Herní engine. Co je Engine. Struktura enginu Hotové enginy

Počítačové hry Herní engine

Obsah přednášky

I

Co je „Engineÿ

I

Herní smyčka

I

Struktura enginu

I

Hotové enginy

Literatura a odkazy

I http://gpwiki.org/index.php/Game Engines I http://en.wikipedia.org/wiki/Game engine I http://www.devmaster.net/engines/

I Dalmau. Core Techniques and Algorithms in Game Programming. 2003 I Zerbst, Duvel. 3D Game Engine Programming. 2004 I Harbour. Game Programming All in One (2nd Edition). 2004 I Eberly. 3D Game Engine Architecture: Engineering Real-Time

Applications with Wild Magic. 2004

”It is a mistake to think you can solve any major problems just with potatoes.” -Douglas Adams

Co je engine?

I I

Je jádro interaktivní aplikace Má za úkol odstínit programátora-uživatele od systémových záležitostí I

poskytuje základní metody I I I I

I

inicializace nahrání dat ... ukončení

Ulehčuje vývoj hry I

možnost znovuvyužití velkých kusů kódu I

I

v ideálním případě „pouzeÿ změna dat

přechod na jinou platformu

Co všechno engine nabízí?

I

Záleží na kvalitě enginu I I I I I I I I I I I I

grafika 2D, 3D fyzika a kolize zvuk vstupy/výstupy skriptování animace umělá inteligence síťové záležitosti správa paměti reprezentace světa (scene graph) správa souborů GUI

Aplikace v reálném čase

I

Hry jsou časově závislé aplikace I

modul pro simulaci virtuálního světa I I I

I

prezentační modul vstupní modul

I

pro zjednodušení jen 3 - update světa a prezentace, vstup

I

I

Každý z modulů je časově omezen I

I

AI fyzika ...

co si s tím počít?

Všechny moduly běží současně I

jak to ale zařídit?

Pokus první – jednoduchá smyčka I

Jednoduchá smyčka I I

update, pak prezentace oba moduly mají stejnou váhu

while (! end ) { Input () Update () Presentation () } I

Výhody I

I

jednoduchost

Vstupy

Update

Prezentace

Problémy I

závislost na výkonu systému I I

na rychlém stroji nehratelné na pomalém taky

I Hra běží různě rychle na různých počítačích. V minulosti běžná praxe,

dnes velké rozdíly a nelze využít.

Pokus druhý – konstantní rychlost hry a závislé FPS I

Konstantní rychlost hry I I

update, pak prezentace pokud zbývá čas, čeká se

while (! end ) { Input () Update () Presentation () nextTime += 1000/ FPS sleepTime = nextTime - currTime ; Sleep ( sleepTime ); } I

Update

Prezentace

Výhody I

I

Vstupy

jednoduchost

Sync

Problémy I I

na rychlém stroji čeká na pomalém stroji nestíhá

I Pomalé počítače: dokud stíhají požadovanou frekvenci, je vše ok. Při

vysokých nárocích dochází k tomu, že se čas stává proměnný a to znepříjemňuje hru. I Rychlé počítače: hra by mohla běžet mnohem plynuleji, místo toho se

čeká.

Pokus třetí – proměnné FPS a závislá rychlost hry I

Maximální rychlost diktovaná kreslením I

počítá se čas od posledního snímku

while (! end ) { prevTime = currTime currTime = GetTime () Input () Update ( currTime - prevTime ) Presentation () } I

Výhody I

I

plynulejší v závislosti na rychlosti

Vstupy

Update

Prezentace

Problémy I

spousta

I Řešení trochu náročnější než předchozí (je nutné brát v potaz čas), ale

lépe využívá systém. I Pomalé počítače: pokud přijde náročnější scéna, výrazně spadne

framerate, což je nepříjemné kvůli odezvě. Horší je, že se to projeví i v AI a fyzice (kolize, nestability. . . ). I Rychlé počítače: protože je výpočet závislý na výkonu, může dojít při

velké rychlosti (velkém počtu iterací) k naakumulování chyby ve výpočtech (AI, fyzika) a následným neočekávaným efektům.

