M

MLOG

فارسی

راهنمای جامع ماشین‌های حالت متناهی (FSM) برای مدیریت وضعیت بازی. پیاده‌سازی، بهینه‌سازی و تکنیک‌های پیشرفته برای توسعه بازی قوی را بیاموزید.

مدیریت وضعیت بازی: تسلط بر ماشین‌های حالت متناهی (FSMs)

در دنیای توسعه بازی، مدیریت مؤثر وضعیت بازی برای خلق تجربیات جذاب و قابل پیش‌بینی حیاتی است. یکی از پرکاربردترین و اساسی‌ترین تکنیک‌ها برای دستیابی به این هدف، ماشین حالت متناهی (FSM) است. این راهنمای جامع به عمق مفهوم FSMها می‌پردازد و مزایا، جزئیات پیاده‌سازی و کاربردهای پیشرفته آن‌ها در توسعه بازی را بررسی می‌کند.

ماشین حالت متناهی چیست؟

ماشین حالت متناهی یک مدل ریاضی محاسباتی است که سیستمی را توصیف می‌کند که می‌تواند در یکی از تعداد متناهی حالت‌ها قرار گیرد. سیستم در پاسخ به ورودی‌های خارجی یا رویدادهای داخلی بین این حالت‌ها جابجا می‌شود. به زبان ساده‌تر، FSM یک الگوی طراحی است که به شما امکان می‌دهد مجموعه‌ای از حالت‌های ممکن برای یک موجودیت (مثلاً یک شخصیت، یک شیء، یا خود بازی) و قوانینی که نحوه حرکت موجودیت بین این حالت‌ها را کنترل می‌کنند، تعریف کنید.

به یک کلید ساده چراغ فکر کنید. این کلید دو حالت دارد: روشن و خاموش. فشار دادن کلید (ورودی) باعث انتقال از یک حالت به حالت دیگر می‌شود. این یک مثال پایه‌ای از FSM است.

چرا از ماشین‌های حالت متناهی در توسعه بازی استفاده کنیم؟

FSMها چندین مزیت قابل توجه در توسعه بازی ارائه می‌دهند که آن‌ها را به انتخابی محبوب برای مدیریت جنبه‌های مختلف رفتار بازی تبدیل می‌کند:

اجزای اصلی یک ماشین حالت متناهی

هر FSM از اجزای اصلی زیر تشکیل شده است:

پیاده‌سازی یک ماشین حالت متناهی

چندین راه برای پیاده‌سازی FSM در کد وجود دارد. رایج‌ترین رویکردها عبارتند از:

۱. استفاده از Enumها و دستورات Switch

این یک رویکرد ساده و مستقیم است، به خصوص برای FSMهای ابتدایی. شما یک enum برای نمایش حالت‌های مختلف تعریف می‌کنید و از یک دستور switch برای مدیریت منطق هر حالت استفاده می‌کنید.

مثال (C#):


public enum CharacterState {
    Idle,
    Walking,
    Running,
    Jumping,
    Attacking
}

public class CharacterController : MonoBehaviour {
    public CharacterState currentState = CharacterState.Idle;

    void Update() {
        switch (currentState) {
            case CharacterState.Idle:
                HandleIdleState();
                break;
            case CharacterState.Walking:
                HandleWalkingState();
                break;
            case CharacterState.Running:
                HandleRunningState();
                break;
            case CharacterState.Jumping:
                HandleJumpingState();
                break;
            case CharacterState.Attacking:
                HandleAttackingState();
                break;
            default:
                Debug.LogError("Invalid state!");
                break;
        }
    }

    void HandleIdleState() {
        // منطق برای حالت بیکار
        if (Input.GetKey(KeyCode.W) || Input.GetKey(KeyCode.A) || Input.GetKey(KeyCode.S) || Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            currentState = CharacterState.Walking;
        }
    }

    void HandleWalkingState() {
        // منطق برای حالت راه رفتن
        // انتقال به حالت دویدن اگر کلید شیفت فشرده شود
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            currentState = CharacterState.Running;
        }
        // انتقال به حالت بیکار اگر هیچ کلید حرکتی فشرده نشود
        if (!Input.GetKey(KeyCode.W) && !Input.GetKey(KeyCode.A) && !Input.GetKey(KeyCode.S) && !Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            currentState = CharacterState.Idle;
        }
    }

    void HandleRunningState() {
        // منطق برای حالت دویدن
        // انتقال به حالت راه رفتن اگر کلید شیفت رها شود
        if (!Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            currentState = CharacterState.Walking;
        }
    }

    void HandleJumpingState() {
        // منطق برای حالت پریدن
        // انتقال به حالت بیکار پس از فرود
    }

    void HandleAttackingState() {
        // منطق برای حالت حمله
        // انتقال به حالت بیکار پس از انیمیشن حمله
    }
}

مزایا:

معایب:

۲. استفاده از سلسله‌مراتب کلاس State

این رویکرد از وراثت برای تعریف یک کلاس پایه State و زیرکلاس‌ها برای هر حالت خاص استفاده می‌کند. هر زیرکلاس حالت، منطق آن حالت را در خود کپسوله می‌کند، که باعث سازماندهی و نگهداری بهتر کد می‌شود.

