Žaidimo būsenos valdymas: baigtinių būsenų mašinų (FSM) įvaldymas

Žaidimų kūrimo pasaulyje efektyvus žaidimo būsenos valdymas yra labai svarbus norint sukurti įtraukiančią ir nuspėjamą patirtį. Viena iš plačiausiai naudojamų ir pagrindinių technikų tam pasiekti yra baigtinių būsenų mašina (FSM). Šiame išsamiame vadove gilinsimės į FSM koncepciją, nagrinėsime jos privalumus, diegimo detales ir pažangias taikymo sritis žaidimų kūrime.

Kas yra baigtinių būsenų mašina?

Baigtinių būsenų mašina yra matematinis skaičiavimo modelis, apibūdinantis sistemą, kuri gali būti vienoje iš baigtinio skaičiaus būsenų. Sistema pereina iš vienos būsenos į kitą, reaguodama į išorinius signalus ar vidinius įvykius. Paprasčiau tariant, FSM yra dizaino šablonas, leidžiantis apibrėžti galimų būsenų rinkinį objektui (pvz., veikėjui, daiktui, pačiam žaidimui) ir taisykles, pagal kurias objektas pereina iš vienos būsenos į kitą.

Pagalvokite apie paprastą šviesos jungiklį. Jis turi dvi būsenas: ĮJUNGTA ir IŠJUNGTA. Paspaudus jungiklį (įvestis), įvyksta perėjimas iš vienos būsenos į kitą. Tai yra pagrindinis FSM pavyzdys.

Kodėl verta naudoti baigtinių būsenų mašinas žaidimų kūrime?

FSM žaidimų kūrime siūlo keletą reikšmingų privalumų, todėl yra populiarus pasirinkimas valdant įvairius žaidimo elgsenos aspektus:

• Paprastumas ir aiškumas: FSM suteikia aiškų ir suprantamą būdą atvaizduoti sudėtingą elgseną. Būsenos ir perėjimai yra aiškiai apibrėžti, todėl lengviau analizuoti ir derinti sistemą.
• Nuspėjamumas: Deterministinis FSM pobūdis užtikrina, kad sistema elgsis nuspėjamai, esant konkrečiai įvesčiai. Tai yra labai svarbu kuriant patikimą ir nuoseklią žaidimo patirtį.
• Moduliarumas: FSM skatina moduliarumą, atskirdama kiekvienos būsenos logiką į atskirus vienetus. Tai palengvina sistemos elgsenos modifikavimą ar plėtimą, nepaveikiant kitų kodo dalių.
• Pakartotinis panaudojimas: FSM gali būti pakartotinai naudojamos skirtingiems objektams ar sistemoms žaidime, taupant laiką ir pastangas.
• Lengvas derinimas: Aiški struktūra palengvina vykdymo eigos stebėjimą ir galimų problemų identifikavimą. FSM dažnai turi vaizdinius derinimo įrankius, leidžiančius kūrėjams žingsnis po žingsnio stebėti būsenas ir perėjimus realiuoju laiku.

Pagrindiniai baigtinių būsenų mašinos komponentai

Kiekvieną FSM sudaro šie pagrindiniai komponentai:

• Būsenos: Būsena atspindi konkretų objekto elgsenos režimą. Pavyzdžiui, veikėjo valdiklyje būsenos galėtų būti NEVEIKIMAS, ĖJIMAS, BĖGIMAS, ŠUOLIS ir PUOLIMAS.
• Perėjimai: Perėjimas apibrėžia sąlygas, kuriomis objektas pereina iš vienos būsenos į kitą. Šios sąlygos paprastai yra sužadinamos įvykių, įvesčių ar vidinės logikos. Pavyzdžiui, perėjimą iš NEVEIKIMO į ĖJIMO būseną gali sukelti judėjimo klavišų paspaudimas.
• Įvykiai/Įvestys: Tai yra trigeriai, kurie inicijuoja būsenų perėjimus. Įvykiai gali būti išoriniai (pvz., vartotojo įvestis, susidūrimai) arba vidiniai (pvz., laikmačiai, gyvybės taškų slenksčiai).
• Pradinė būsena: Pradinė FSM būsena, kai objektas yra inicializuojamas.

Baigtinių būsenų mašinos diegimas

Yra keletas būdų, kaip įdiegti FSM kode. Dažniausi metodai apima:

1. Naudojant „Enum“ ir „Switch“ sakinius

Tai paprastas ir tiesmukas metodas, ypač tinkamas pagrindinėms FSM. Jūs apibrėžiate „enum“ tipo kintamąjį, kuris atstovauja skirtingas būsenas, ir naudojate „switch“ sakinį kiekvienos būsenos logikai valdyti.

