从0开发3D引擎（八）：准备“搭建引擎雏形”

大家好，现在开始本系列的第三部分，按照以下几个步骤来搭建引擎雏形：
1、分析引擎的需求
2、实现最小的3D程序
3、从中提炼引擎原型
4、一步一步地对引擎进行改进，使其具备良好的架构
5、实现与架构相关的功能，如“多线程渲染”、“延迟渲染”等功能

本文进行第一步，分析引擎的需求。

业务目标

1.手把手教读者如何从0开发3D引擎
2.学习函数式编程及其在3D领域的应用
3.学习3D编程中基础的功能实现，如纹理、光照、模型等
4.学习引擎的设计和架构，如Data Oriented、多线程等

本系列开发的引擎属于最简化的引擎，读者可以根据自己的需要在此基础上对引擎进行扩充，满足自己的应用场景。

范围

• 简单渲染
  引擎只有最基础的光照和纹理功能。
• 简单交互
  引擎只能通过“操作相机”来交互。
• 适当的扩展
  引擎支持主要的扩展方式，如使用脚本组件来插入用户逻辑，实现动态场景。

Feature

• 最小功能
• 完全函数式的架构
• 支持良好的扩展性
• 优秀的性能

上下文

• 开发者
  开发者是直接使用引擎来开发Web 3D应用的程序员。
• 编辑器
  编辑器属于对引擎的二次开发。它对引擎进行封装，以“所见即所得”的方式向用户提供对Web 3D场景编辑的界面，从而使用户可以很方便地开发Web 3D应用。

功能性需求

• GameObject和Component
  引擎是ECS架构，场景是由多个GameObject组成，而每个GameObject又由多个组件（Component）组成。
  其中，组件包括Transform、Geometry等。
• 多线程渲染
  如果浏览器支持Shared ArrayBuffer和OffscreenCanvas，那么引擎可以打开多线程渲染，使用两个线程：主线程和渲染线程。
• 前向渲染和延迟渲染
  引擎支持前向渲染和延迟渲染，用户可以选择其中一种进行渲染。
• 光照
  引擎只支持方向光。
• 纹理
  引擎只支持最基本的纹理。
• Scene Graph
  引擎使用自定义的wdb格式保存场景数据，并支持它的导入和导出。
• 相机
  引擎支持用相机与场景交互，包含几个子功能点：
  • 支持透视投影相机
  • 事件
    引擎绑定和封装了事件，统一了pc端和移动端的事件。
  • 支持相机控制，如漫游相机
• 扩展
  引擎支持用扩展来实现自定义功能，包含几个子功能点：
  • 自定义渲染管道
  • 脚本组件
  • 自定义材质

非功能性需求

引擎对于“质量”要求高，因为它是需要长期开发和维护的项目，而且具有很高的技术复杂度。

开发期质量

• 高可扩展性
  因为本系列开发的引擎属于通用引擎，需要支持各种应用场景，所以要求引擎便于扩展。
  本系列主要通过脚本组件等功能来支持扩展。
• 高可维护性
  引擎需要长期维护，所以需要引擎代码健壮，易于维护。
  本系列主要通过契约检查、强类型语言Reason自带的编译检查、代码重构来确保可维护。
• 低可测试性
  照理说，引擎需要很高的可测试性，这样在长期的开发中能显著降低错误率，提高效率。但是本系列为了节省篇幅，没有写自动化测试用例，而是通过“运行测试”来验证正确性。
  建议读者在实际开发中，保证较高的自动化测试覆盖率。

运行期质量

• 高性能
  因为使用引擎渲染的3D应用，特别是3D游戏，至少需要每秒30帧才能流畅运行，所以引擎对于性能要求很高。
  本系列在搭建引擎雏形时，会进行多次性能测试，从而保证使用最佳性能的方案来构建引擎底层。