مثال (C#):


public abstract class State {
    public abstract void Enter();
    public abstract void Execute();
    public abstract void Exit();
}

public class IdleState : State {
    private CharacterController characterController;

    public IdleState(CharacterController characterController) {
        this.characterController = characterController;
    }

    public override void Enter() {
        Debug.Log("ورود به حالت بیکار");
    }

    public override void Execute() {
        // منطق برای حالت بیکار
        if (Input.GetKey(KeyCode.W) || Input.GetKey(KeyCode.A) || Input.GetKey(KeyCode.S) || Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            characterController.ChangeState(new WalkingState(characterController));
        }
    }

    public override void Exit() {
        Debug.Log("خروج از حالت بیکار");
    }
}

public class WalkingState : State {
    private CharacterController characterController;

    public WalkingState(CharacterController characterController) {
        this.characterController = characterController;
    }

    public override void Enter() {
        Debug.Log("ورود به حالت راه رفتن");
    }

    public override void Execute() {
        // منطق برای حالت راه رفتن
        // انتقال به حالت دویدن اگر کلید شیفت فشرده شود
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            characterController.ChangeState(new RunningState(characterController));
        }
        // انتقال به حالت بیکار اگر هیچ کلید حرکتی فشرده نشود
        if (!Input.GetKey(KeyCode.W) && !Input.GetKey(KeyCode.A) && !Input.GetKey(KeyCode.S) && !Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            characterController.ChangeState(new IdleState(characterController));
        }
    }

    public override void Exit() {
        Debug.Log("خروج از حالت راه رفتن");
    }
}

// ... (سایر کلاس‌های حالت مانند RunningState، JumpingState، AttackingState)

public class CharacterController : MonoBehaviour {
    private State currentState;

    void Start() {
        currentState = new IdleState(this);
        currentState.Enter();
    }

    void Update() {
        currentState.Execute();
    }

    public void ChangeState(State newState) {
        currentState.Exit();
        currentState = newState;
        currentState.Enter();
    }
}

مزایا:

معایب:

۳. استفاده از ابزارهای ماشین حالت (اسکریپت‌نویسی بصری)

برای یادگیرندگان بصری یا کسانی که رویکرد مبتنی بر گره را ترجیح می‌دهند، چندین ابزار ماشین حالت در موتورهای بازی مانند Unity و Unreal Engine موجود است. این ابزارها یک ویرایشگر بصری برای ایجاد و مدیریت ماشین‌های حالت فراهم می‌کنند و فرآیند تعریف حالت‌ها و انتقال‌ها را ساده می‌سازند.

مثال‌ها:

این ابزارها اغلب به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهند تا FSMهای پیچیده را بدون نوشتن حتی یک خط کد ایجاد کنند، که آن‌ها را برای طراحان و هنرمندان نیز قابل دسترس می‌سازد.

مزایا:

معایب:

تکنیک‌ها و ملاحظات پیشرفته

ماشین‌های حالت سلسله‌مراتبی (HSMs)

ماشین‌های حالت سلسله‌مراتبی مفهوم اصلی FSM را با اجازه دادن به حالت‌ها برای داشتن زیرحالت‌های تودرتو گسترش می‌دهند. این کار یک سلسله‌مراتب از حالت‌ها ایجاد می‌کند، که در آن یک حالت والد می‌تواند رفتار مشترک را برای حالت‌های فرزند خود کپسوله کند. این به ویژه برای مدیریت رفتارهای پیچیده با منطق مشترک مفید است.

به عنوان مثال، یک شخصیت ممکن است یک حالت کلی مبارزه (COMBAT) داشته باشد، که سپس شامل زیرحالت‌هایی مانند حمله (ATTACKING)، دفاع (DEFENDING) و جاخالی دادن (EVADING) باشد. هنگام انتقال به حالت مبارزه، شخصیت وارد زیرحالت پیش‌فرض (مثلاً حمله) می‌شود. انتقال‌ها در داخل زیرحالت‌ها می‌توانند به طور مستقل رخ دهند و انتقال‌ها از حالت والد می‌توانند بر تمام زیرحالت‌ها تأثیر بگذارند.