Pavyzdys (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() {
        // Logika neveikimo būsenai
        if (Input.GetKey(KeyCode.W) || Input.GetKey(KeyCode.A) || Input.GetKey(KeyCode.S) || Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            currentState = CharacterState.Walking;
        }
    }

    void HandleWalkingState() {
        // Logika ėjimo būsenai
        // Perėjimas į bėgimo būseną, jei paspaustas „shift“ klavišas
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            currentState = CharacterState.Running;
        }
        // Perėjimas į neveikimo būseną, jei nepaspaustas joks judėjimo klavišas
        if (!Input.GetKey(KeyCode.W) && !Input.GetKey(KeyCode.A) && !Input.GetKey(KeyCode.S) && !Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            currentState = CharacterState.Idle;
        }
    }

    void HandleRunningState() {
        // Logika bėgimo būsenai
        // Perėjimas atgal į ėjimo būseną, jei atleistas „shift“ klavišas
        if (!Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            currentState = CharacterState.Walking;
        }
    }

    void HandleJumpingState() {
        // Logika šuolio būsenai
        // Perėjimas atgal į neveikimo būseną po nusileidimo
    }

    void HandleAttackingState() {
        // Logika puolimo būsenai
        // Perėjimas atgal į neveikimo būseną po puolimo animacijos
    }
}

Privalumai:

• Paprasta suprasti ir įdiegti.
• Tinka mažoms ir nesudėtingoms būsenų mašinoms.

Trūkumai:

• Gali tapti sunku valdyti ir prižiūrėti, didėjant būsenų ir perėjimų skaičiui.
• Trūksta lankstumo ir mastelio keitimo galimybių.
• Gali lemti kodo dubliavimą.

2. Naudojant būsenų klasių hierarchiją

Šis metodas naudoja paveldėjimą, siekiant apibrėžti bazinę būsenos (State) klasę ir poklasius kiekvienai konkrečiai būsenai. Kiekvienas būsenos poklasis apima tos būsenos logiką, todėl kodas tampa tvarkingesnis ir lengviau prižiūrimas.

Pavyzdys (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("Entering Idle State");
    }

    public override void Execute() {
        // Logika neveikimo būsenai
        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("Exiting Idle State");
    }
}

public class WalkingState : State {
    private CharacterController characterController;

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

    public override void Enter() {
        Debug.Log("Entering Walking State");
    }

    public override void Execute() {
        // Logika ėjimo būsenai
        // Perėjimas į bėgimo būseną, jei paspaustas „shift“ klavišas
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            characterController.ChangeState(new RunningState(characterController));
        }
        // Perėjimas į neveikimo būseną, jei nepaspaustas joks judėjimo klavišas
        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("Exiting Walking State");
    }
}

// ... (Kitos būsenų klasės, pvz., 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();
    }
}

Privalumai:

• Pagerinta kodo organizacija ir priežiūra.
• Didesnis lankstumas ir mastelio keitimo galimybės.
• Sumažintas kodo dubliavimas.

Trūkumai:

• Iš pradžių sudėtingiau nustatyti.
• Sudėtingoms būsenų mašinoms gali prireikti daug būsenų klasių.

3. Naudojant būsenų mašinų resursus (vaizdinis programavimas)

Tiems, kurie mokosi vizualiai arba mėgsta mazgais paremtą metodą, žaidimų varikliuose, tokiuose kaip „Unity“ ir „Unreal Engine“, yra prieinami keli būsenų mašinų resursai (angl. assets). Šie resursai suteikia vaizdinį redaktorių būsenų mašinoms kurti ir valdyti, supaprastindami būsenų ir perėjimų apibrėžimo procesą.

Pavyzdžiai:

• Unity: PlayMaker, Behavior Designer
• Unreal Engine: Behavior Tree (integruotas), Unreal Engine Marketplace resursai

Šie įrankiai dažnai leidžia kūrėjams kurti sudėtingas FSM nerašant nė vienos kodo eilutės, todėl jie tampa prieinami ir dizaineriams bei menininkams.

Privalumai:

• Vaizdi ir intuityvi sąsaja.
• Greitas prototipų kūrimas ir plėtojimas.
• Sumažinti kodavimo reikalavimai.

Trūkumai:

• Gali sukelti priklausomybę nuo išorinių resursų.
• Gali turėti našumo apribojimų labai sudėtingoms būsenų mašinoms.
• Gali prireikti laiko išmokti naudotis įrankiu.

Pažangios technikos ir aspektai

Hierarchinės būsenų mašinos (HSM)

Hierarchinės būsenų mašinos praplečia pagrindinę FSM koncepciją, leisdamos būsenoms turėti įdėtas antrines būsenas. Tai sukuria būsenų hierarchiją, kurioje pirminė būsena gali apimti bendrą elgseną savo antrinėms būsenoms. Tai ypač naudinga valdant sudėtingą elgseną su bendra logika.

