Zarządzanie stanem gry: Opanowanie automatów skończonych (FSM)

W świecie tworzenia gier, efektywne zarządzanie stanem gry jest kluczowe dla tworzenia wciągających i przewidywalnych doświadczeń. Jedną z najczęściej używanych i fundamentalnych technik do osiągnięcia tego celu jest automat skończony (FSM). Ten kompleksowy przewodnik zagłębia się w koncepcję FSM, badając ich korzyści, szczegóły implementacji i zaawansowane zastosowania w tworzeniu gier.

Czym jest automat skończony?

Automat skończony to matematyczny model obliczeniowy, który opisuje system mogący znajdować się w jednym z ograniczonej liczby stanów. System przechodzi między tymi stanami w odpowiedzi na zewnętrzne sygnały wejściowe lub wewnętrzne zdarzenia. Mówiąc prościej, FSM to wzorzec projektowy, który pozwala zdefiniować zestaw możliwych stanów dla jednostki (np. postaci, obiektu, samej gry) oraz zasady, które rządzą tym, jak jednostka przechodzi między tymi stanami.

Pomyśl o prostym włączniku światła. Ma on dwa stany: WŁĄCZONY i WYŁĄCZONY. Przełączenie włącznika (sygnał wejściowy) powoduje przejście z jednego stanu do drugiego. To podstawowy przykład automatu skończonego.

Dlaczego używać automatów skończonych w tworzeniu gier?

Automaty FSM oferują kilka znaczących zalet w tworzeniu gier, co czyni je popularnym wyborem do zarządzania różnymi aspektami zachowania gry:

• Prostota i przejrzystość: Automaty FSM zapewniają jasny i zrozumiały sposób reprezentowania złożonych zachowań. Stany i przejścia są jawnie zdefiniowane, co ułatwia analizowanie i debugowanie systemu.
• Przewidywalność: Deterministyczna natura automatów FSM zapewnia, że system zachowuje się przewidywalnie dla danego sygnału wejściowego. Jest to kluczowe dla tworzenia niezawodnych i spójnych doświadczeń w grze.
• Modułowość: Automaty FSM promują modułowość poprzez oddzielenie logiki dla każdego stanu na odrębne jednostki. Ułatwia to modyfikację lub rozszerzanie zachowania systemu bez wpływu na inne części kodu.
• Wielokrotne użycie: Automaty FSM mogą być ponownie wykorzystywane w różnych jednostkach lub systemach w grze, oszczędzając czas i wysiłek.
• Łatwe debugowanie: Przejrzysta struktura ułatwia śledzenie przepływu wykonania i identyfikację potencjalnych problemów. Często istnieją wizualne narzędzia do debugowania FSM, które pozwalają programistom przechodzić przez stany i przejścia w czasie rzeczywistym.

Podstawowe komponenty automatu skończonego

Każdy FSM składa się z następujących podstawowych komponentów:

• Stany: Stan reprezentuje określony tryb zachowania jednostki. Na przykład w kontrolerze postaci stany mogą obejmować BEZCZYNNOŚĆ, CHODZENIE, BIEG, SKAKANIE i ATAKOWANIE.
• Przejścia: Przejście definiuje warunki, pod którymi jednostka przechodzi z jednego stanu do drugiego. Warunki te są zazwyczaj wyzwalane przez zdarzenia, sygnały wejściowe lub wewnętrzną logikę. Na przykład przejście ze stanu BEZCZYNNOŚCI do CHODZENIA może być wywołane przez naciśnięcie klawiszy ruchu.
• Zdarzenia/Sygnały wejściowe: Są to wyzwalacze, które inicjują przejścia między stanami. Zdarzenia mogą być zewnętrzne (np. dane wejściowe od użytkownika, kolizje) lub wewnętrzne (np. liczniki czasu, progi zdrowia).
• Stan początkowy: Stan początkowy automatu FSM, gdy jednostka jest inicjowana.

Implementacja automatu skończonego

Istnieje kilka sposobów implementacji FSM w kodzie. Najczęstsze podejścia to:

1. Użycie typów wyliczeniowych (Enum) i instrukcji Switch

Jest to proste i bezpośrednie podejście, zwłaszcza w przypadku podstawowych FSM. Definiujesz typ wyliczeniowy (enum) do reprezentowania różnych stanów i używasz instrukcji switch do obsługi logiki dla każdego stanu.

