Hazel Engine深度剖析：从入门到精通的2D/3D渲染引擎架构详解

2026-02-05 05:17:38作者：劳婵绚Shirley

引言：为什么选择Hazel Engine？

你是否还在为选择合适的游戏引擎而烦恼？是否想要深入了解游戏引擎的内部工作原理？Hazel Engine将为你提供一个理想的学习和开发平台。作为一款由知名开发者TheCherno打造的开源游戏引擎，Hazel Engine不仅具备强大的2D/3D渲染能力，还致力于成为游戏引擎设计与架构的教育工具。通过本文，你将全面了解Hazel Engine的架构设计、核心模块、使用方法以及未来发展方向，让你从入门到精通，轻松掌握这款强大引擎的方方面面。

Hazel Engine概述

Hazel Engine是一个主要针对Windows平台的早期交互式应用和渲染引擎。虽然目前实现的功能还不算丰富，但几乎所有代码都伴随着YouTube视频教程，你可以在thecherno.com/engine找到相关内容。Hazel Engine的开发理念是双重的：一方面打造强大的3D引擎，另一方面作为游戏引擎设计和架构的教学工具。因此，该仓库的开发速度相对较慢，因为所有内容都需要在镜头前进行教学和实现。

Hazel Engine的源代码托管在https://gitcode.com/gh_mirrors/ha/Hazel，遵循MIT许可证开源。引擎的主要特点包括：

快速2D渲染（UI、粒子、精灵等）
高保真基于物理的3D渲染（将在2D之后扩展）
跨平台支持（Windows、Mac、Linux、Android和iOS）
原生渲染API支持（DirectX、Vulkan、Metal）
功能齐全的查看器和编辑器应用程序
完全脚本化的交互和行为
集成第三方2D和3D物理引擎
程序化地形和世界生成
人工智能系统
音频系统

快速开始：Hazel Engine环境搭建

要开始使用Hazel Engine，你需要按照以下步骤进行环境配置：

1. 下载仓库

首先，使用以下命令克隆仓库：

git clone --recursive https://gitcode.com/gh_mirrors/ha/Hazel

如果你之前非递归克隆了仓库，可以使用以下命令克隆必要的子模块：

git submodule update --init

2. 配置依赖项

运行位于scripts文件夹中的Setup.bat文件。这将下载项目所需的先决条件（如果尚未存在）。
其中一个先决条件是Vulkan SDK。如果尚未安装，脚本将执行VulkanSDK.exe文件，并提示用户安装SDK。
安装完成后，再次运行Setup.bat文件。如果Vulkan SDK安装正确，它将下载Vulkan SDK调试库（这可能需要较长时间）。
下载并解压缩文件后，Win-GenProjects.bat脚本文件将自动执行，为用户生成Visual Studio解决方案文件。

如果进行了更改，或者想要重新生成项目文件，请重新运行scripts文件夹中的Win-GenProjects.bat脚本文件。

核心架构：Hazel Engine的分层设计

Hazel Engine采用了清晰的分层架构，使得代码组织有序且易于维护。下面我们将深入探讨引擎的核心模块。

应用程序核心（Application Core）

应用程序核心是Hazel Engine的基础，负责管理应用程序的生命周期、窗口创建和事件处理。核心类Application定义在Hazel/src/Hazel/Core/Application.h中，它包含了应用程序的主要逻辑。

Application类的主要功能包括：

应用程序初始化和关闭
事件处理
图层管理
主循环运行

以下是Application类的关键代码片段：

class Application
{
public:
    Application(const ApplicationSpecification& specification);
    virtual ~Application();

    void OnEvent(Event& e);
    void PushLayer(Layer* layer);
    void PushOverlay(Layer* layer);
    Window& GetWindow() { return *m_Window; }
    void Close();
    static Application& Get() { return *s_Instance; }
    const ApplicationSpecification& GetSpecification() const { return m_Specification; }
    void SubmitToMainThread(const std::function<void()>& function);
private:
    void Run();
    bool OnWindowClose(WindowCloseEvent& e);
    bool OnWindowResize(WindowResizeEvent& e);
    void ExecuteMainThreadQueue();
private:
    ApplicationSpecification m_Specification;
    Scope<Window> m_Window;
    ImGuiLayer* m_ImGuiLayer;
    bool m_Running = true;
    bool m_Minimized = false;
    LayerStack m_LayerStack;
    float m_LastFrameTime = 0.0f;
    std::vector<std::function<void()>> m_MainThreadQueue;
    std::mutex m_MainThreadQueueMutex;
private:
    static Application* s_Instance;
    friend int ::main(int argc, char** argv);
};