Pokus čtvrtý - konstantní rychlost a maximální FPS I

Oddělení updatů a prezentace I

update držet konstantní, prezentace kdykoliv je to možné

while (! end ) { loops = 0 while ( GetTime () > nextTime && loops < MAX_SKIP ) { Input () Update () loops ++ nextTime += 1000/ TPS } Presentation () } I

Výhody I

I

Vstupy

Update

Prezentace

stabilní rychlost

Problémy I

na rychlém stroji se zbytečně kreslí stejné snímky

I Čas se updatuje v konstantním čase, kreslení probíhá ve volných chvílích.

Podmínka loops < MAX SKIP se stará o to, aby se u pomalých počítačů kreslilo alespoň jednou za TPS/MAX SKIP. I Pomalé počítače: dochází k poklesu počtu snímků, pod kritickou hranicí

(= TPS/MAX SKIP) dochází ke zpomalení hry a neúnosně trhanému vykreslování. I Rychlé počítače: může docházet ke kreslení shodných snímků, hra běží

efektivně na maximálně TPS.

Pokus pátý – konstantní rychlost a variabilní FPS I

Využití inter/extrapolace pro větší plynulost animace while (! end ) { loops = 0 while ( GetTime () > nextTime && loops < MAX_SKIP ) { Input () Update () loops ++ nextTime += 1000/ TPS } interpolation = ( GetTime () + 1000/ TPS - nextTime )* TPS /1000 Presentation ( interpolation ) }

I

Výhody I I

I

plynulost pohybu podle rychlosti počítače konstantní rychlost hry

Nevýhody I

nutnost interpolátoru

Paralelní smyčka

I

Řešení podobné jako v předchozím případě I I

I

I

I

zvlášť update zvlášť prezentace

Nevýhody I

Vstupy

zajištění synchronizace problémy na 1 procesoru

Update

Výhody I

více času Prezentace

Struktura enginu Hudba

Audio engine

Čas

Síť Zvuky

Fyzikální egine Detekce kolizí

Update GUI

Script engine A.I.

Stavový manager Renderer

Souborový manager Prezentace

Animační engine

Správce paměti Vstup

Vstupní subsystém

Scene manager

Herní logika

I I

Je zodpovědná za update světa Musí se starat o I I I I

statický svět hráče pasivní prvky aktivní prvky

Statický svět

I

Objekty, které jsou součástí světa, ale nemají definováno chování I

I

terén, zdi, . . .

U rozsáhlých světů nelze rozumně udržovat vše I I

výběr aktivní části světa (graf scény, dělení prostoru) dynamické nahrávání světa (správa paměti, souborový systém)

Hráč

I I

Musí uchovávat a updatovat stav hráče Vstup od uživatele I I

klávesnice, myš, joystick, . . . abstraktní kontroler I I

I

Otestování omezení I I

I

hra se nestará o čtení z konkrétních zařízení lze libovolně namapovat

geometrická omezení (detekce kolizí) logická omezení (skriptování)

Update stavu I I I

spuštění animace pro pohyb úprava pozice ...

Pasivní prvky

I

Objekty s nadefinovaným chováním, bez vlastní inteligence I

I

dveře, krabice, poletující ptáci. . .

Nutné udržovat konzistentní stav I I I

seřazení podle relevantnosti (graf scény, dělení prostoru) vyhodnocení modelu chování (dynamika, skriptování) update stavu

Aktivní prvky

I

Objekty s vlastní inteligencí I

I

nepřátelé (nebo spoluhráči)

Nutné udržovat konzistentní stav I I I I I

seřazení podle relevantnosti (graf scény, dělení prostoru) otestování stavu a vytyčení cílů (skriptování) otestování omezení (detekce kolizí) rozhodnutí (umělá inteligence) update stavu

Struktura herní logiky // static world P r e s e l e c t A c t i v e Z o n e () // player update ReadControls () C o m p u t e R e s t r i c t i o n s () U p d a t e Pl a y e r S ta te () // passive objects S o r t A c c o r d i n g R e l e v a n c e () E x e c u t e C o n s t r o l M e c h a n i s m () U p d a t e P a s s i v e O b j e c t s S t a t e () // active objects S o r t A c c o r d i n g R e l e v a n c e () S e n s e I n t e r n a l S t a t e A n d G o a l s () C o m p u t e R e s t r i c t i o n s () MakeDecision () U p d a t e A c t i v e O b j e c t s S t a t e ()

Prezentace scény

I

Tvoří podstatnou část hry I

I

Musí zajistit prezentaci I I I

I

stará se o to, aby byl hráč vtažen do hry statického světa a jednoduchých pasivních objektů složitých pasivních objektů a aktivních objektů hráče

Prezentace může probíhat pomocí více kanálů I I I I

vizuální audio taktilní ...