Przykład (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("Nieprawidłowy stan!");
                break;
        }
    }

    void HandleIdleState() {
        // Logika dla stanu bezczynności
        if (Input.GetKey(KeyCode.W) || Input.GetKey(KeyCode.A) || Input.GetKey(KeyCode.S) || Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            currentState = CharacterState.Walking;
        }
    }

    void HandleWalkingState() {
        // Logika dla stanu chodzenia
        // Przejście do biegu, jeśli wciśnięto klawisz Shift
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            currentState = CharacterState.Running;
        }
        // Przejście do stanu bezczynności, jeśli nie wciśnięto żadnych klawiszy ruchu
        if (!Input.GetKey(KeyCode.W) && !Input.GetKey(KeyCode.A) && !Input.GetKey(KeyCode.S) && !Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            currentState = CharacterState.Idle;
        }
    }

    void HandleRunningState() {
        // Logika dla stanu biegu
        // Powrót do chodzenia, jeśli zwolniono klawisz Shift
        if (!Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            currentState = CharacterState.Walking;
        }
    }

    void HandleJumpingState() {
        // Logika dla stanu skoku
        // Powrót do stanu bezczynności po wylądowaniu
    }

    void HandleAttackingState() {
        // Logika dla stanu ataku
        // Powrót do stanu bezczynności po zakończeniu animacji ataku
    }
}

Zalety:

• Proste do zrozumienia i zaimplementowania.
• Odpowiednie dla małych i prostych maszyn stanów.

Wady:

• Może stać się trudne w zarządzaniu i utrzymaniu wraz ze wzrostem liczby stanów i przejść.
• Brak elastyczności i skalowalności.
• Może prowadzić do duplikacji kodu.

2. Użycie hierarchii klas stanów

To podejście wykorzystuje dziedziczenie do zdefiniowania bazowej klasy State i podklas dla każdego konkretnego stanu. Każda podklasa stanu hermetyzuje logikę dla tego stanu, czyniąc kod bardziej zorganizowanym i łatwiejszym w utrzymaniu.

Przykład (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("Wejście do stanu bezczynności");
    }

    public override void Execute() {
        // Logika dla stanu bezczynności
        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("Wyjście ze stanu bezczynności");
    }
}

public class WalkingState : State {
    private CharacterController characterController;

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

    public override void Enter() {
        Debug.Log("Wejście do stanu chodzenia");
    }

    public override void Execute() {
        // Logika dla stanu chodzenia
        // Przejście do biegu, jeśli wciśnięto klawisz Shift
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            characterController.ChangeState(new RunningState(characterController));
        }
        // Przejście do stanu bezczynności, jeśli nie wciśnięto żadnych klawiszy ruchu
        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("Wyjście ze stanu chodzenia");
    }
}

// ... (Inne klasy stanów, jak 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();
    }
}

Zalety:

• Poprawiona organizacja i utrzymywalność kodu.
• Zwiększona elastyczność i skalowalność.
• Zredukowana duplikacja kodu.

Wady:

• Bardziej skomplikowane w początkowej konfiguracji.
• Może prowadzić do dużej liczby klas stanów dla złożonych maszyn stanów.

3. Użycie zasobów maszyn stanów (skryptowanie wizualne)

Dla osób uczących się wizualnie lub preferujących podejście oparte na węzłach, w silnikach gier takich jak Unity i Unreal Engine dostępne są liczne zasoby (assets) do maszyn stanów. Zasoby te zapewniają wizualny edytor do tworzenia i zarządzania maszynami stanów, upraszczając proces definiowania stanów i przejść.

Przykłady:

• Unity: PlayMaker, Behavior Designer
• Unreal Engine: Behavior Tree (wbudowane), zasoby z Unreal Engine Marketplace

Narzędzia te często pozwalają programistom tworzyć złożone FSM bez pisania ani jednej linijki kodu, co czyni je dostępnymi również dla projektantów i artystów.

Zalety:

• Wizualny i intuicyjny interfejs.
• Szybkie prototypowanie i rozwój.
• Zmniejszone wymagania dotyczące kodowania.

Wady:

• Może wprowadzać zależności od zewnętrznych zasobów.
• Może mieć ograniczenia wydajnościowe dla bardzo złożonych maszyn stanów.
• Opanowanie narzędzia może wymagać nauki.