渲染系统（Renderer）

渲染系统是Hazel Engine的核心模块之一，负责处理2D和3D图形的渲染。渲染系统的主要类Renderer定义在Hazel/src/Hazel/Renderer/Renderer.h中。

Renderer类提供了以下核心功能：

初始化和关闭渲染系统
窗口大小调整处理
场景渲染开始和结束
提交渲染命令

以下是Renderer类的关键代码片段：

class Renderer
{
public:
    static void Init();
    static void Shutdown();
    
    static void OnWindowResize(uint32_t width, uint32_t height);

    static void BeginScene(OrthographicCamera& camera);
    static void EndScene();

    static void Submit(const Ref<Shader>& shader, const Ref<VertexArray>& vertexArray, const glm::mat4& transform = glm::mat4(1.0f));

    static RendererAPI::API GetAPI() { return RendererAPI::GetAPI(); }
private:
    struct SceneData
    {
        glm::mat4 ViewProjectionMatrix;
    };

    static Scope<SceneData> s_SceneData;
};

Hazel Engine的渲染系统支持多种渲染API，包括DirectX、Vulkan和Metal，这使得引擎能够在不同平台上发挥最佳性能。

场景系统（Scene）

场景系统负责管理游戏世界中的实体和组件。Scene类定义在Hazel/src/Hazel/Scene/Scene.h中，它使用ECS（实体组件系统）架构来组织游戏对象。

Scene类的主要功能包括：

创建和销毁实体
实体组件管理
场景更新和渲染
物理世界管理

以下是Scene类的关键代码片段：

class Scene
{
public:
    Scene();
    ~Scene();

    static Ref<Scene> Copy(Ref<Scene> other);

    Entity CreateEntity(const std::string& name = std::string());
    Entity CreateEntityWithUUID(UUID uuid, const std::string& name = std::string());
    void DestroyEntity(Entity entity);

    void OnRuntimeStart();
    void OnRuntimeStop();

    void OnSimulationStart();
    void OnSimulationStop();

    void OnUpdateRuntime(Timestep ts);
    void OnUpdateSimulation(Timestep ts, EditorCamera& camera);
    void OnUpdateEditor(Timestep ts, EditorCamera& camera);
    void OnViewportResize(uint32_t width, uint32_t height);

    Entity DuplicateEntity(Entity entity);

    Entity FindEntityByName(std::string_view name);
    Entity GetEntityByUUID(UUID uuid);

    Entity GetPrimaryCameraEntity();

    bool IsRunning() const { return m_IsRunning; }
    bool IsPaused() const { return m_IsPaused; }

    void SetPaused(bool paused) { m_IsPaused = paused; }

    void Step(int frames = 1);

    template<typename... Components>
    auto GetAllEntitiesWith()
    {
        return m_Registry.view<Components...>();
    }
private:
    template<typename T>
    void OnComponentAdded(Entity entity, T& component);

    void OnPhysics2DStart();
    void OnPhysics2DStop();

    void RenderScene(EditorCamera& camera);
private:
    entt::registry m_Registry;
    uint32_t m_ViewportWidth = 0, m_ViewportHeight = 0;
    bool m_IsRunning = false;
    bool m_IsPaused = false;
    int m_StepFrames = 0;

    b2World* m_PhysicsWorld = nullptr;

    std::unordered_map<UUID, entt::entity> m_EntityMap;

    friend class Entity;
    friend class SceneSerializer;
    friend class SceneHierarchyPanel;
};

编辑器使用：Hazelnut编辑器详解

Hazel Engine附带了一个名为Hazelnut的编辑器应用程序，它允许开发者创建和编辑游戏场景、管理资源等。Hazelnut编辑器的源代码位于Hazelnut/src/目录下。

