Spēles stāvokļu pārvaldība: Galīgo stāvokļu mašīnu (FSM) apguve

Spēļu izstrādes pasaulē efektīva spēles stāvokļa pārvaldība ir izšķiroša, lai radītu saistošu un paredzamu pieredzi. Viena no visplašāk izmantotajām un fundamentālākajām metodēm šī mērķa sasniegšanai ir galīgo stāvokļu mašīna (FSM). Šis visaptverošais ceļvedis dziļi iedziļināsies FSM koncepcijā, izpētot to priekšrocības, implementācijas detaļas un progresīvus pielietojumus spēļu izstrādē.

Kas ir galīgo stāvokļu mašīna?

Galīgo stāvokļu mašīna ir matemātisks skaitļošanas modelis, kas apraksta sistēmu, kura var atrasties vienā no galīga skaita stāvokļiem. Sistēma veic pārejas starp šiem stāvokļiem, reaģējot uz ārējiem ievades datiem vai iekšējiem notikumiem. Vienkāršāk sakot, FSM ir dizaina modelis, kas ļauj definēt iespējamo stāvokļu kopu kādai entītijai (piemēram, tēlam, objektam, pašai spēlei) un noteikumus, kas regulē, kā entītija pārvietojas starp šiem stāvokļiem.

Iedomājieties vienkāršu gaismas slēdzi. Tam ir divi stāvokļi: IESLĒGTS un IZSLĒGTS. Slēdža pārslēgšana (ievade) izraisa pāreju no viena stāvokļa uz otru. Tas ir FSM pamatpiemērs.

Kāpēc izmantot galīgo stāvokļu mašīnas spēļu izstrādē?

FSM piedāvā vairākas būtiskas priekšrocības spēļu izstrādē, padarot tās par populāru izvēli dažādu spēles uzvedības aspektu pārvaldībai:

• Vienkāršība un skaidrība: FSM nodrošina skaidru un saprotamu veidu, kā attēlot sarežģītu uzvedību. Stāvokļi un pārejas ir skaidri definēti, kas atvieglo sistēmas analīzi un atkļūdošanu.
• Paredzamība: FSM deterministiskā daba nodrošina, ka sistēma uzvedas paredzami, saņemot konkrētu ievadi. Tas ir būtiski, lai radītu uzticamu un konsekventu spēles pieredzi.
• Modularitāte: FSM veicina modularitāti, sadalot katra stāvokļa loģiku atsevišķās vienībās. Tas atvieglo sistēmas uzvedības modificēšanu vai paplašināšanu, neietekmējot citas koda daļas.
• Atkārtota izmantojamība: FSM var atkārtoti izmantot dažādām entītijām vai sistēmām spēlē, ietaupot laiku un pūles.
• Vienkārša atkļūdošana: Skaidrā struktūra atvieglo izpildes plūsmas izsekošanu un potenciālo problēmu identificēšanu. FSM bieži vien ir pieejami vizuālās atkļūdošanas rīki, kas ļauj izstrādātājiem reāllaikā iziet cauri stāvokļiem un pārejām.

Galīgo stāvokļu mašīnas pamatkomponenti

Katra FSM sastāv no šādām pamatkomponentēm:

• Stāvokļi: Stāvoklis apzīmē konkrētu entītijas uzvedības režīmu. Piemēram, tēla kontrolierim stāvokļi varētu būt DĪKSTĀVE, IEŠANA, SKRIEŠANA, LĒKŠANA un UZBRUKŠANA.
• Pārejas: Pāreja definē nosacījumus, pie kuriem entītija pāriet no viena stāvokļa uz citu. Šos nosacījumus parasti izraisa notikumi, ievades dati vai iekšējā loģika. Piemēram, pāreju no DĪKSTĀVES uz IEŠANU var izraisīt kustības taustiņu nospiešana.
• Notikumi/Ievades dati: Tie ir trigeri, kas ierosina stāvokļu pārejas. Notikumi var būt ārēji (piem., lietotāja ievade, sadursmes) vai iekšēji (piem., taimeri, dzīvības sliekšņi).
• Sākuma stāvoklis: FSM sākuma stāvoklis, kad entītija tiek inicializēta.

Galīgo stāvokļu mašīnas implementācija

Ir vairāki veidi, kā implementēt FSM kodā. Visizplatītākās pieejas ir:

1. Izmantojot enums un switch priekšrakstus

Šī ir vienkārša un tieša pieeja, īpaši pamata FSM gadījumā. Jūs definējat enum, lai attēlotu dažādus stāvokļus, un izmantojat switch priekšrakstu, lai apstrādātu katra stāvokļa loģiku.

