是圖形顯示算力需求最大的算法。實際上所有物體的顏色、亮度值都是以光源為基礎的。

好，現學現用一下，大家看看這幅圖中，有哪些數據結構？

看看圖中有哪些數據結構？

每一種數據結構的處理，都有非常深入的計算機圖形學研究背景。靠這些圖形學算法，3D遊戲開發才有基礎。上世紀九十年代，3D遊戲就有了不錯的效果。隨着軟硬件進步，到現在遊戲的效果提升極大，有時逼真得嚇人。瞭解遊戲開發的基礎知識，就會明白遊戲對於科技進步的拉動作用。

3D遊戲開發涉及的數據種類、算法，實在是太多了。一般開發者沒有能力自己去從頭實現，中小公司都不行。還好有遊戲開發引擎，如Unity和Unreal。遊戲開發引擎將相關數據結構和算法打包好，直接提供框架給遊戲開發者使用。開發者按照引擎使用規範，定義好遊戲世界的數據，設定遊戲規則，就可以把遊戲編寫出來了。Unreal和Unity就像編程中常用的Visual Studio一樣，是一個集成開發環境。

Unity是最常用的遊戲開發引擎，開發的遊戲類型和數量最多。除了遊戲以外，它還可以用於美術、建築、汽車設計、影視等領域，都是3D模型、3D世界進行2D顯示。這個引擎的開發公司是Unity Software，中國子公司是Unity中國。Unity中文版叫“團結引擎”，有自己的特性，和英文版不一樣。Unity每年都會有大版本更新，如2019版、2020版，直到2024版，小版本更新就更為頻繁。

Unreal的中文名叫“虛幻”，但沒有特殊的中文版。現在流行的是虛幻4（或稱UE4，2014年發佈）以及虛幻5（或稱UE5，2020年發佈）。《黑神話》就是用虛幻5開發的。Unreal引擎的開發者是著名遊戲公司EPIC，這個公司有《堡壘之夜》、《戰爭機器》等作品。為了促進行業發展，EPIC把Unreal的源代碼開放了，但不是開源，使用還是要付費。和Unity一樣，Unreal也可以用於影視等其它領域。

Unreal相比Unity，率先實現了一些先進圖形算法。其中有些在《黑神話》中有應用，如Nanite、Lumen，後文介紹。不過Unity以後也會實現這些算法。Unreal還有一套定義遊戲規則、角色動作的代碼框架，叫做game play，而Unity沒有。但這並不是説Unreal就更好，也許開發者認為game play定義規則的辦法對某些遊戲並不高效。

個人開發者與中小公司，一般會用Unity或Unreal引擎開發遊戲。大公司也會用，但是大公司同時會有自己開發的引擎，代表公司技術實力。

此外還有DCC軟件（即Digital Content Creation，數字內容生成）、建模軟件，如Blender、3DMAX、Maya，用來生成行業最通用的FBX模型文件。

以上是遊戲開發概念性的常識，沒有涉及具體的數據結構與算法。

二.遊戲開發基礎算法概念

對遊戲世界的物體，基礎的表示辦法是三角形網格（Mesh）。

如圖，用三角形網格模擬物體表面，就可以定義一個物體的三維形狀。頂點的密度越大，三角形網格越多，物體表面就能模擬得越好。三角形網格表示的基礎是，任意多邊形都可以切成多個三角形。也有其它的網格類型，如四角形網格（加一些三角形網格），但最常用的是三角形網格，《黑神話》應該也是。

一個三角形網格，要存儲頂點的3D座標和三條邊，頂點的順序可以區分正面與反面。還有一些其它性質，如法向量、材質屬性。

玩家看遊戲畫面時，往往意識不到三角形網格的存在。這是因為，最吸引注意的，是物體表面（即三角形內部）的“內容”，而不是頂點。要用各種色彩去填充表面，不能是光光的三角形。這就是三角形內部的“紋理”（Texture），其實就是一張圖片貼到三角形上面去。顯示時不止貼圖片，還要結合光源計算出裏面的色彩。

有了三角形網格表示、紋理表面貼圖，一個物體就很像回事了。遊戲中有近景、遠景，對同一個物體可以設計精度不同的模型，近景用高精度，遠景用低精度，分幾個級別。但這都是靜態的，遊戲裏很多物體的形狀、角度是會變的。

