游戏开发的核心原理

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你小时候有没有玩过这样一种玩具：一块硬纸，一面画着一只鸟，一面画着一个笼子。硬纸下粘上一根细棒。用手来回转动细棒，让硬纸的两面快速交替出现，就会看见鸟被关在了笼子里。

这种现象被称为视觉暂留，又称余晖效应。人眼的性质使得光信号在进入之后，会保持一小段时间，这段时间大约是0.1~0.4秒。电影、动画便是利用这种现象得以实现，把一幅幅静态画面快速连续播放，形成看上去连续的活动画面。

游戏也不例外。电子游戏本质上就是：不断显示一张张静态画面，只不过这些画面会根据玩家操作实时变化。

所以，无论是超级马里奥、王者荣耀，还是各种大型 3D 游戏，它们背后其实都有一个类似的核心结构。

来看一段用 Python 里的知名游戏库 pygame（需安装）写的一个“空游戏”代码：

这段代码虽然只显示了一张背景图片，完全没有任何游戏功能，但这已经是一个最基本的游戏代码框架了。

注意代码中一个 while True 的循环，注释为“游戏主循环”。这就是游戏中最核心的主体部分。

程序会在一秒钟内执行几十次甚至上百次这个循环。每循环一次，就相当于生成了一张新的静态画面，然后快速连续地显示出来，于是玩家就会感觉画面是连续运动的。

与动画不同，游戏中不仅要把一幅幅画面播放出来，还需要处理玩家的操作与游戏中内容的交互。所以在这个 while 主循环中，程序通常会不断重复做几件事：

• 接收玩家输入
• 更新游戏状态
• 处理碰撞和规则判断
• 播放动画与音效
• 重新绘制画面

然后进入下一帧循环。

在以上代码的主循环里，做了对退出事件的响应：

for event in pygame.event.get():
    if event.type == pygame.QUIT:
        #接收到退出事件后退出程序
        pygame.quit()
        exit()

然后把图像绘制到窗口中：

screen.blit(background, (0,0))

最后，把整个窗口画面更新：

pygame.display.update()

如果你看过“黏土动画”，那么就可以把整个游戏过程想象成拍摄黏土动画的过程：

• 每一次，screen.blit() 相当于去把人偶、布景移动一点点位置
• pygame.display.update() 则是按下快门拍下一帧新的画面
• 而 if event.type == pygame.QUIT: 就是在判断，导演是不是喊停收工了

这一切都由计算机在极短时间内处理完成，于是玩家感觉整个世界是在连续运行的。

尽管这是非常简单的游戏逻辑，但在核心原理上，绝大多数游戏都是相通的。即使现在很多游戏已经可以通过游戏引擎、甚至 AI 自动生成部分代码，它们底层仍然离不开这个循环。

有些大型 3D 游戏，需要在一次循环内完成大量工作，比如复杂的物理计算、光影渲染、角色 AI、网络同步等等。如果电脑性能不足，这些计算花费的时间就会变长，于是单位时间内能够完成的循环次数就减少了，游戏刷新画面的频率也会下降。这也就是我们常听说“一个游戏的帧率低”的原因，这种时候你就会感到游戏不流畅。

很多人口中所说的“游戏优化不好”，本质上就是：游戏为了生成每一帧画面，需要做的事情太多了，导致计算机无法及时完成。

而关闭游戏特效、降低画质，其实就是在减少每一帧需要处理的工作量。

例如减少光影计算、降低模型精度、减少粒子效果、缩小贴图分辨率等等。这样一来，计算机就能更快完成一次主循环，于是帧率提高，画面也就变得更流畅了。

这些操作，有很多是依赖于 GPU 计算出的，关于这点我在上次的文章中也有过介绍：CPU vs. GPU - 一个诸葛亮顶不住一万个臭皮匠

以上就是对于电子游戏核心原理的简单介绍。

如果你是个对游戏开发感兴趣的新手，可以看看我之前写过的 pygame 系列教程：

Pygame 入门 - 仿微信打飞机游戏

如何开发一个打飞机游戏

虽然现在的 AI 写这种小游戏只是一句提示词的事，但是通过代码实现游戏可以让你对游戏的底层逻辑有更深刻的理解。

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作者：Crossin的编程教室