这里有你对 Web 游戏的疑问吗?

本文记录了笔者对 Web 游戏的一些疑问,也许你也恰巧曾经遇到过。

回顾 Flash

习大大说道:“不忘历史才能开辟未来,善于继承才能善于创新”。对于新生一代(如 00 后和我🙄 ),由于 Web 新标准的快速推进,有些旧事物也许未接触就已经被新事物取代了。如曾经如日中天的 Flash,现在被 HTML5 逐渐蚕食。

由于我未曾学习过 Flash 编程,所以通过查阅资料发现了一个网站——Waste Creative 公司的《Flash vs HTML5》,它对 Flash 与 HTML5 作出了比较(具体数据也许已过时,但整体趋势不变)

Flash HTML5 Canvas
运行平台 桌面端 桌面端、移动端
桌面端浏览器支持率 99% 82%
3D 硬件加速支持率 Flash Player 11(stage3D)81% WebGL 53%
文件&资源目录 可编译的 SWFs 意味着 Flash 可作为单个文件共享和重新托管(re-hosted)。这对于 Flash 游戏非常重要。 HTML5 的本质意味着它的基础资源会作为独立的文件加载。因此,HTML5 的托管需要更谨慎。
可视化创作 Flash IDE 对于设计师和新开发者来说是非常友好的,它拥有一个庞大的用户群体和社区。 相较于前者,HTML5 创作工具(Animate CC)目前还处于起步阶段,没有明确的“工业标准”。
移动端浏览器 目前的浏览器不再有 Flash 插件,Adobe 已经停止对先前移动端 player 的支持与迭代。 Canvas 几乎已得到所有浏览器的支持,而 WebGL 的支持程度也逐渐提高。

在移动端早就不支持 Flash 的情况下,现在越来越多桌面端现代浏览器默认不启动 Flash 了。在可预见的未来,HTML5 (Canvas 2D 与 WebGL)的支持度会越来越高。

尽管 HTML5 的支持度越来越高,但是对于很多未接触 Flash 开发而直接着手于 HTML5 开发的新人来说,前辈们的经验无疑是非常宝贵的。在 2014 年有将近 30 万的 Flash 开发者,其中 90% 是和游戏相关的,他们对 Web 游戏的开发和理解都胜于任何使用其他 Web 前端技术进行开发游戏的群体。

基于这点,很多 HTML5 游戏引擎在 API 设计等方面都会考虑 Flash 这个开发群体。另外 Adobe Animate CC(前身是 Flash Professinal)在支持 Flash SWF 文件的基础上,加入了对 HTML5 的支持。因此,熟悉 Flash 的设计师/开发者就能通过 Animate CC 进行可视化创作,然后导出基于 Canvas 的游戏/动画。

渲染模式:Canvas 2D 与 WebGL

我们常常听到有人说:“3D 场景用 WebGL”。

这句话对于未深入学习相关知识的人来说,会潜移默化地在脑中留下这样的刻板印象:“WebGL 就是 3D,3D 就是 WebGL”。

其实不然,因为我们也能在三维空间里绘制二维物体嘛。因此,我们能看到很多 2D 游戏引擎(如 PixiJSEgret)会提供两种渲染模式:Canvas 2D 和 WebGL。但由于两者 API 不相同,游戏引擎会对两者进行一定抽象封装,为开发者提供一致的 API。

注:PixiJS 的定位是渲染器。而为了方便描述,在本文中我们暂且称它为游戏引擎。

另外,我们可以看到在支持上述两种渲染模式的游戏引擎中,都会优先启用 WebGL,若不兼容则回退至 Canvas 2D。游戏引擎之所以采取这种策略,目的之一是获取更高的性能。

那为什么 WebGL 的性能比 Canvas 2D 高?

在回答上述问题前,我们先了解 Canvas 2D 与 WebGL 的基本信息。

我们都知道 <canvas> 元素提供一个了空白区域,让特定的 JavaScript API 进行绘制。其中,绘制 API 取决于用户所指定的绘制上下文,如 Canvas 2D 或 WebGL。

Canvas 2D

对于 Chrome,其 Canvas 2D 的底层实现是 Skia 图形库。其实不止于 Chrome,该库还服务于 Chrome OS、 Android、Mozilla Firefox 和 Firefox OS 等众多产品。

通过在 Chrome 地址栏输入 about:gpu 可看到,Canvas 2D 是支持硬件加速的。若未启用,则在地址栏输入 about:flags,然后启用 Accelerated 2D canvas 选项并重启浏览器即可。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Graphics Feature Status
Canvas: Hardware accelerated ***
Flash: Hardware accelerated
Flash Stage3D: Hardware accelerated
Flash Stage3D Baseline profile: Hardware accelerated
Compositing: Hardware accelerated
Multiple Raster Threads: Enabled
Native GpuMemoryBuffers: Hardware accelerated
Rasterization: Hardware accelerated
Video Decode: Hardware accelerated
Video Encode: Hardware accelerated
WebGL: Hardware accelerated
WebGL2: Hardware accelerated

WebGL

什么是 WebGL(Web Graphics Library)?简而言之,它允许 JavaScript 对图形硬件进行低阶编程。这无疑让 Web 页面能更好地利用显卡的优势,如 3D、着色器和卓越性能。

另外,目前 WebGL 有两个版本,其中 WebGL 1.0 是基于 OpenGL ES 2.0,WebGL 2.0 是基于 OpenGL ES 3.0。

GPU 是如何渲染 2D 图像的?