物體如何變動、對撞反應，需要一個“物理引擎”。遊戲世界的物理，和真實世界一般是不同的，有誇張、簡化。也有儘量模擬真實世界的，做得很細，這是很難的，主打真實，但效果未必好。遊戲世界只要效果好，完全可以變通處理。一些物理效果顯然是不符合牛頓定律的，——經常在評論區見到有人説：我們這兒不歸牛頓管！但沒關係，人們很容易接受遊戲世界的物理規則，比真實世界更有趣、好玩。

對計算機編程來説，這提供了很大的方便。例如《黑神話》裏，悟空的棍風掃到了幾株小草。如果是真實物理，棍子一掃不可能有太大棍風。在物理引擎裏，就可以簡單處理，對小草加一個有方向的擾動，根據擾動力度，計算各頂點偏移量，模擬出誇張效果。

物理引擎是遊戲引擎裏不算難的部分，遊戲開發引擎會帶上。英偉達就提供了物理引擎，這是它的風格，到處找有什麼需求，早早就做在開發包裏。Unity很早就內置了英偉達的PhysX物理引擎。

PhysX有剛體碰撞、粒子系統、布料模擬等。粒子系統可以模擬煙霧、水流、火焰，布料模擬是處理衣服、旗幟的動態效果，效果接近真實。可以理解為，英偉達PhysX算法目標是逼近真實，並不是專門給遊戲開發用的，但用到遊戲上也還行。

虛幻5的默認物理引擎是EPIC自研的Chaos，以前是用PhysX的。對有些遊戲項目，Chaos更適合，因為它目標不是追求真實，而是遊戲效果。

在物理引擎作用下，遊戲世界接受玩家輸入，就可以不斷演化了。根據玩家視角，將3D遊戲世界呈現在2D界面上，這是遊戲開發的核心任務，處理顯示問題。

相關專業名詞是“渲染”（Rendering）、“渲染管線”、“着色器”（Shader）。要理解這三個名詞，需要先介紹3D動作遊戲運行的硬件特性，CPU+GPU，其中GPU起到了主要的計算作用。

象《黑神話》這樣講究視覺效果的動作遊戲，必須有GPU，檔次低了還不行。理論上只靠CPU，就可以把這些物理引擎、3D世界轉成2D顯示的算法跑下來。早在九十年代初，就有了《侏羅紀公園》、《終結者2》等特效電影，那時GPU都沒出來。但這些特效都是用很長時間做出來的，放出來1分鐘，做可能要1周。而3D動作遊戲，需要即時計算，就需要非常強大的GPU。

許多人對CPU的串行編程邏輯不陌生，但瞭解GPU編程的人就少多了。GPU有成千上萬個計算核心，可以並行加速計算過程。但有非常多的細節，這些核心並不是都一樣的，而是分成幾類，各有擅長的任務，GPU內部架構也不簡單。

着色器Shader，可以理解為GPU上跑的並行加速程序。有許多種Shader，完成頂點位置、象素顏色計算這些任務。給Shader準備好輸入數據，它就會把計算後的數據寫到顯存、內存上去。

遊戲開發引擎會提供多種Shader，開發者也可以自己編寫Shader，進行特別的處理。但光有Shader，相當於程序只有一些子函數，完成不了整個任務。

這時就需要“渲染管線”，安排好一連串處理動作，它是將3D遊戲世界的數據轉化成2D屏幕上一幅畫面的過程。可以把渲染管線理解為CPU + GPU編程，是一個軟硬件過程，每一步調用CPU或者GPU，其中會有多個不同的Shader完成主要的計算，CPU處理邏輯、準備數據。

遊戲開發引擎提供了渲染管線代碼，程序員可以修改。它會計算出現在“攝像機視角”的物體，將視角以外的物體剪裁掉，邊緣要處理。它需要判斷場景中的物體遮擋情況。對於每個物體，計算2D顯示的顏色值。

一種特殊的算法是天空渲染，其實就是6張“參考圖片”，作為天空採樣的紋理，對應立方體的6個面，天空渲染時根據當前位置方向計算出天空顏色值。在這個意義上，“天空盒”實際並不存在，沒有在場景文件裏。

一個遊戲的渲染管線編寫完成，關於圖形顯示的部分就好了。但是，如果換了GPU，可能需要換一種渲染管線。如果GPU不夠強，一些高開銷的Shader跑不了，就要換成低開銷的Shader，幀率、畫質就要降了。《黑神話》第一次啓動的時候，會進行“着色器編譯”，就是在根據機器的CPU+GPU組合，編譯出合適的二進制代碼，之後再啓動就不需要了。

