手机行动游戏的蓬勃发展是最近这两三年的事，目前我们在台湾所看到的行动游戏多是以2D方式呈现的Java Download Game居多，但其实行动3D游戏已经在日本或某些欧洲国家，如芬兰等渐渐的成熟并被消费者所接受。本文将向各位读者介绍行动3D游戏绘图技术的发展现况，包括一些重要规格的发展现况、硬体的发展现况与趋势，​​以及游戏内容未来可能的发展，让读者可以对此领域有更进一步的了解。此外，本文所探讨的行动3D技术将会以普罗大众所使用的手机平台为主。

行动3D内容起飞的关键 – OpenGL ES

在过去，手机平台之上一直缺乏3D绘图介面的标准（API），造成内容开发业者开发行动3D游戏的不便。直到去年8月OpenGL ES标准发表后，这个问题才获得解决。 OpenGL ES规格是由Khronos组织所主导，结合多家行动装置大厂及图学组织，包括NOKIA、Motorola、ERICSSON、SGI、ATI、Sun、ARM、TI等公司，并参考目前的OpenGL架构加以删减而成，其目标是发展出适合于嵌入式系统上轻简且低阶的3D显像API。

根据三维计算中有理数的使用方式，OpenGL ES订定了Common – Lite及Common两种Profile。其中，Common – Lite Profile是使用定点数（Fixed Point）方式来处理有理数的运算，而Common Profile则是使用浮点数（Floating Point）方式来处理有理数运算。这两种Profile的制定，是针对具备不同能力的嵌入式系统所设计。

现在的嵌入式系统在成本的考量上，大多不会配备浮点数计算硬体，并以软体方式模拟浮点数的加减乘除运算。这种模拟浮点数方式的运算速度极慢，很难用在需要大量数学运算功能的应用上。

因此，Common – Lite Profile直接将有理数以一个32 bits大小的长整数取代，定义整数与小数位各为16位元（16.16），整数位还须容纳一个正负符号，因此最大值为0x8fff.ffff（约为32768.999..）最小单位为0x0000.0001（为1/65536，约为10的负5次方）。在这种模式下，虽然可表示的有理数范围有限，精准度也不甚高，但由于其内的加减乘除运算，均可由长整数的运算构成，整体计算速度才能达到三维图学要求。反之，Common Profile为针对已有浮点数运算能力的硬体平台所设计，有理数的数学运算仍用浮点数方式处理，所以可表示的有理数范围极大，但若在无浮点运算能力的平台上执行，将无法达到要求的速率。

OpenGL ES目前所制订的版本为1.0版。此版系由OpenGL 1.3版所修改而来，OpenGL ES 1.0版将OpenGL 1.3版的部份较复杂功能移除，留下最核心的基本显像绘制能力。底下针对几个重要的3D绘图功能来说明OpenGL ES1.0版的功能特色。

几何资料部分：

OpenGL ES考量速度需求将原OpenGL 1.3版的glBegin及glEnd函式从规格中拿掉，不再提供单点单点指定几何资料的模式，而完全采用几何资料阵列（Vertex Array）的方式来指定几何资料。应用程式须将所有几何资料，包含几何点座标（Position）、法向量（Normal）、贴图座标（Texture Coordinate）、颜色值（Color）等。并以每点为单位，存入几何点阵列中，再根据应用程式的阵列使用旗标（glClientEnable），来决定是否使用这些阵列资料，同时配合glDrawArray及glDrawElement函式，将几何点阵列资料做绘制。

在三角片颜色绘制的部分：

可指定是由单一颜色（使用glColor）、贴图效果（Texturing）、光源效果计算（Lighting），或以贴图与光源两种效果合成。另外，每个三角片可指定背面测试（Back Face Culling）或视空间切割（View Volume Clipping）。为了在小萤幕上达到较佳的绘制效果，三角片边界的绘制甚至提供了消除锯齿（Antialiasing）规格以供使用。

在几何资料的座标转换上：

仍然使用堆叠的置入（Push）、取出（Pop）方式来做转换矩阵的架构管理，矩阵堆叠的大小在几何资料转换上（Model-View Matrix），至少得有16层、在视点投影矩阵上（Projection Matrix），至少得有2层，而在贴图座标矩阵上（Texture Matrix），也至少得有2层。

在贴图资料的指定上：

可使用的贴图均须展开为原始颜色资料（Raw Data）。可支援的贴图模式包括RGB888、RGB565、RGBA4444，与RGBA5551这四种模式，而贴图的大小至少须支援到64 x 64 Pixels。此外，还可在贴图上指定小范围做小贴图（Sub Image）置换工作。

在光源计算上：

OpenGL ES允许于虚拟3D环境中设定多盏光源，而各光源效果可累加。光源的模式可分为点光源（Point Light）、直射光源（Directional Light）、聚光光源（Spot Light）。与OpenGL相同的是，依照Phong Model、光源和物体材质的参数具有反射光效果（Specular Term），散射光效果（Diffuse Term），环境光效果（Ambient Term），材质上并多了自体发光的效果（Emission Term）。几何三角片的光源效果计算上，则具有速度较快，以平面法向量计算整片三角片的平面着色（Flat Shading）方式，及速度较慢，以每点法向量计算三角片各点颜色，并以内插法算出其内颜色的平滑着色（Smooth Shading）方式。