Zaawansowane techniki i rozważania

Hierarchiczne automaty skończone (HSM)

Hierarchiczne automaty skończone rozszerzają podstawową koncepcję FSM, pozwalając stanom zawierać zagnieżdżone pod-stany. Tworzy to hierarchię stanów, w której stan nadrzędny może hermetyzować wspólne zachowanie dla swoich stanów podrzędnych. Jest to szczególnie przydatne do zarządzania złożonymi zachowaniami ze wspólną logiką.

Na przykład, postać może mieć ogólny stan WALKA, który następnie zawiera pod-stany takie jak ATAKOWANIE, OBRONA i UNIKANIE. Po przejściu do stanu WALKA, postać wchodzi w domyślny pod-stan (np. ATAKOWANIE). Przejścia wewnątrz pod-stanów mogą zachodzić niezależnie, a przejścia ze stanu nadrzędnego mogą wpływać na wszystkie pod-stany.

Korzyści z HSM:

• Lepsza organizacja i ponowne wykorzystanie kodu.
• Zmniejszona złożoność poprzez podział dużych maszyn stanów na mniejsze, łatwiejsze do zarządzania części.
• Łatwiejsze utrzymanie i rozszerzanie zachowania systemu.

Wzorce projektowe stanu

Kilka wzorców projektowych może być używanych w połączeniu z FSM w celu poprawy jakości i utrzymywalności kodu:

• Singleton: Używany do zapewnienia, że istnieje tylko jedna instancja maszyny stanów.
• Fabryka (Factory): Używana do dynamicznego tworzenia obiektów stanów.
• Obserwator (Observer): Używany do powiadamiania innych obiektów o zmianie stanu.

Obsługa stanu globalnego

W niektórych przypadkach może być konieczne zarządzanie globalnym stanem gry, który wpływa na wiele jednostek lub systemów. Można to osiągnąć, tworząc osobną maszynę stanów dla samej gry lub używając globalnego menedżera stanu, który koordynuje zachowanie różnych FSM.

Na przykład, globalna maszyna stanów gry może mieć stany takie jak ŁADOWANIE, MENU, W_GRZE i KONIEC_GRY. Przejścia między tymi stanami wywoływałyby odpowiednie akcje, takie jak ładowanie zasobów gry, wyświetlanie menu głównego, rozpoczynanie nowej gry lub pokazywanie ekranu końca gry.

Optymalizacja wydajności

Chociaż FSM są generalnie wydajne, ważne jest, aby rozważyć optymalizację wydajności, zwłaszcza w przypadku złożonych maszyn stanów z dużą liczbą stanów i przejść.

• Minimalizuj przejścia między stanami: Unikaj niepotrzebnych przejść między stanami, które mogą zużywać zasoby procesora.
• Optymalizuj logikę stanu: Upewnij się, że logika w każdym stanie jest wydajna i unika kosztownych operacji.
• Używaj buforowania (caching): Buforuj często używane dane, aby zmniejszyć potrzebę powtarzania obliczeń.
• Profiluj swój kod: Używaj narzędzi do profilowania, aby zidentyfikować wąskie gardła wydajności i odpowiednio je zoptymalizować.

Architektura sterowana zdarzeniami

Integracja FSM z architekturą sterowaną zdarzeniami może zwiększyć elastyczność i responsywność systemu. Zamiast bezpośredniego odpytywania o dane wejściowe lub warunki, stany mogą subskrybować określone zdarzenia i reagować na nie.

Na przykład, maszyna stanów postaci może subskrybować zdarzenia takie jak „ZmienionoZdrowie”, „WykrytoWroga” lub „KlikniętoPrzycisk”. Gdy te zdarzenia wystąpią, maszyna stanów może wywołać przejścia do odpowiednich stanów, takich jak ZRANIENIE, ATAK lub INTERAKCJA.

Automaty FSM w różnych gatunkach gier

Automaty FSM mają zastosowanie w szerokiej gamie gatunków gier. Oto kilka przykładów:

• Platformówki: Zarządzanie ruchem postaci, animacjami i akcjami. Stany mogą obejmować BEZCZYNNOŚĆ, CHODZENIE, SKAKANIE, KUCANIE i ATAKOWANIE.
• Gry RPG: Sterowanie sztuczną inteligencją wrogów, systemami dialogów i postępem w zadaniach. Stany mogą obejmować PATROL, POŚCIG, ATAK, UCIECZKA i DIALOG.
• Gry strategiczne: Zarządzanie zachowaniem jednostek, zbieraniem zasobów i budową. Stany mogą obejmować BEZCZYNNOŚĆ, RUCH, ATAK, ZBIERANIE i BUDOWA.
• Bijatyki: Implementacja zestawów ruchów postaci i systemów kombinacji. Stany mogą obejmować STANIECIE, KUCANIE, SKAKANIE, UDERZANIE_PIĘŚCIĄ, KOPANIE i BLOKOWANIE.
• Gry logiczne: Sterowanie logiką gry, interakcjami obiektów i postępem w poziomie. Stany mogą obejmować POCZĄTKOWY, GRA, WSTRZYMANA i ROZWIĄZANA.