《黑神話》對GPU的性能有要求，就是這個原因。如果GPU連遊戲最低要求的Shader都跑不了，遊戲就跑不起來。Shader不可能換成CPU跑，太慢無法接受。

要注意渲染管線只管顯示相關的計算，像遊戲的game play玩法和物理引擎，這些是另外的管線，也可能調用GPU。Rendering，就是指計算渲染一幀畫面、向顯存寫入畫面數據這個動作。渲染是動作，渲染管線是過程。

介紹到這裏，3D遊戲開發的主要脈絡就有了。但是還差一個最重要、最複雜的部分，光照模型。場景的樣子是由一個或多個光源光照的效應決定的，計算非常複雜，還與物品的材質有關。物品的材質其實就是物品與光線交互的性質，物體看上去是草、樹還是水，是吸收、反射、透明這些光照屬性決定的。

物體的顏色不是其固有屬性，而是由比較複雜的物理學理論決定的，涉及漫反射、鏡面反射、微表面理論等概念。在遊戲開發裏叫Physical Based Rendering，用於處理光線與物品的交互，光照模型也是渲染中的重要概念。

一個簡單的光照模型是，只考慮直射光，就是假定場景中的每個點都獨立地受各個光源直接照射的影響。光源可以抽象成點光源，平行光相當於無限遠、無衰減的點光源。要計算場景中一個點的亮度，就假定是所有點光源打在這個點上的複合效應。這個計算方法簡單，也能用GPU加速，能提供一個基本的光照效果，實際上大多數遊戲就這麼做的，但會顯得不夠真實。光線會在物體上發生反射、折射，等於又有新的光源了，簡單光照模型沒考慮到這個效應。

把光線的反射、折射效應也考慮進去，就是全局光照模型。理論上這非常複雜，直接光照、間接光照，還要積分。有一些傳統算法來處理，但現在硬件好了，就可以即時地用光線追蹤算法了，Ray Tracing，簡稱光追。

光線追蹤算法是從視點（眼睛）發出數以億計的光線，模擬與物體相交、反射、折射，反覆迭代，直到遇上光源，或者跑出去了、迭代次數夠多了。圖中藍線就是從視點發出的追蹤光線，根據折射、反射等效應產生次生光線。虛線代表光源對每個關鍵點的作用，光源主要的可能作用路徑都被考慮到了，最終可以計算出複合效應。可能的作用路徑非常多，但如果轉折太多次，光強就可以忽略了。

要注意，光線追蹤算法的光線是從眼睛逆向發出來去尋找光源，而不是從光源發出來，這是反直覺的。這是因為最終玩家是用眼睛去看畫面，眼睛能看到的光才有意義，從眼睛發出來光線逆向推導更有效。而光源發出來的光線，要機緣巧合才能到達眼睛，不適合用來做光線追蹤。

這是一種蒙特卡洛抽樣模擬算法，視點放出的光線越多模擬效果越好。光線追蹤算法效果最好，能夠模擬出很好的陰影、反射效果，水面反光、火焰倒影等場景很炫。GPU常用光追來展示性能，英偉達的RTX系列GPU，1秒鐘可以發出上百億根光線。

《黑神話》開光追的下圖，水體折射倒影效果驚人，上圖未開光追

《黑神話》等遊戲界面會有選項，選擇畫質、是否開光追等等。在一些場景，開光線追蹤會有明顯效果。例如這兩個圖對比，開光追的水體折射倒影效果驚人。

《黑神話》廣受好評的畫面展示，還有虛幻5引擎中Nanite技術和Lumen技術的功勞。

黑神話中的佛像羣，極精細的建模

《黑神話》畫面的一個特性是，無論近景、中景、遠景，看着都很自然。前面説過，一個物體的模型會有高精度和低精度，用於近景和遠景顯示，分幾級。但有時會有不太自然的感覺，精度有跳變。Nanite技術可以加載超高精度的模型（多達十億個三角面），幾何體更為真實細膩，這需要高效的幾何壓縮和內存管理。看程序需要，即時計算出合適的模型和場景顯示，而非存儲幾級低精度模型。這需要很好的優化，模型要渲染多少個面是動態決定的，看不見的、遠的就可以節省算力，等於模型本身都在動態變化。總體效果就是場景畫質很高，變化自然，即時流暢，達到了影視級的高質量畫面。

影視級的高質量畫面

虛幻5的另一個重要技術是關於光照的Lumen技術，讓《黑神話》的光影效果很出色。Lumen應用了“動態全局光照”，對光照模型進行了大幅優化，漫反射效果好。還有虛幻引擎的粒子特效系統Nigara，火焰、刀光、能量波、落葉飛舞效果很好。這些技術的具體細節非常複雜，我們感受下效果就好。