Pavyzdžiui, veikėjas gali turėti bendrą KOVOS būseną, kurioje yra antrinės būsenos, tokios kaip PUOLIMAS, GYNIMAS ir VENGIMAS. Perėjus į KOVOS būseną, veikėjas patenka į numatytąją antrinę būseną (pvz., PUOLIMAS). Perėjimai antrinėse būsenose gali vykti nepriklausomai, o perėjimai iš pirminės būsenos gali paveikti visas antrines būsenas.

HSM privalumai:

• Pagerinta kodo organizacija ir pakartotinis panaudojimas.
• Sumažintas sudėtingumas, suskaidant dideles būsenų mašinas į mažesnes, valdomas dalis.
• Lengviau prižiūrėti ir plėsti sistemos elgseną.

Būsenų dizaino šablonai

Kartu su FSM galima naudoti kelis dizaino šablonus, siekiant pagerinti kodo kokybę ir priežiūrą:

• Singleton (Vienintelis egzempliorius): Naudojamas užtikrinti, kad egzistuotų tik vienas būsenų mašinos egzempliorius.
• Factory (Fabrikas): Naudojamas dinamiškai kurti būsenų objektus.
• Observer (Stebėtojas): Naudojamas pranešti kitiems objektams, kai pasikeičia būsena.

Globalios būsenos valdymas

Kai kuriais atvejais gali prireikti valdyti globalią žaidimo būseną, kuri veikia kelis objektus ar sistemas. Tai galima pasiekti sukūrus atskirą būsenų mašiną pačiam žaidimui arba naudojant globalų būsenų valdiklį, kuris koordinuoja skirtingų FSM elgseną.

Pavyzdžiui, globali žaidimo būsenų mašina gali turėti tokias būsenas kaip ĮKĖLIMAS, MENIU, ŽAIDŽIAMA ir ŽAIDIMO PABAIGA. Perėjimai tarp šių būsenų sukeltų atitinkamus veiksmus, pvz., žaidimo resursų įkėlimą, pagrindinio meniu rodymą, naujo žaidimo pradžią ar žaidimo pabaigos ekrano rodymą.

Našumo optimizavimas

Nors FSM paprastai yra efektyvios, svarbu atsižvelgti į našumo optimizavimą, ypač sudėtingoms būsenų mašinoms su dideliu būsenų ir perėjimų skaičiumi.

• Minimizuokite būsenų perėjimus: Venkite nereikalingų būsenų perėjimų, kurie gali sunaudoti CPU resursus.
• Optimizuokite būsenų logiką: Užtikrinkite, kad logika kiekvienoje būsenoje būtų efektyvi ir vengtų brangių operacijų.
• Naudokite podėlį (caching): Saugokite dažnai naudojamus duomenis podėlyje, kad sumažintumėte pasikartojančių skaičiavimų poreikį.
• Profiluokite savo kodą: Naudokite profiliavimo įrankius, kad nustatytumėte našumo problemas ir atitinkamai optimizuotumėte.

Įvykiais grįsta architektūra

FSM integravimas su įvykiais grįsta architektūra gali padidinti sistemos lankstumą ir reakcijos greitį. Užuot tiesiogiai tikrinus įvestis ar sąlygas, būsenos gali prenumeruoti konkrečius įvykius ir atitinkamai reaguoti.

Pavyzdžiui, veikėjo būsenų mašina gali prenumeruoti tokius įvykius kaip „GyvybesPasikeite“, „PriesasAptiktas“ arba „MygtukasPaspaustas“. Kai šie įvykiai įvyksta, būsenų mašina gali inicijuoti perėjimus į atitinkamas būsenas, tokias kaip SUŽEISTAS, PULTI arba SĄVEIKAUTI.

FSM skirtinguose žaidimų žanruose

FSM yra taikomos įvairiuose žaidimų žanruose. Štai keletas pavyzdžių:

• Platformeriai: Veikėjo judėjimo, animacijų ir veiksmų valdymas. Būsenos gali būti NEVEIKIMAS, ĖJIMAS, ŠUOLIS, TŪPĖJIMAS ir PUOLIMAS.
• RPG (Vaidmenų žaidimai): Priešų DI, dialogų sistemų ir užduočių eigos valdymas. Būsenos gali būti PATRULIAVIMAS, PERSEKIOJIMAS, PUOLIMAS, BĖGIMAS ir DIALOGAS.
• Strateginiai žaidimai: Vienetų elgsenos, resursų rinkimo ir pastatų statybos valdymas. Būsenos gali būti NEVEIKIMAS, JUDĖJIMAS, PUOLIMAS, RINKIMAS ir STATYMAS.
• Koviniai žaidimai: Veikėjų judesių ir kombinacijų sistemų diegimas. Būsenos gali būti STOVĖJIMAS, TŪPĖJIMAS, ŠUOLIS, SMŪGIS RANKA, SMŪGIS KOJA ir BLOKAVIMAS.
• Loginiai žaidimai: Žaidimo logikos, objektų sąveikos ir lygių eigos valdymas. Būsenos gali būti PRADINĖ, ŽAIDŽIAMA, PRISTABDYTA ir IŠSPRĘSTA.