除上述之功能外，OpenGL ES 1.0版还包括Scissor ​​Test、Alpha Test、Stencil Test、Depth Test、Alpha Blending、Fog与Polygon offset等功能。

在未来发展蓝图上：

Khronos预计于2004年8月的图学技术年度国际研讨会SIGGRAPH中，发表OpenGL ES 1.1版的规格，并于2005年发表OpenGL ES 2.0版规格。从其规划方针来看，1.1版的规格主要着重于让嵌入式硬体的有理数计算能与OpenGL ES得到更多结合，而2.0版则更打算将绘制语言（Shading Language）加入规格中。如(图一)所示：

《图一 OpenGL与OpenGL ES的未来发展蓝图》

未来行动3D内容主要的执行平台 – JSR 184

目前许多手机如Nokia 6600、Nokia 6100等，都有提供下载与执行Java应用程式（Midlet）的功能。手机之所以能执行Java应用程式（Midlet），是因为手机上搭载了可以即时解译Midlet内容，及执行的虚拟机器（KVM）。至于手机能执行那些功能的Midlet，则取决于该手机有搭载哪些Profile及Package，例如目前的Java手机都会搭载Mobile Information Device Profile（MIDP）这个Profile。

在2003年的11月，负责制订Java Profile规格的JCP组织公布了一个可于行动平台上执行3D功能的Package – Mobile 3D Graphics API。 Mobile 3D Graphics API简称M3G，其Java Specification Request（JSR）的标号为184，是由Nokia这家手机大厂所主导制订。其它的专家群（Expert Group）成员包括SonyEricsson、Motorola、Siemens、Sun、ARM、Intel、Texas Instruments、HI、Hybrid G​​raphics、Superscape、Symbian、France Telecom等，举凡手机大厂、晶片大厂、游戏开发大厂、嵌入式系统、电信业者等都为专家群（Expert Group）的一份子，可见此规格受重视的程度。在M3G规格底定后，未来的手机将可以随时下载Java 3D游戏。 M3G的实作架构如(图一)所示。

《图二 M3G的实作架构》

除了前面介绍的M3G这个行动平台的Java 3D绘图函示库外，JCP组织为了因应某些厂商希望能直接使用OpenGL ES来开发手机Java应用程式的需求，最近开始着手制订一个Java介面的OpenGL ES Package 。此标准的JSR标号为JSR 239，目前第一轮的投票已经通过，整个规格预计在2004年的11月定案。若此标准成立，则本段提到的M3G也将可以实做于JSR 239之上，意即前面架构图中的Low – Level API是JSR 239，而High – Level部分则是完全以Java透过JSR 239来实作。

行动3D硬体的发展现况

由于OpenGL ES的标准确立，让许多IC设计厂商也开始投入行动平台3D绘图晶片的开发。不过与PC平台不一样的地方是，行动平台的体积必须轻薄短小，且必须能够节省电力达到长时间使用之目的。因此行动平台3D绘图硬体的发展，将朝向与其他多媒体功能整合，如整合型单晶片（System on a Chip，SoC）架构，或独立一颗与基频IC搭配的Co – Processor架构。

目前此领域的领先者是Imagination Technologies公司，其2D／3D PowerVR MBX技术已经广为许多大厂所采用，如Nokia、任天堂。而过去大家所熟知PC领域的IC设计大厂Intel，也有取得PowerVR MBX的授权，并开发出符合OpenGL ES标准的绘图晶片 – Intel 2700G。

PC领域的3D绘图晶片领导厂商ATi最近也推出了一系列的行动3D绘图晶片 – Imageon 2300。此晶片更获得CDMA手机晶片厂商Qualcomm的采用，并将其整合至Qualcomm的MSM 7系列的基频解决方案中。另一家PC领域的3D绘图晶片大厂nVidia，则是在今年的3GSM大会发表可程式化行动3D绘图技术 – AR10。其中特别的是，AR10并非一颗实体晶片而是智材（Intellectual Property，IP）。 nVidia将授权AR10核心给其他厂商开发SoC。另一个值得一提的是， TI也在去年取得PowerVR MBX的授权，并将其整合进TI OMAP 2之中，以提供3D绘图的功能。

国内部分，目前矽统科技已成功开发出一款名为Glamo的Multimedia Co – processor。这颗Glamo具备2D／3D Graphics功能、JPEG Codec、MPEG4 Codec、LCD Controller，以及照相所需的影像处理功能。在3D功能部分，Glamo每秒最高可以处理128万个多边型资料（Polygon／Sec），并有每秒3千3百万个图素的填色效能（Pixel／sec），其效能已经远远超越PS游戏机的3D处理效能。 (图二)是Glamo的架构说明。