使用Lumen動態全局光照，陰影區明暗變化豐富，區域中接收了漫反射光

遊戲開發中的3D建模、圖形渲染、光照模型，是非常重要的前沿高科技領域。美國就是依靠計算機圖形學、遊戲開發等領域的領先，從九十年代起，在電影特效應用上取得了巨大成功，讓好萊塢的影響力傳遍全球。之前各國都有一些優秀的電影，美國優勢沒那麼大。

目前3A遊戲開發涉及的計算機圖形學技術還在快速進步，與高性能GPU開發聯動，是有戰略意義的技術前沿。因此中國需要支持高水平、高質量的遊戲開發，拉動技術應用與原創技術研發。《黑神話》的爆火，對技術進步來説，也是很好的消息。

三．遊戲開發團隊

介紹完了3D動作遊戲開發相關的圖形學知識，再來介紹一下游戲開發人員與團隊。

開發一個3D動作遊戲，需要三類開發者：寫程序的、搞策劃的、做美術的。人員可以兼職，但是任務分工就是這三類。另外還有音頻相關的，還有遊戲測試。有些開發人員是跨領域的，我們一個個來説。

3D遊戲程序開發的任務有客户端程序、引擎程序、圖形程序。客户端就是玩家面對的遊戲界面，客户端程序員開發實現遊戲玩法。引擎程序員，就是處理遊戲引擎相關的程序代碼的，高水平的能自己開發和修改引擎。圖形程序員，就是寫Shader、改渲染管線，加速圖形渲染的。

客户端程序員又分多種，有網絡方向、AI方向、game play方向、動畫方向、物理方向等等。相關功能，大型遊戲都可能需要。如果有後端服務器，也要開發後端程序。

《黑神話》中的遊戲文案

遊戲策劃也分多種，如系統策劃，負責煉丹、升級、道具這些系統的設計。關卡策劃，要設計地圖，給玩家過關設置重重挑戰任務。數值策劃，對遊戲精微的戰力、經濟等數值體系進行設計，有時是遊戲的核心機制。戰鬥策劃，讓打鬥更加精彩。文案策劃，輸出文字，讓故事與角色生動起來。

有一種特殊的策劃職位叫“技術策劃”，要懂遊戲開發技術，會用專業的數學建模與程序知識，參與策劃工作，彌補其它策劃的專業不足，提升策劃質量。

美術對於遊戲的成功非常重要，決定了遊戲的藝術感檔次，《黑神話》的美術風格，得到了極高評價。重要的美術職位有：原畫，畫出漂亮又藝術的角色、場景、物品，現在有AI幫助出圖效率高多了；3D建模，需要用DCC軟件對場景、物品、角色建模；動畫師，設計過場動畫、生產人物骨胳動畫資產，如角色的漂亮動作是放動畫師畫的姿勢動畫，畫30幀放出來90幀，多的是插值生成；地編，要編輯地圖，將各類模型放入關卡策劃設計的地圖裏；特效，設計各種精彩炫目的打鬥、魔法特效。

還有一種職位叫“技術美術”，瞭解美術，又懂圖形學，會編程寫shader。例如會用圖形學技術，將網絡收集的美術素材做出美術效果。技術美術的美術能力也不弱，可能校招進來就培養職場級的原畫能力，能生產商業美術資產，再加上技術能力，綜合實力就強了。

音頻方面，有負責藝術類音樂的，也有處理打鬥、動作音效的。還有“技術音頻”，將原始音頻素材處理出效果，如空曠場景、密集場景各有不同音效。

另外非常重要的是，遊戲要測試，測試工程師負責找出程序bug，最後讓程序穩定運行。還有負責“用户體驗”的，不是找bug，而是評價程序的用户感受，提出修改建議，提升遊戲作品水平檔次。

象《黑神話》這樣的3A大作，上面的這些職位應該都有。一些人會身兼數職，幾個領域都懂。

遊戲公司還可以將一些任務分解外包，能有效降低開發成本。據説《黑神話》的開發商遊戲科學有133名正式員工，還有500人的外包團隊。

土豪們！《黑神話》就是這樣開發出來的，不難吧？怎麼樣，來投錢開發一個吧？

家長們！看看遊戲開發有多少技術？來讓小朋友學學遊戲開發基本知識？

少年們！來玩下3A遊戲大作，看看遊戲是怎麼開發出來的。想想自己能做什麼，説不定，未來的遊戲開發天才，就是你了！