Alternatyvos baigtinių būsenų mašinoms

Nors FSM yra galingas įrankis, jos ne visada yra geriausias sprendimas kiekvienai problemai. Alternatyvūs žaidimų būsenų valdymo metodai apima:

• Elgsenos medžiai (Behavior Trees): Lankstesnis ir hierarchiškesnis metodas, puikiai tinkantis sudėtingai DI elgsenai.
• Statecharts: FSM praplėtimas, suteikiantis pažangesnių funkcijų, tokių kaip lygiagrečios būsenos ir istorijos būsenos.
• Planavimo sistemos: Naudojamos kuriant protingus agentus, kurie gali planuoti ir vykdyti sudėtingas užduotis.
• Taisyklėmis pagrįstos sistemos: Naudojamos apibrėžti elgseną remiantis taisyklių rinkiniu.

Pasirinkimas, kurią techniką naudoti, priklauso nuo konkrečių žaidimo reikalavimų ir valdomos elgsenos sudėtingumo.

Pavyzdžiai populiariuose žaidimuose

Nors neįmanoma žinoti tikslių kiekvieno žaidimo diegimo detalių, FSM ar jų dariniai greičiausiai plačiai naudojami daugelyje populiarių žaidimų. Štai keletas galimų pavyzdžių:

• The Legend of Zelda: Breath of the Wild: Priešų DI greičiausiai naudoja FSM arba elgsenos medžius, kad valdytų priešų elgseną, tokią kaip patruliavimas, puolimas ir reagavimas į žaidėją.
• Super Mario Odyssey: Įvairios Mario būsenos (bėgimas, šuolis, užvaldymas) greičiausiai valdomos naudojant FSM ar panašią būsenų valdymo sistemą.
• Grand Theft Auto V: Nežaidžiamų veikėjų (NPC) elgseną greičiausiai valdo FSM arba elgsenos medžiai, siekiant imituoti realistiškas sąveikas ir reakcijas žaidimo pasaulyje.
• World of Warcraft: Augintinių DI „WoW“ žaidime gali naudoti FSM ar elgsenos medį, kad nustatytų, kuriuos burtus ir kada naudoti.

Geriausios baigtinių būsenų mašinų naudojimo praktikos

• Išlaikykite būsenas paprastas: Kiekviena būsena turėtų turėti aiškų ir gerai apibrėžtą tikslą.
• Venkite sudėtingų perėjimų: Laikykite perėjimus kuo paprastesnius, kad išvengtumėte netikėtos elgsenos.
• Naudokite aprašomuosius būsenų pavadinimus: Rinkitės pavadinimus, kurie aiškiai nurodo kiekvienos būsenos paskirtį.
• Dokumentuokite savo būsenų mašiną: Dokumentuokite būsenas, perėjimus ir įvykius, kad būtų lengviau suprasti ir prižiūrėti.
• Kruopščiai testuokite: Kruopščiai išbandykite savo būsenų mašiną, kad užtikrintumėte, jog ji elgiasi kaip tikėtasi visose situacijose.
• Apsvarstykite galimybę naudoti vaizdinius įrankius: Naudokite vaizdinius būsenų mašinų redaktorius, kad supaprastintumėte būsenų mašinų kūrimo ir valdymo procesą.

Išvada

Baigtinių būsenų mašinos yra pagrindinis ir galingas įrankis žaidimo būsenų valdymui. Suprasdami pagrindines koncepcijas ir diegimo technikas, galite sukurti tvirtesnes, nuspėjamas ir lengviau prižiūrimas žaidimų sistemas. Nesvarbu, ar esate patyręs žaidimų kūrėjas, ar tik pradedate, FSM įvaldymas ženkliai pagerins jūsų gebėjimą kurti ir įdiegti sudėtingą žaidimų elgseną.

Nepamirškite pasirinkti tinkamą diegimo metodą pagal savo konkrečius poreikius ir nebijokite tyrinėti pažangių technikų, tokių kaip hierarchinės būsenų mašinos ir įvykiais grįstos architektūros. Praktikuodamiesi ir eksperimentuodami galėsite išnaudoti FSM galią, kad sukurtumėte įtraukiančią ir įsimintiną žaidimų patirtį.