编辑器界面

Hazelnut编辑器的主要界面由多个面板组成，包括：

场景层级面板（Scene Hierarchy Panel）：显示场景中的实体层级结构，允许选择和编辑实体。相关代码位于Hazelnut/src/Panels/SceneHierarchyPanel.cpp和Hazelnut/src/Panels/SceneHierarchyPanel.h。
内容浏览器面板（Content Browser Panel）：允许浏览和管理项目资源，如纹理、模型、脚本等。相关代码位于Hazelnut/src/Panels/ContentBrowserPanel.cpp和Hazelnut/src/Panels/ContentBrowserPanel.h。
属性面板（Properties Panel）：显示和编辑选中实体的组件属性。
视口面板（Viewport Panel）：实时预览场景渲染结果，支持交互操作。

场景编辑工作流程

使用Hazelnut编辑器创建游戏场景的基本流程如下：

创建实体：点击场景层级面板中的"创建实体"按钮，选择实体类型（如空实体、2D精灵、3D模型等）。
添加组件：选中实体后，在属性面板中点击"添加组件"按钮，选择要添加的组件（如变换、渲染器、碰撞体等）。
编辑属性：在属性面板中调整实体和组件的属性，如位置、旋转、缩放、材质等。
保存场景：使用菜单栏中的"保存"选项保存场景，场景文件将以.hazel扩展名保存在项目的Assets/Scenes目录下。例如，Hazelnut/SandboxProject/Assets/Scenes/Example.hazel是一个示例场景文件。
运行游戏：点击编辑器工具栏中的"播放"按钮，在编辑器中预览游戏运行效果。

实践案例：使用Hazel Engine创建简单游戏

为了帮助你更好地理解Hazel Engine的使用方法，我们将通过一个简单的案例来演示如何使用引擎创建一个基本的2D游戏。

1. 创建Sandbox项目

Hazel Engine提供了一个Sandbox项目作为起点，你可以在Sandbox/目录下找到它。Sandbox项目包含了一些示例代码和资源，如Sandbox/src/Sandbox2D.cpp展示了如何创建一个简单的2D场景。

2. 添加精灵和物理

在Sandbox2D类中，你可以看到如何创建精灵实体并添加物理组件：

void Sandbox2D::OnCreate()
{
    HZ_PROFILE_FUNCTION();

    m_CheckerboardTexture = Hazel::Texture2D::Create("assets/textures/Checkerboard.png");
    
    m_Scene = Hazel::CreateRef<Hazel::Scene>();

    auto square = m_Scene->CreateEntity("Square");
    square.AddComponent<Hazel::SpriteRendererComponent>(glm::vec4{ 0.8f, 0.2f, 0.3f, 1.0f });
    
    auto cameraEntity = m_Scene->CreateEntity("Camera");
    cameraEntity.AddComponent<Hazel::CameraComponent>();
}

3. 处理输入和更新游戏逻辑

在Sandbox2D类的OnUpdate方法中，你可以处理输入并更新游戏逻辑：

void Sandbox2D::OnUpdate(Hazel::Timestep ts)
{
    HZ_PROFILE_FUNCTION();

    // 更新相机位置
    if (Hazel::Input::IsKeyPressed(HZ_KEY_A))
        m_CameraPosition.x -= m_CameraMoveSpeed * ts;
    else if (Hazel::Input::IsKeyPressed(HZ_KEY_D))
        m_CameraPosition.x += m_CameraMoveSpeed * ts;

    if (Hazel::Input::IsKeyPressed(HZ_KEY_W))
        m_CameraPosition.y += m_CameraMoveSpeed * ts;
    else if (Hazel::Input::IsKeyPressed(HZ_KEY_S))
        m_CameraPosition.y -= m_CameraMoveSpeed * ts;

    // 更新场景
    m_Scene->OnUpdateEditor(ts, m_Camera);

    // 渲染
    Hazel::Renderer2D::BeginScene(m_Camera);
    
    // 绘制精灵和其他2D元素
    Hazel::Renderer2D::DrawQuad(glm::vec2(0.0f, 0.0f), glm::vec2(1.0f, 1.0f), m_CheckerboardTexture, 10.0f);
    
    Hazel::Renderer2D::EndScene();
}