3D引擎

3D引擎是将现实中的物质抽象为多边形或者各种曲线等表现形式，在计算机中进行相关计算并输出最终图像的算法实现的集合。

3D引擎根据是否能够被主流计算机即时计算出结果分为即时3D引擎和离线3D引擎。PC机及游戏机上的即时3D画面就是用即时3D引擎运算生成的，而电影中应用的3D画面则是用离线3D引擎来实现以达到以假乱真的效果。

3D引擎对物质的抽象主要分为多边形和NURBS两种。在即时引擎中多边形实现已经成为了事实上的标准，因为任何多边形都可以被最终分解为容易计算和表示的三角形。而在离线引擎中为了追求最好的视觉效果会使用大量的NURBS曲线来实现多边形很难表现出的细节和灵活性。

3D引擎作为一个名词已经存在了很多年，但即使是一些专业的引擎设计师，也很难就它的定义达成一个共识。通常来说，3D引擎作为一种底层工具支持着高层的图形软件开发。你可以把它看成是对3D API的封装，对一些图形通用算法的封装，对一些底层工具的封装。我无法准确的定义3D引擎的含义和作用，因为针对不同的用户和开发项目，3D引擎完成的功能可能都有不同。因此，我将从功能的角度来定义3D引擎，这种定义法也许能更确切的表达出一个3D引擎的真实含义。

3D引擎最基本的功能应该包括：

1. 对3维场景的数据管理

这里的数据管理是一个比较广泛的定义，不同的3D引擎也许会拥有其中一个或多个功能。这些功能包括：场景管理，对象系统，序列化，数据与外部工具的交互，底层3维数据的组织和表示。

场景管理：这个名称相信对3D引擎有一定认识的朋友都很熟悉了。通常它和SceneGraph同时存在于一些架构方面的资料中。由于3D引擎可能会用来管理一些庞大的3D世界，在这个世界中物体与物体之间通常存在一些 相关/从属/影响与被影响关系，如何组织这些关系，并确切的将这些关系与3D引擎的其他功能联系起来，就是场景管理需要完成的工作。常有朋友问我场景管理是用的哪种算法。从我的理解来讲，场景管理是一种设计模式，而不是一个具体的算法，也许你会最终选择BSP/QuadTree/Portal/...作为场景管理树的结构，但是这些已经是实现层面的东西了，而且它们也远远不是场景管理的全部。因此我认为Scene Manager 和Scene Graph manager 这两个概念还是分开理解比较好。

场景管理首先需要考虑如果表达场景中物体的关联关系，这部分通常是由场景图来实现的。通过一个一对多的树形结构已经可以满足要求，当然考虑到数据层的共享和维护，允许子树进行Clone也是前期设计时需要考虑的一个方面。再此之后，就需要考虑物体之间材质的继承关系，动态环境如何嵌入到你选择的场景图中。在一个考虑到交互和触发机制的引擎中，还需要考虑物体之间如何发送消息。（比如一个结合了物理引擎的场景）。实际上在整个引擎中你所涉及到的各种算法和设计，都或多或少的会和场景管理发生联系。比如在一个实现动态光影的引擎中，物体之间如何实现相互遮挡，光源的影响范围如何在场景图上继承，都是在设计时需要考虑的问题。

2。功能合理的渲染器

之所以要说是合理的渲染器，是因为一个引擎的渲染能力是由多方面决定的。比如一款以实时游戏作为目标的游戏，会选择基于光栅化的渲染算法。在这种设计前提下，几何体一级的数据不会过于详细，例如物体表面的BRDF，折射率，纹理坐标空间的变化率，切线空间的变化率（当然随着硬件能力的提升和Shader能力的发展，这些数据也会出现在一些比较高级的游戏引擎中），这时候即使你在设计初期就考虑到这些数据需求，并将它们表现在了Render中，最后也不会由任何意义。

3。与外部软件的交互能力

简单的说，就是开发工具。任何一款3D引擎如果没有开发工具都不能称为是完整的。这些开发工具可能是一些文件转换器，场景编辑器，脚本编辑器，粒子编辑器....

有了上面3种功能，就可以称为3D引擎了。当然，如果要开发一款功能强大的引擎，那还有很多很多的功能需要满足，其中一些功能将在后面的章节中有详细的描述。