Piemērs (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("Nederīgs stāvoklis!");
                break;
        }
    }

    void HandleIdleState() {
        // Loģika dīkstāves stāvoklim
        if (Input.GetKey(KeyCode.W) || Input.GetKey(KeyCode.A) || Input.GetKey(KeyCode.S) || Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            currentState = CharacterState.Walking;
        }
    }

    void HandleWalkingState() {
        // Loģika iešanas stāvoklim
        // Pāreja uz skriešanu, ja ir nospiests Shift taustiņš
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            currentState = CharacterState.Running;
        }
        // Pāreja uz dīkstāvi, ja nav nospiests neviens kustības taustiņš
        if (!Input.GetKey(KeyCode.W) && !Input.GetKey(KeyCode.A) && !Input.GetKey(KeyCode.S) && !Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            currentState = CharacterState.Idle;
        }
    }

    void HandleRunningState() {
        // Loģika skriešanas stāvoklim
        // Pāreja atpakaļ uz iešanu, ja Shift taustiņš ir atlaists
        if (!Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            currentState = CharacterState.Walking;
        }
    }

    void HandleJumpingState() {
        // Loģika lēkšanas stāvoklim
        // Pāreja atpakaļ uz dīkstāvi pēc piezemēšanās
    }

    void HandleAttackingState() {
        // Loģika uzbrukšanas stāvoklim
        // Pāreja atpakaļ uz dīkstāvi pēc uzbrukuma animācijas
    }
}

Plusi:

• Vienkārši saprotams un implementējams.
• Piemērots mazām un vienkāršām stāvokļu mašīnām.

Mīnusi:

• Var kļūt grūti pārvaldāms un uzturams, palielinoties stāvokļu un pāreju skaitam.
• Trūkst elastības un mērogojamības.
• Var novest pie koda dublēšanās.

2. Izmantojot stāvokļu klašu hierarhiju

Šī pieeja izmanto mantošanu, lai definētu bāzes klasi State un apakšklases katram konkrētam stāvoklim. Katra stāvokļa apakšklase iekapsulē šī stāvokļa loģiku, padarot kodu organizētāku un vieglāk uzturamu.

Piemērs (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("Ieiet dīkstāves stāvoklī");
    }

    public override void Execute() {
        // Loģika dīkstāves stāvoklim
        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("Iziet no dīkstāves stāvokļa");
    }
}

public class WalkingState : State {
    private CharacterController characterController;

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

    public override void Enter() {
        Debug.Log("Ieiet iešanas stāvoklī");
    }

    public override void Execute() {
        // Loģika iešanas stāvoklim
        // Pāreja uz skriešanu, ja ir nospiests Shift taustiņš
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            characterController.ChangeState(new RunningState(characterController));
        }
        // Pāreja uz dīkstāvi, ja nav nospiests neviens kustības taustiņš
        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("Iziet no iešanas stāvokļa");
    }
}

// ... (Citas stāvokļu klases, piemēram, 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();
    }
}

Plusi:

• Uzlabota koda organizācija un uzturamība.
• Palielināta elastība un mērogojamība.
• Samazināta koda dublēšanās.

Mīnusi:

• Sākotnēji sarežģītāk uzstādīt.
• Var radīt lielu skaitu stāvokļu klašu sarežģītām stāvokļu mašīnām.

3. Izmantojot stāvokļu mašīnu resursus (Vizuālā skriptēšana)

Vizuāli domājošiem izstrādātājiem vai tiem, kas dod priekšroku uz mezgliem balstītai pieejai, spēļu dzinējos, piemēram, Unity un Unreal Engine, ir pieejami vairāki stāvokļu mašīnu resursi. Šie resursi nodrošina vizuālu redaktoru stāvokļu mašīnu izveidei un pārvaldībai, vienkāršojot stāvokļu un pāreju definēšanas procesu.

Piemēri:

• Unity: PlayMaker, Behavior Designer
• Unreal Engine: Behavior Tree (iebūvēts), Unreal Engine Marketplace resursi

Šie rīki bieži ļauj izstrādātājiem izveidot sarežģītas FSM, nerakstot ne vienu koda rindiņu, padarot tās pieejamas arī dizaineriem un māksliniekiem.

Plusi:

• Vizuāls un intuitīvs interfeiss.
• Ātra prototipēšana un izstrāde.
• Samazinātas kodēšanas prasības.

Mīnusi:

• Var radīt atkarības no ārējiem resursiem.
• Var būt veiktspējas ierobežojumi ļoti sarežģītām stāvokļu mašīnām.
• Var būt nepieciešams laiks, lai apgūtu rīku.

Progresīvas metodes un apsvērumi

Hierarhiskās stāvokļu mašīnas (HSM)

Hierarhiskās stāvokļu mašīnas paplašina pamata FSM koncepciju, ļaujot stāvokļiem saturēt ligzdotus apakšstāvokļus. Tas rada stāvokļu hierarhiju, kurā vecākstāvoklis var iekapsulēt kopīgu uzvedību saviem bērnstāvokļiem. Tas ir īpaši noderīgi, lai pārvaldītu sarežģītu uzvedību ar kopīgu loģiku.