Alternatywy dla automatów skończonych

Chociaż FSM są potężnym narzędziem, nie zawsze są najlepszym rozwiązaniem dla każdego problemu. Alternatywne podejścia do zarządzania stanem gry obejmują:

• Drzewa zachowań (Behavior Trees): Bardziej elastyczne i hierarchiczne podejście, dobrze dopasowane do złożonych zachowań AI.
• Statecharts: Rozszerzenie FSM, które oferuje bardziej zaawansowane funkcje, takie jak stany równoległe i stany historyczne.
• Systemy planowania (Planning Systems): Używane do tworzenia inteligentnych agentów, które potrafią planować i wykonywać złożone zadania.
• Systemy oparte na regułach (Rule-Based Systems): Używane do definiowania zachowań na podstawie zestawu reguł.

Wybór techniki zależy od konkretnych wymagań gry i złożoności zarządzanego zachowania.

Przykłady w popularnych grach

Chociaż niemożliwe jest poznanie dokładnych szczegółów implementacji każdej gry, FSM lub ich pochodne są prawdopodobnie szeroko stosowane w wielu popularnych tytułach. Oto kilka potencjalnych przykładów:

• The Legend of Zelda: Breath of the Wild: Sztuczna inteligencja wrogów prawdopodobnie używa FSM lub drzew zachowań do kontrolowania zachowań wrogów, takich jak patrolowanie, atakowanie i reagowanie na gracza.
• Super Mario Odyssey: Różne stany Mario (bieganie, skakanie, przejmowanie) są prawdopodobnie zarządzane za pomocą FSM lub podobnego systemu zarządzania stanem.
• Grand Theft Auto V: Zachowanie postaci niezależnych (NPC) jest prawdopodobnie kontrolowane przez FSM lub drzewa zachowań, aby symulować realistyczne interakcje i reakcje w świecie gry.
• World of Warcraft: Sztuczna inteligencja zwierzaków (petów) w WoW może używać FSM lub drzewa zachowań do decydowania, które czary rzucić i kiedy.

Najlepsze praktyki używania automatów skończonych

• Utrzymuj proste stany: Każdy stan powinien mieć jasny i dobrze zdefiniowany cel.
• Unikaj złożonych przejść: Utrzymuj przejścia tak proste, jak to możliwe, aby uniknąć nieoczekiwanego zachowania.
• Używaj opisowych nazw stanów: Wybieraj nazwy, które jasno wskazują cel każdego stanu.
• Dokumentuj swoją maszynę stanów: Dokumentuj stany, przejścia i zdarzenia, aby ułatwić zrozumienie i utrzymanie.
• Testuj dokładnie: Dokładnie testuj swoją maszynę stanów, aby upewnić się, że zachowuje się zgodnie z oczekiwaniami we wszystkich scenariuszach.
• Rozważ użycie narzędzi wizualnych: Używaj wizualnych edytorów maszyn stanów, aby uprościć proces tworzenia i zarządzania maszynami stanów.

Podsumowanie

Automaty skończone są fundamentalnym i potężnym narzędziem do zarządzania stanem gry. Rozumiejąc podstawowe koncepcje i techniki implementacji, możesz tworzyć bardziej solidne, przewidywalne i łatwe w utrzymaniu systemy gier. Niezależnie od tego, czy jesteś doświadczonym twórcą gier, czy dopiero zaczynasz, opanowanie FSM znacznie zwiększy Twoją zdolność do projektowania i implementowania złożonych zachowań w grze.

Pamiętaj, aby wybrać odpowiednie podejście implementacyjne do swoich konkretnych potrzeb i nie bój się odkrywać zaawansowanych technik, takich jak hierarchiczne automaty skończone i architektury sterowane zdarzeniami. Dzięki praktyce i eksperymentom możesz wykorzystać moc FSM do tworzenia wciągających i immersyjnych doświadczeń w grach.