Statický svět

I

Stará se o vykreslení statického světa a objektů s jednoduchou animací I

výběr relevantní části světa I I I

I I I

ořezávání odstranění odvrácených částí zakrytí

výběr vhodného rozlišení (LOD) příprava geometrie vykreslení

Aktivní objekty

I

Stará se o vykreslení objektů s komplexní animací I I

I

objekty postavy (NPC)

Musí zajistit I I I I I

výběr relevantních objektů výběr vhodného rozlišení animování příprava geometrie vykreslení

Hráč

I

Speciální případ NPC I

I

většinou není nutné testovat zda je či není viditelný

Malé zjednodušení I I I I

(výběr vhodného rozlišení) animování příprava geometrie vykreslení

Struktura prezentace

// static world S e l e c t V i s i b l e S u b s e t () S el e c tR es o lu ti on () PackGeometry () RenderWorld () // active objects S e l e c t V i s i b l e S u b s e t () Animate () PackGeometry () RenderNPC () // player Animate () PackGeometry () RenderPlayer ()

Záludnosti síťové hry

I

Předchozí model se musí upravit I

I

Při updatu hráče je I

I

pro jiného hráče jste NPC odeslání změn na server

Při updatu aktivních objektů I I

zavedení speciální třídy UI síťové zprávy mapuje na objekty

Hotové enginy

I

Vyrábění vlastního enginu od základu je příliš nákladné I I I

I

inspirace jinými enginy úpravy existujících enginů hotová řešení

Výběr enginu záleží na mnoha aspektech I I I I I I I

licence a cena typ hry požadované moduly stabilita hw nároky požadovaný jazyk podpora

Vlastnosti – Grafika

I

Modely osvětlení

I

Textury

I

Speciální efekty

I

Terény

I

Animace

I

LOD

I

Částicové systémy

Vlastnosti – Zvuk

I

3d zvuk

I

Text to speech

I

VoIP

I

Streamování

Vlastnosti – AI

I

AI behaviour

I

Boti

I

Formace

I

Fuzzy logika

I

Line of Sight

I

Zpracování přirozeného jazyka

I

Hledání cesty

I

Stavový automat

I

Skriptování

Vlastnosti – Fyzika

I

Detekce kolizí

I

Režimy pohybu

I

Fyzikální vlastnosti

I

Simulace dopravních prostředků

I

Simulace tekutin

I

Rag dolls

Vlastnosti – Síťařina

I

Počet hráčů

I

Úroveň implementace

I

Protokol

I

Výkon

I

Architektura

I

Seznam serverů

Vlastnosti – Platforma a HW požadavky

I

Platforma

I

CPU

I

Paměťová náročnost

I

Zvuk

I

Grafika

I

Síťové připojení

Vlastnosti – Náročnost

I

Počet polygonů

I

Počet objektů

I

Velikost textur

I

Počet spuštěných skriptů

I

Počet síťových klientů

Vlastnosti – Dokumentace a podpora

I

Úroveň dokončení

I

Úroveň dokumentace

I

Online help

I

Ukázkové kódy

I

Tutoriály

I

Knihy

I

Fóra

I

Podpora

Vlastnosti – Ladění

I

Debugger

I

Profiler

I

Ladění za běhu

I

Simulátor síťového prostředí

Vlastnosti – Ostatní

I

Nahrávání a přehrávání hry

I

Instant replay

I

Nahrávání a ukládání stavu hry

I

Přehrávání videa

I

Cut scenes

I

...

Přehled enginů I I

http://www.devmaster.net/engines Volné enginy I I I I I

I

Nízkonákladové enginy I I I

I

OGRE Irrlicht Crystal Space Quake 3 ... Torque Game Engine TV3D ...

Profi enginy I I I

Doom3 Havok ...