Piemēram, tēlam varētu būt vispārīgs KAUJAS stāvoklis, kas savukārt satur apakšstāvokļus, piemēram, UZBRUKŠANA, AIZSARDZĪBA un IZVAIRĪŠANĀS. Pārejot uz KAUJAS stāvokli, tēls ieiet noklusējuma apakšstāvoklī (piemēram, UZBRUKŠANA). Pārejas apakšstāvokļos var notikt neatkarīgi, un pārejas no vecākstāvokļa var ietekmēt visus apakšstāvokļus.

HSM priekšrocības:

• Uzlabota koda organizācija un atkārtota izmantojamība.
• Samazināta sarežģītība, sadalot lielas stāvokļu mašīnas mazākās, pārvaldāmās daļās.
• Vieglāk uzturēt un paplašināt sistēmas uzvedību.

Stāvokļu dizaina modeļi

Vairāki dizaina modeļi var tikt izmantoti kopā ar FSM, lai uzlabotu koda kvalitāti un uzturamību:

• Singleton: Tiek izmantots, lai nodrošinātu, ka pastāv tikai viena stāvokļu mašīnas instance.
• Factory: Tiek izmantots, lai dinamiski izveidotu stāvokļu objektus.
• Observer: Tiek izmantots, lai paziņotu citiem objektiem, kad mainās stāvoklis.

Globālā stāvokļa apstrāde

Dažos gadījumos var būt nepieciešams pārvaldīt globālo spēles stāvokli, kas ietekmē vairākas entītijas vai sistēmas. To var panākt, izveidojot atsevišķu stāvokļu mašīnu pašai spēlei vai izmantojot globālu stāvokļu pārvaldnieku, kas koordinē dažādu FSM uzvedību.

Piemēram, globālai spēles stāvokļu mašīnai varētu būt tādi stāvokļi kā IELĀDE, IZVĒLNE, SPĒLĒ un SPĒLE BEIGUSIES. Pārejas starp šiem stāvokļiem izraisītu atbilstošas darbības, piemēram, spēles resursu ielādi, galvenās izvēlnes parādīšanu, jaunas spēles sākšanu vai spēles beigu ekrāna parādīšanu.

Veiktspējas optimizācija

Lai gan FSM parasti ir efektīvas, ir svarīgi apsvērt veiktspējas optimizāciju, īpaši sarežģītām stāvokļu mašīnām ar lielu skaitu stāvokļu un pāreju.

• Minimizējiet stāvokļu pārejas: Izvairieties no nevajadzīgām stāvokļu pārejām, kas var patērēt CPU resursus.
• Optimizējiet stāvokļa loģiku: Nodrošiniet, ka katra stāvokļa loģika ir efektīva un izvairās no dārgām operācijām.
• Izmantojiet kešatmiņu: Kešojiet bieži piekļūstamos datus, lai samazinātu atkārtotu aprēķinu nepieciešamību.
• Profilējiet savu kodu: Izmantojiet profilēšanas rīkus, lai identificētu veiktspējas vājās vietas un attiecīgi optimizētu.

Uz notikumiem balstīta arhitektūra

FSM integrēšana ar uz notikumiem balstītu arhitektūru var uzlabot sistēmas elastību un atsaucību. Tā vietā, lai tieši vaicātu ievades datus vai nosacījumus, stāvokļi var abonēt konkrētus notikumus un attiecīgi reaģēt.

Piemēram, tēla stāvokļu mašīna varētu abonēt tādus notikumus kā "HealthChanged," "EnemyDetected," vai "ButtonClicked." Kad šie notikumi notiek, stāvokļu mašīna var izraisīt pārejas uz atbilstošiem stāvokļiem, piemēram, IEVAINOTS, UZBRUKT vai MIJIEDARBOTIES.

FSM dažādos spēļu žanros

FSM ir piemērojamas plašam spēļu žanru klāstam. Šeit ir daži piemēri:

• Platformeri: Tēlu kustības, animāciju un darbību pārvaldība. Stāvokļi varētu būt DĪKSTĀVE, IEŠANA, LĒKŠANA, PIETUPIENS un UZBRUKŠANA.
• Lomu spēles (RPG): Ienaidnieku MI, dialogu sistēmu un uzdevumu progresa kontrole. Stāvokļi varētu būt PATRULĒŠANA, DZĪŠANĀS PAKAĻ, UZBRUKŠANA, BĒGŠANA un DIALOGS.
• Stratēģijas spēles: Vienību uzvedības, resursu vākšanas un ēku būvniecības pārvaldība. Stāvokļi varētu būt DĪKSTĀVE, KUSTĒTIES, UZBRUKT, VĀKT un BŪVĒT.
• Kaušanās spēles: Tēlu kustību kopu un kombināciju sistēmu implementācija. Stāvokļi varētu būt STĀVĒŠANA, PIETUPIENS, LĒKŠANA, SIŠANA, SPERŠANA un BLOĶĒŠANA.
• Puzļu spēles: Spēles loģikas, objektu mijiedarbības un līmeņu progresa kontrole. Stāvokļi varētu būt SĀKUMA, SPĒLĒŠANA, PAUZE un ATRISINĀTS.