مزایای HSMs:

الگوهای طراحی حالت

چندین الگوی طراحی می‌توانند در کنار FSMها برای بهبود کیفیت و قابلیت نگهداری کد استفاده شوند:

مدیریت وضعیت سراسری

در برخی موارد، ممکن است نیاز به مدیریت وضعیت سراسری بازی داشته باشید که بر چندین موجودیت یا سیستم تأثیر می‌گذارد. این کار را می‌توان با ایجاد یک ماشین حالت جداگانه برای خود بازی یا با استفاده از یک مدیر وضعیت سراسری که رفتار FSMهای مختلف را هماهنگ می‌کند، انجام داد.

به عنوان مثال، یک ماشین حالت سراسری بازی ممکن است حالت‌هایی مانند بارگذاری (LOADING)، منو (MENU)، در بازی (IN_GAME) و پایان بازی (GAME_OVER) داشته باشد. انتقال بین این حالت‌ها اقدامات مربوطه را فعال می‌کند، مانند بارگذاری دارایی‌های بازی، نمایش منوی اصلی، شروع یک بازی جدید یا نمایش صفحه پایان بازی.

بهینه‌سازی عملکرد

در حالی که FSMها به طور کلی کارآمد هستند، مهم است که بهینه‌سازی عملکرد را در نظر بگیرید، به خصوص برای ماشین‌های حالت پیچیده با تعداد زیادی حالت و انتقال.

معماری رویداد-محور

ادغام FSMها با یک معماری رویداد-محور می‌تواند انعطاف‌پذیری و پاسخگویی سیستم را افزایش دهد. به جای پرس‌وجوی مستقیم از ورودی‌ها یا شرایط، حالت‌ها می‌توانند در رویدادهای خاص مشترک شوند و بر اساس آن واکنش نشان دهند.

به عنوان مثال، ماشین حالت یک شخصیت ممکن است در رویدادهایی مانند "HealthChanged"، "EnemyDetected" یا "ButtonClicked" مشترک شود. هنگامی که این رویدادها رخ می‌دهند، ماشین حالت می‌تواند انتقال به حالت‌های مناسب مانند آسیب‌دیده (HURT)، حمله (ATTACK) یا تعامل (INTERACT) را فعال کند.

FSMها در ژانرهای مختلف بازی

FSMها در طیف گسترده‌ای از ژانرهای بازی قابل استفاده هستند. در اینجا چند نمونه آورده شده است:

جایگزین‌های ماشین‌های حالت متناهی

در حالی که FSMها ابزار قدرتمندی هستند، همیشه بهترین راه‌حل برای هر مشکلی نیستند. رویکردهای جایگزین برای مدیریت وضعیت بازی عبارتند از:

انتخاب اینکه از کدام تکنیک استفاده شود به نیازهای خاص بازی و پیچیدگی رفتار مورد نظر بستگی دارد.

مثال‌ها در بازی‌های محبوب

در حالی که دانستن جزئیات دقیق پیاده‌سازی هر بازی غیرممکن است، FSMها یا مشتقات آن‌ها به احتمال زیاد در بسیاری از عناوین محبوب به طور گسترده استفاده می‌شوند. در اینجا چند نمونه احتمالی آورده شده است:

بهترین شیوه‌ها برای استفاده از ماشین‌های حالت متناهی

نتیجه‌گیری

ماشین‌های حالت متناهی یک ابزار اساسی و قدرتمند برای مدیریت وضعیت بازی هستند. با درک مفاهیم پایه و تکنیک‌های پیاده‌سازی، می‌توانید سیستم‌های بازی قوی‌تر، قابل پیش‌بینی‌تر و قابل نگهداری‌تری ایجاد کنید. چه یک توسعه‌دهنده بازی باتجربه باشید و چه تازه شروع کرده‌اید، تسلط بر FSMها به طور قابل توجهی توانایی شما در طراحی و پیاده‌سازی رفتارهای پیچیده بازی را افزایش می‌دهد.

به یاد داشته باشید که رویکرد پیاده‌سازی مناسب را برای نیازهای خاص خود انتخاب کنید و از کاوش در تکنیک‌های پیشرفته مانند ماشین‌های حالت سلسله‌مراتبی و معماری‌های رویداد-محور نترسید. با تمرین و آزمایش، می‌توانید از قدرت FSMها برای خلق تجربیات بازی جذاب و همه‌جانبه استفاده کنید.