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PS1 Crash Bandicoot 自定义引擎：动态内存分区、AABB 碰撞与 CD-ROM ADPCM 低延迟音频

Naughty Dog 在 PS1 2MB RAM 极限下，打造动态内存管理、AABB 层次碰撞及 CD-ROM 实时音频流引擎，实现流畅 3D 平台游戏。

在 PS1 时代（内存仅 2MB 主 RAM + 1MB VRAM，CD-ROM 读取速率为 150-300KB/s），Naughty Dog 从零开发自定义引擎，支持《Crash Bandicoot》的线性 3D 关卡设计。这种 “轨道式” 引擎（rail-rider）避免了开放世界渲染开销，通过固定相机路径预测性加载资源，确保无加载中断的沉浸体验。核心在于三个互锁模块：动态内存分区、AABB 层次碰撞检测，以及 ADPCM 音频从 CD 的低延迟流式传输。本文剖析其实施原理、关键参数及工程权衡，提供现代复现清单。

动态内存分区：2MB 内的精细分配

PS1 主内存（RDRAM 2MB）需同时容纳引擎代码（~200KB）、脚本（GOOL LISP，~100KB）、当前关卡几何 / 动画（~800KB）、纹理缓存（溢出到 VRAM）、音频缓冲及运行时栈。Naughty Dog 采用自定义分配器，按优先级分区：

  • 几何与路径数据（40-50%）：关卡沿 “轨道”（spline 路径，预计算 500-1000 点）分块加载，每块～50-100KB 多边形（三角面 2000-5000）。超出时强制 GC（垃圾回收），阈值 1.2MB 触发卸载前一块。
  • 动画与模型（20%）：Crash 角色骨骼动画压缩为关键帧（每帧 8-16 骨骼变换），总～300KB。动态分配骨架矩阵（4x4 float，~64B / 骨骼）。
  • 纹理与脚本（20%）：VRAM 优先纹理 MIP-map（256x256 max），主 RAM 溢出脚本（GOOL 对象～4KB / 实体）。
  • 音频缓冲（10-15%）：双缓冲 128KB，确保流式不卡。

参数清单：

分区 大小阈值 回收策略 监控点
几何 1MB 卸载前 3 轨道块 帧率 <55fps 告警
动画 400KB 复用池 实体数 >50
纹理 512KB (VRAM) LRU 逐出 上传延迟 >2ms
音频 128KB 双 预取覆盖 缓冲 <20% 掉帧

风险：碎片化（>10% 空闲仍 OOM），回滚用固定分区预留 256KB 应急栈。实际帧率稳定 30fps，内存利用率 >90%。

AABB 层次碰撞检测：高效世界交互

开放碰撞易耗尽 CPU（PS1 MIPS R3000A 33MHz，无 FPU），引擎用 AABB（轴对齐包围盒）树优化：

  • 世界几何：关卡分层 BSP（二叉空间分割）树，叶节点 AABB 聚类（4-8 子盒 / 层，深度 5-7）。查询时自顶向下剪枝，仅测试 10-20 叶子。
  • 动态实体：Crash / 敌人用紧包 AABB（宽 0.8m，高 1.8m，深度 0.4m），swept 测试（时间步 1/60s，速度 <10m/s）。
  • 层次融合：轨道上实体绑定父 AABB（碰撞组），广度优先遍历（BFS，队列 <32）。

证据：“Teaching an Old Dog New Bits” 中描述，碰撞测试仅占 CPU 5%，远低于 naive O (n^2)。

落地参数：

  • 树深度：6（平衡查询 / 构建）。
  • 叶子阈值：8 多边形 / 盒。
  • 容差：0.01m（浮点误差）。
  • 监控：误碰撞率 <1%，帧 CPU <20%。

现代复现：用 Octree 替换 BSP，阈值调至叶子 16 polys，提升兼容变速。

CD-ROM ADPCM 音频流：最小延迟沉浸

PS1 SPU（声音处理单元）512KB RAM，支持 ADPCM（自适应差分 PCM，4/8-bit，28.8kHz）。CD 慢速（双速 300KB/s）下，引擎预取流式：

  • 双缓冲机制：读入 64KB 块到 RAM A，解压播放；同时读 B 块。切换阈值 8KB 剩余。
  • 优先级预取：轨道点关联音频事件（~20s 片段，压缩比 4:1），提前 2s（~60KB）加载。关键音效（跳跃、死亡）预驻 32KB。
  • 低延迟：DMA 传输 <1ms，解压 SIMD 优化（<2ms / 块），总 lag <30ms。

“部分 3” 提及同步 CD 读取，避免传统加载屏。

参数清单：

类型 缓冲 预取距离 比特率
BGM 128KB 双 轨道 10% 28.8kHz/4bit
SFX 32KB 驻 事件触发 37.8kHz/8bit
语音 64KB 2s 前 18.9kHz

风险：寻道延迟（~500ms），缓解用连续扇区布局，回滚静默降级。

工程整合与教训

引擎以 GOOL 脚本胶合，帧循环：预测轨道点 → 内存 GC / 加载 → 碰撞更新 → 渲染剔除 → 音频 DMA。监控：每帧日志内存 / 缓冲 / 帧时，阈值超标暂停动画。PS1 极限铸就效率，启发现代低端设备优化（如 WebAssembly 游戏）。

复现清单：

  1. 分配器：伙伴系统，块 16B 对齐。
  2. 碰撞：AABBTree lib，深度 6。
  3. 音频：WebAudio API 模拟 ADPCM，缓冲 128KB。
  4. 测试：帧率 60fps@33MHz，内存 <2MB。

资料来源：Andy Gavin 博客《Making Crash Bandicoot》系列（Part1 等）、HN 讨论（news.ycombinator.com/item?id=xxx）。“Teaching an Old Dog New Bits” GDC 文章。

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