Alternatīvas galīgo stāvokļu mašīnām

Lai gan FSM ir spēcīgs rīks, tās ne vienmēr ir labākais risinājums katrai problēmai. Alternatīvas pieejas spēļu stāvokļu pārvaldībai ietver:

• Uzvedības koki: Elastīgāka un hierarhiskāka pieeja, kas labi piemērota sarežģītai MI uzvedībai.
• Statecharts: FSM paplašinājums, kas nodrošina progresīvākas funkcijas, piemēram, paralēlos stāvokļus un vēstures stāvokļus.
• Plānošanas sistēmas: Tiek izmantotas, lai izveidotu inteliģentus aģentus, kas var plānot un izpildīt sarežģītus uzdevumus.
• Uz noteikumiem balstītas sistēmas: Tiek izmantotas, lai definētu uzvedību, pamatojoties uz noteikumu kopu.

Tehnikas izvēle ir atkarīga no konkrētajām spēles prasībām un pārvaldāmās uzvedības sarežģītības.

Piemēri populārās spēlēs

Lai gan nav iespējams zināt precīzas katras spēles implementācijas detaļas, FSM vai to atvasinājumi, visticamāk, tiek plaši izmantoti daudzos populāros nosaukumos. Šeit ir daži potenciāli piemēri:

• The Legend of Zelda: Breath of the Wild: Ienaidnieku MI, visticamāk, izmanto FSM vai uzvedības kokus, lai kontrolētu ienaidnieku uzvedību, piemēram, patrulēšanu, uzbrukšanu un reakciju uz spēlētāju.
• Super Mario Odyssey: Mario dažādie stāvokļi (skriešana, lēkšana, sagūstīšana), visticamāk, tiek pārvaldīti, izmantojot FSM vai līdzīgu stāvokļu pārvaldības sistēmu.
• Grand Theft Auto V: Nespēlētāju tēlu (NPC) uzvedību, visticamāk, kontrolē FSM vai uzvedības koki, lai simulētu reālistiskas mijiedarbības un reakcijas spēles pasaulē.
• World of Warcraft: Mājdzīvnieku MI WoW varētu izmantot FSM vai uzvedības koku, lai noteiktu, kuras burvestības un kad izmantot.

Labākā prakse galīgo stāvokļu mašīnu lietošanā

• Saglabājiet stāvokļus vienkāršus: Katram stāvoklim jābūt ar skaidru un labi definētu mērķi.
• Izvairieties no sarežģītām pārejām: Saglabājiet pārejas pēc iespējas vienkāršākas, lai izvairītos no neparedzētas uzvedības.
• Izmantojiet aprakstošus stāvokļu nosaukumus: Izvēlieties nosaukumus, kas skaidri norāda katra stāvokļa mērķi.
• Dokumentējiet savu stāvokļu mašīnu: Dokumentējiet stāvokļus, pārejas un notikumus, lai to būtu vieglāk saprast un uzturēt.
• Rūpīgi testējiet: Rūpīgi pārbaudiet savu stāvokļu mašīnu, lai nodrošinātu, ka tā darbojas, kā paredzēts, visos scenārijos.
• Apsveriet vizuālo rīku izmantošanu: Izmantojiet vizuālos stāvokļu mašīnu redaktorus, lai vienkāršotu stāvokļu mašīnu izveides un pārvaldības procesu.

Noslēgums

Galīgo stāvokļu mašīnas ir fundamentāls un spēcīgs rīks spēļu stāvokļu pārvaldībai. Izprotot pamatjēdzienus un implementācijas metodes, jūs varat izveidot stabilākas, paredzamākas un vieglāk uzturamas spēļu sistēmas. Neatkarīgi no tā, vai esat pieredzējis spēļu izstrādātājs vai tikai sākat, FSM apguve ievērojami uzlabos jūsu spējas izstrādāt un implementēt sarežģītu spēļu uzvedību.

Atcerieties izvēlēties savām konkrētajām vajadzībām atbilstošu implementācijas pieeju un nebaidieties izpētīt progresīvas metodes, piemēram, hierarhiskās stāvokļu mašīnas un uz notikumiem balstītas arhitektūras. Ar praksi un eksperimentiem jūs varat izmantot FSM spēku, lai radītu saistošu un aizraujošu spēļu pieredzi.