问题

请问游戏编程中的精灵(sprite)是什么意思呢?有什么作用呢?老外命名它的意图又是什么呢?

回答
游戏编程里的“精灵”(Sprite),这可不是什么会施展魔法的幽灵,而是一个实实在在的技术概念,也是构成我们眼前游戏世界不可或缺的元素。简单来说,精灵就是游戏画面中的一个独立、可移动的图形元素。你可以把它想象成一张贴纸,这张贴纸上画着一个角色、一个道具、一颗子弹,甚至是一片闪烁的特效,然后这张贴纸可以在你的游戏屏幕上自由地飞来飞去,进行各种互动。

精灵到底有什么作用呢?

精灵的设计和使用,大大简化了游戏图形的制作和管理,其核心作用可以从几个方面来理解:

1. 简化动画的实现: 这是精灵最核心的价值之一。想象一下,如果你要制作一个角色行走动画,需要画出四五甚至十几帧的连续图像。如果直接把这些图像一个个画在背景上,然后每次切换帧的时候都要重新绘制整个画面,效率会非常低下,而且容易出现画面闪烁或不连贯的问题。
精灵的出现解决了这个问题。开发者会将一个角色的所有动画帧制作成一张“精灵图集”(Sprite Sheet)或者动画序列。游戏运行时,只需要将对应的精灵图像加载到显存中,然后根据动画逻辑,在每一帧游戏画面中,将这张精灵图像按照特定的位置和朝向“贴”到屏幕上的正确位置即可。这样一来,动画的切换就变成了在屏幕上“绘制”不同的精灵图像,或者在同一个精灵图像上切换不同的区域,大大提高了绘制效率,也保证了动画的流畅性。

2. 独立管理和交互: 每个精灵都是一个独立的“对象”。这意味着它们有自己的位置、大小、旋转角度、以及动画状态。游戏引擎可以很容易地跟踪和管理这些属性。比如,一个敌人精灵可以有自己的生命值、移动速度、攻击逻辑,而玩家控制的角色精灵则有自己的移动控制和技能释放。
更重要的是,精灵之间的碰撞检测也变得更加方便。游戏引擎可以轻松地检查两个精灵的边界是否重叠,从而触发相应的事件,比如玩家碰到敌人掉血,或者子弹击中敌人造成伤害。这种独立性使得游戏世界的元素可以灵活组合和互动,构建出复杂的游戏玩法。

3. 优化图形渲染: 在早期的游戏机和电脑上,显卡性能非常有限。如果每一帧都要绘制整个游戏场景,对于处理大量动态元素的游戏来说是巨大的负担。精灵的出现,允许开发者将大部分静态背景绘制一次,然后只在需要的地方绘制动态的精灵。
有些硬件甚至专门为精灵提供了加速功能,比如硬件精灵。这些硬件可以直接处理精灵的绘制、叠加和透明度混合,甚至实现硬件级的滚动和缩放,极大地提升了游戏的运行速度和画面表现力。虽然现在强大的GPU让硬件精灵的概念没那么突出,但其核心的思想——将动态元素与静态背景分离处理——依然是现代游戏图形渲染优化的重要思路。

4. 实现特殊的视觉效果: 除了角色和道具,精灵还可以用来表现各种特效,比如爆炸、闪电、粒子效果等。这些效果往往需要快速、连续地变化,使用精灵可以方便地实现这些动态的视觉表现,增强游戏的表现力。

老外命名“Sprite”的意图又是什么呢?