在了解了 Canvas 2D 和 WebGL 的基本信息后,我们再看看 GPU 是如何渲染 2D 图像的。

首先,我们先介绍渲染处理,以便你了解测试中发生了什么。尽管有点简化,但它能让你有一个基本的认识。要在低阶渲染器(如 WebGL 和 DirectX)中绘制 2D 图像,首先需要一个能包围该图像的四边形。因此,我们需要提供该四边形每个角的坐标(x, y)。这里的每个角都被称为顶点(vertex),如下图的红点所示:

vertex
包围着图像的四边形

为了高效地绘制大量的 2D 图像,我们需要有一个能装载每个图像所有顶点的列表。该列表存储在顶点缓冲区,显卡会进行读取绘制。下图中有 5 个海盗公主,有的旋转,有的缩放,共有 20 个顶点。

多个 vertexs
多个图像时的顶点

显卡是非常先进的技术,它已被庞大的 3D 游戏行业推动多年。现在它的运算速度非常快,渲染 2D 图像的速度更是快得难以形容。因为它的渲染速度甚至比你告诉它渲染哪张图更快。换句话说,计算每个顶点的位置并将其发送到显卡的这个过程可能需要 2 微秒,但显卡完成其工作只需 1 微秒,然后空闲地等待下一个指令。

由此可看出,2D 游戏的性能主要受限于顶点缓冲区的填充速度。所以这里的问题是:计算顶点的位置和将其填充到缓冲区的速度能有多快?

下面我们将分别对 Canvas 2D 和 WebGL 进行测试。

性能测试

为了测试两个渲染器的性能,我们编写了一个标准测试。首先,我们有一个蓝色正方形图像,然后在其基础上绘制足够多的图像,直至让帧率降至 30FPS。这样做是为了最大限度地减少每帧中不必要的计算量,确保我们能得出顶点的填充速度。另外,图像是具有透明度的,因此我们能看到它们不断地堆叠起来,如下图:

测试示例图
测试示例图

我们可在各个浏览器上进行测试,以查看它们的实际渲染速度:

在 Early 2013 MacBook Pro(系统为 macOS 10.12.5,硬件配置为 i7 2.4GHz 处理器、8G 1600 MHz DDR3 内存、GT 650M 显卡)上测试可得出以下数据:

注:对于 Windows,可能还需要修改独显对测试浏览器的支持(默认可能是集显)。

Chrome 59.0.3071.115(正式版本)(64 位)测试数据如下:

Chrome Canvas 2D
Chrome Canvas 2D——分数为 2415

Chrome WebGL
Chrome WebGL——分数为 13711

Safari 10.1.1(12603.2.4)测试数据如下:

Safari Canvas 2D
Safari Canvas 2D——分数 7481

Safari WebGL
Safari WebGL——分数 52061

Firfox 54.0.1(64位) 测试数据如下:

Firfox Canvas 2D
Firfox Canvas 2D——分数 5992

Firfox WebGL
Firfox WebGL——分数 66291

由上述数据可得:3 款浏览器的 WebGL 性能都优于 Canvas 2D,Chrome 是 5.6 倍、Safari 是 6.95 倍、Firfox 是 11 倍。而且由分数可看出:Safari 和 Firfox 无论是 Canvas 2D 还是 WebGL 都远强于 Chrome。

为何 WebGL 普遍比 Canvas 2D 性能要高呢?

对于 Canvas 2D,其 API 相对于 WebGL 更高阶。即它实际并没有直接发送顶点信息到顶点缓冲区,而只是描述了在某个位置上绘制一个 2D 图像,然后再让浏览器计算出具体的顶点信息。

对于 WebGL,它直接给出所有对象的顶点信息。这意味着无需再进行任何计算来确定顶点的信息。这样就可以消除浏览器对顶点处理的开销,从而直接复制到顶点缓冲区。另外,从上面我们的实际测试结果可知,WebGL 的性能提升效果是非常明显的。当然,上述只是简单的测试,实际应用中还是需要考虑实际情况。

综上所述,影响两者性能的因素有很多,如操作系统、硬件、浏览器的底层实现与优化和项目代码质量等。在实际测试中,现代浏览器的 WebGL 性能在整体上优于 Canvas 2D。

也许有人认为:性能够用就好,再高也就是过剩。其实不然,因为除了保证画面流畅外,性能高还有以下好处:

  1. 运行流畅且稳定(不会因其他因素干扰而掉帧)。
  2. 游戏开发商能拥有更多空间去增加更多功能和提高画面质量。
  3. 运行效率更高,能耗更低(电池使用量、发热量)。

游戏为什么要 60FPS,而电影 24FPS 就行

一般来说,要达到流畅的体验,电影需要 24FPS,而游戏却要 60FPS。

概括来说,造成两者差异的主要原因有:

  1. 两者图像生成原理不同
  2. 电影的 FPS 是稳定的,而游戏则是不稳定

更详细的解答请看以下两个链接(此刻,我不生产内容,只是内容的搬运工):

最后

其实原来文章的大纲不止于以上几点(还有 TypeScript、WebAssembly、脏矩形、骨骼动画等),但由于笔者深知自己能力和经验上的不足,所以把模棱两可或不确定的点都取消了。但笔者会在后续的学习中不断完善,甚至增加新的知识点。所以这是一篇不定时更新的博文,请持续关注 凹凸实验室

看了以上几个心中疑问后,是否觉得离『游戏入门』的门近了一点呢?

最后,希望大家能在评论区提出更多关于 Web 游戏的疑问,说不定可以收录至本文哦👏。

参考资料:

感谢您的阅读,本文由 凹凸实验室 版权所有。如若转载,请注明出处:凹凸实验室(https://aotu.io/notes/2017/07/23/some-doubts-about-web-games/