《图三 Glamo的架构说明》

随着照相手机成为渐渐成为标准、未来消费者对于无线影音的需求，及兼具节省用电与体积等考量下，日后的中高阶手机上面都可能搭载一颗能够处理Audio、Video、2D／3D Graphics，以及照相与影像处理功能的多媒体处理器。而专注于不同领域的IC设计业者，如照相手机Backend IC与音效IC等业者将透过取得授权的方式（如ARM的MCU、Imagination 的PowerVR）来整合出这样的多功能多媒体处理器。

行动3D游戏的未来可能发展的型态

读者看到这里应该有个感觉，就是整个手机环境的软、硬体发展似乎已经很适合开发3D游戏了，但实际上要开发手机行动3D游戏仍然有些问题需要克服，第一个问题是手机上的储存空间并不多。

目前绝大多数的手机都使用Flash来存放应用程式与资料，Flash记忆体的价格短时间内并无法降到如PC硬碟机的这种超低价格（Kbytes／元）。且在手机上同时会有许多的应用程式，如MMS或Video都要使用Flash记忆体，因此即便手机上有32MB的Flash记忆体，但游戏程式真正能用的空间并不多。

另一个问题是如何把游戏程式与游戏资料安装到消费者的手机上，在目前热门的PC或是游戏机平台这方面，玩家都是到特定商店购买烧录于CD片中的游戏，然后再回家进行安装。不过手机是消费性产品，其重要的特色就是随身携带与方便使用，因此让消费者取得游戏程式与资料的方式，必须要随时随地且容易的取得与安装。

要解决上述问题就必须要善用未来双网环境的WLAN Channel或WCDMA的高频宽，并藉由动态下载的方式来取得游戏程式与游戏场景。如果是Java应用程式，则可以直接利用Over-The-Air（OTA）的方式来得到游戏程式，并直接透过Java Application Manager来安装，尔后该游戏程式再透过MIDP所提供的HTTP功能去取得游戏场景。

如果是一般的嵌入式环境，则手机上必须预先搭载一个类似游戏播放器的程式，然后再透过TCP／IP或HTTP等网路通讯协定来取得游戏资料。此种动态下载游戏资料的另一个好处是，玩家可以随着游戏剧本的设定，源源不绝的取得最新的游戏内容，甚至还可将游戏与玩家所在地结合，让玩家在不同的地点玩不同的游戏场景。

《图四 不同展现方式的手机3D人机接口》

结语

过去几年有许多研究机构宣称行动游戏将在这几年内会产生很高的产值，然而碍于许多环境面的因素，行动游戏这个产业在台湾目前的表现仍不理想。至于行动平台上之3D环境的成熟与行动3D游戏的普及是否会真正带起行动游戏的整体产值，则仍有很大的争论。不过笔者个人认为，其中的一个重要关键，是在于游戏内容与介面的设计必须要站在消费者的角度去思考。

行动游戏应利用手机随身携带与随时连网的特性，来协助消费者能够在短暂的空档里利用游戏愉快的打发时间，或是让喜爱线上游戏的玩家可以在没有PC的环境里，继续享受线上游戏所带来之群体互动的感受。而在输入介面的设计上更应力求易学与易用，如此喜爱行动游戏的玩家群才会增加。

除了行动3D游戏之外，3D环境的成熟也将让手机的人机介面以3D的方式呈现，甚至是个人化的3D表现方式，(图三)是资策会所开发的手机3D介面雏形。@參考資料:注：目前资策会网多所发展出符合OpenGL ES与JSR184标准的Mobile 3D Engine，网多所同时并协助开发双网环境的行动3D线上游戏。读者如果在行动3D绘图技术有任何的问题或需要更进一步的资讯，欢迎透过E – Mail来与笔者联络。

《图五 资策会网多所开发之手机3D联机赛车游戏（MS Pocket PC Phone Edition平台）》

＜作者群为资讯工业策进会 网路多媒体研究所成员，联络方式：appleman@iii.org.tw＞

延 伸 阅 读	行动装置虽然进步飞快，在手机或PDA上玩游戏打发时间已经是常见的事，但却很少见到有人在小小的萤幕上执行画面复杂、高硬体需求的3D游戏。虽然目前少见，但3D游戏确实已经出现在行动装置上，而且产值还以惊人的速度提升中。相关介绍请见「行动装置的3D天堂」一文。 在2D游戏中，由于行动的空间和方式受到很大的限制，玩者是依靠游戏良好的操作性和自己的思维力、想像力弥补现场感的缺失。而在3D游戏中，行动的自由度和灵活度有了质的飞跃，玩者能够借由身体和视线的移动获得对游戏世界的直接感知，从而加强感官刺激与认知理解之间的联系。你可在「3D vs. 2D」一文中得到进一步的介绍。 行动游乐器已渐渐从单纯的游戏机走向多媒体播放器，由新一代行动游乐器强大的绘图技术和功能来看，PDA与手机等行动装置在单一功能的发展下，终有一天会被取代。在「从娱乐走向多元的行动游乐器」一文为你做了相关的评析。

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