好,我们来聊聊这个名字的由来。之所以叫“Sprite”,背后其实隐藏着一种非常贴切的比喻。

在英文里,“Sprite”这个词最早可以追溯到神话传说中,指的是那些存在于自然界、通常是无形的、但可以以各种形态显现的“小精灵”或者“鬼怪”。它们常常被描述为轻盈、灵巧,能够快速移动,甚至可以瞬间出现或消失。

你可以把这个比喻和游戏中的精灵联系起来:

灵巧与快速移动: 游戏中的精灵,无论是玩家角色还是敌人的子弹,都需要在屏幕上快速、灵活地移动,就像神话中的小精灵一样,可以在场景中穿梭。
独立的存在: 神话中的精灵似乎不属于大的物体,而是独立的个体。游戏中的精灵也是如此,它们是独立于背景的、可以单独控制和交互的图形单元。
短暂的显现或变化: 有些精灵,比如爆炸效果,可能只是短暂地出现在屏幕上,然后就消失了。这也很符合神话中小精灵偶尔现身又隐匿的特点。

所以,当开发者们在早期设计这些可以在屏幕上自由移动、变化的独立图形元素时,用“Sprite”这个词来命名,实在是再贴切不过了。它形象地捕捉到了这些图形元素在游戏中的核心特性:轻盈、灵动、独立且具有动态变化的能力,就像那些在传说中活跃的小精灵一样。这是一种很形象、很生动的命名方式,而不是一个生硬的技术术语。

总的来说,精灵(Sprite)是游戏编程中一个非常基础但又至关重要的图形处理概念,它通过将游戏中的动态元素抽象成独立的、可管理的图形单元,极大地提高了动画制作、角色控制和画面渲染的效率与灵活性,而“Sprite”这个名字,更是巧妙地概括了这些图形元素在游戏中的灵动与独立特性,如同传说中的小精灵一般,为游戏世界注入了生命力。

网友意见

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看了现有的一些回答,都遗漏了一个重要方面:游戏发展早期,C甚至汇编当道;复杂的游戏逻辑(玩家操作、攻击技能、伤害判定、各种特殊的技能/状态逻辑,等等等等)想要有条不紊的管理起来、随时间流逝均匀可控的运作、同时又要尽量优化性能(比如其它答案谈到的“图形显示优化”)……


这难度,飞上天了吧?


因此,就有了“精灵”抽象:游戏里一切能感知时间流逝、具有坐标位置的,都是精灵。

你看,一下子抓住了两个根本:一、有坐标信息;二、能感知时间流逝。


一旦抓住这两个根本,事情就容易起来了。

我们可以设计一个定时器,周期性的调用和精灵绑定的处理函数(相当于C++的虚函数,接受的传入参数是interval)——实际上,这个处理函数是一个dispatcher,它负责转调用我们写的一切动画以及碰撞判定等逻辑的处理函数。

所有这些函数都要接受interval参数,比如让精灵按贝塞尔曲线运动的函数就是用interval乘以运行速率、然后改写精灵的坐标信息;同样的,动画呢,就是按照interval的节律缩放扭曲图片或者改变它的颜色(或者基于interval把一组图片换来换去,从而实现走路、放大招等效果)。

注意精灵是可以没有对应的图片的,比如我们要在进门处放个陷阱,那就是一个和门口坐标重叠的、不可见的“触发器trigger”,当碰撞检测发现游戏物体和这个“触发器精灵”坐标重合时,就会调用对应的trigger。


换句话说,这是用C甚至汇编实现的一个原始而精巧的继承体系;它的根是“精灵”这个基类,提供坐标这个公开数据成员和dispatcher时钟信息的接口;然后是“支持碰撞检测以及提供接受碰撞事件并加以处理的接口”的继承类,和“支持动画”的继承类以及其它各种继承类。

至于为什么叫“精灵”,大概是因为它只是能“感知”有位置,却未必有实体吧——在西方传说里,“精灵sprite”本来就是有魔力的、介于虚实之间的幻想角色,如火之精灵、光之精灵之类。


一旦有了这个抽象,那么无论声音还是图像,无论是软件还是硬件优化,就都要以精灵为中心了:负责游戏性循着精灵这条线更改角色位置、检测碰撞、触发相关处理逻辑;负责画面的也循着精灵这条线,更新屏幕显示、优化图形性能;负责声音的呢,同样循着精灵这条线,根据距离画面焦点的远近改变不同声源的声音大小、以及考虑是否应该添加滤波/回音等效果;负责剧情的同样可以把文字/过场动画/事件触发等绑到精灵上,设定触发条件即可,等等等等。

总之,每个人只关注自己需要关注的那个侧面,完全可以忽视其它东西的存在。这样不管游戏多么复杂、世界多么宏大,一切都可以井井有条的解决。


注意这个先后顺序:程序员设计的东西,肯定是以便利程序员自己为最优先。

先有了一个最合理最高效的架构,然后一切就可以基于这个架构提供方便。

就好像是计算机3D图形先把3D真实感图形渲染以面片为中心、然后硬件设计(显卡/GPU)才提供了迎合这个抽象的渲染体系;并不是硬件先弄出来面片,然后程序员们一阵焦头烂额手忙脚乱的往面片迁移……肯定不是这个过程,对吧。

换句话说,硬件支持可以证明一种做法的流行——流行到通过硬件管线直接支持——却几乎不可能是这种做法的来源(都出硬件支持了,可想而知这种设计在硬件出来之前有多流行)。


另一个,因为大多数人只负责自己那一块,很容易局限于“在我的领域,XX事是怎么怎么来的”。这大概就是高票二位大佬掐架的原因。

但游戏开发是个很复杂的工作,不可能迁就于某个单一方面。

比如在3D游戏逻辑开发里就没有“面片”,那是建模和渲染玩的,不会“侵染”游戏逻辑开发过程,对吧。

同样的,2D游戏开发,精灵是从软件架构来的;但这个架构在设计时,一定综合考虑了图像渲染、游戏逻辑等诸多方面,最终才决定“同时向图像组和游戏逻辑组开放sprite这个概念”——也只有站在总体架构的角度,sprite这个术语才是贴切的:如果是图像处理方单独决定的,那他们肯定不会叫它sprite。这个词和他们做的事(合成活动图片到背景)有半点关系吗?


当然,因为语言层面没有面向对象的支持,这个设计只能通过以强制类型变换为核心的各种奇技淫巧实现。

到了面向对象时代后,这套体系就沿用下来了;后来大概是为了区分吧,2D游戏仍然沿用精灵这个术语;而3D游戏就改名叫GameObject,不再使用“精灵”这个说法(但一切GameObject仍然有坐标有transform,哪怕它只是个计分牌、只关心屏幕坐标)。


正因此,当年C++等面向对象语言火爆时,游戏界反而不怎么感冒。因为这些都已经在C语言里面有了完美的解决体系,面向对象语言搞的那么一堆private啦继承啦之类约束反而会打破这个体系,把既有体系推倒重来、然后再把附着于既有体系的无数现有逻辑重写一遍,这实在太麻烦了。所以……C++,从游戏行业滚开!
嗯,当然,说“C++滚开”是开玩笑
上古时代的确只能用C或者汇编写游戏;但后来渐渐转向C写引擎、然后通过内嵌的脚本引擎或协作其它语言写游戏逻辑这类解决方案,以便提高生产效率。那么这些协作语言完全可以用各种面向对象的新秀。
只是当时的游戏引擎被锁定到C了,推倒重来代价太大;而把和引擎配合、写游戏逻辑的语言改成C++,一个是不能像脚本那样简化和加速游戏开发任务(用脚本就图它简便,换成一辈子精通不了的C++不是找不痛快吗),一个是游戏逻辑这块并没有太高的性能需求。这等于说换C++一点好处没有,反而带来很多麻烦。因此在相当长一段时间里,最面向对象的游戏业反而普遍不用C++。
直到多年以后、基于C++开发的新游戏引擎/框架越来越成熟、越来越强大,游戏业这才慢慢抛弃C,转而拥抱C++以及其它面向对象语言。
但由于学习门槛高,C/C++系还是只用在引擎内部,游戏逻辑部分还是会选用其它语言。

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