ไทย

คู่มือเชิงลึกเกี่ยวกับ Finite State Machines (FSMs) สำหรับการจัดการสถานะเกม เรียนรู้การนำไปใช้ การเพิ่มประสิทธิภาพ และเทคนิคขั้นสูงเพื่อการพัฒนาเกมที่แข็งแกร่ง

การจัดการสถานะเกม: การเรียนรู้ Finite State Machines (FSMs) อย่างเชี่ยวชาญ

ในโลกของการพัฒนาเกม การจัดการสถานะ (state) ของเกมอย่างมีประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการสร้างประสบการณ์ที่น่าดึงดูดและคาดเดาได้ หนึ่งในเทคนิคพื้นฐานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้คือ Finite State Machine (FSM) คู่มือฉบับสมบูรณ์นี้จะเจาะลึกแนวคิดของ FSMs สำรวจประโยชน์ รายละเอียดการนำไปใช้ และการประยุกต์ใช้ขั้นสูงในการพัฒนาเกม

Finite State Machine คืออะไร?

Finite State Machine คือแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของการคำนวณที่อธิบายระบบที่สามารถอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งจากจำนวนสถานะที่มีอยู่อย่างจำกัด ระบบจะเปลี่ยนระหว่างสถานะเหล่านี้เพื่อตอบสนองต่ออินพุตภายนอกหรือเหตุการณ์ภายใน พูดง่ายๆ ก็คือ FSM เป็นรูปแบบการออกแบบ (design pattern) ที่ช่วยให้คุณกำหนดชุดของสถานะที่เป็นไปได้สำหรับเอนทิตี (เช่น ตัวละคร วัตถุ หรือตัวเกมเอง) และกฎที่ควบคุมว่าเอนทิตีนั้นจะย้ายระหว่างสถานะเหล่านี้อย่างไร

ลองนึกถึงสวิตช์ไฟธรรมดา มันมีสองสถานะ: เปิด (ON) และ ปิด (OFF) การสับสวิตช์ (อินพุต) ทำให้เกิดการเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง นี่คือตัวอย่างพื้นฐานของ FSM

ทำไมจึงควรใช้ Finite State Machines ในการพัฒนาเกม?

FSMs มีข้อดีที่สำคัญหลายประการในการพัฒนาเกม ทำให้เป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับจัดการพฤติกรรมในด้านต่างๆ ของเกม:

ส่วนประกอบพื้นฐานของ Finite State Machine

FSM ทุกตัวประกอบด้วยส่วนประกอบหลักดังต่อไปนี้:

การนำ Finite State Machine ไปใช้งาน

มีหลายวิธีในการนำ FSM ไปใช้ในโค้ด วิธีที่พบบ่อยที่สุด ได้แก่:

1. การใช้ Enums และ Switch Statements

นี่เป็นวิธีที่ง่ายและตรงไปตรงมา โดยเฉพาะสำหรับ FSMs พื้นฐาน คุณกำหนด enum เพื่อแสดงสถานะต่างๆ และใช้ switch statement เพื่อจัดการตรรกะสำหรับแต่ละสถานะ

ตัวอย่าง (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() {
        // Logic for the idle state
        if (Input.GetKey(KeyCode.W) || Input.GetKey(KeyCode.A) || Input.GetKey(KeyCode.S) || Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            currentState = CharacterState.Walking;
        }
    }

    void HandleWalkingState() {
        // Logic for the walking state
        // Transition to running if shift key is pressed
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            currentState = CharacterState.Running;
        }
        // Transition to idle if no movement keys are pressed
        if (!Input.GetKey(KeyCode.W) && !Input.GetKey(KeyCode.A) && !Input.GetKey(KeyCode.S) && !Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            currentState = CharacterState.Idle;
        }
    }

    void HandleRunningState() {
        // Logic for the running state
        // Transition back to walking if shift key is released
        if (!Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            currentState = CharacterState.Walking;
        }
    }

    void HandleJumpingState() {
        // Logic for the jumping state
        // Transition back to idle after landing
    }

    void HandleAttackingState() {
        // Logic for the attacking state
        // Transition back to idle after attack animation
    }
}

ข้อดี:

ข้อเสีย:

2. การใช้ลำดับชั้นของคลาสสถานะ (State Class Hierarchy)

วิธีนี้ใช้การสืบทอด (inheritance) เพื่อกำหนดคลาส State พื้นฐานและคลาสย่อยสำหรับแต่ละสถานะที่เฉพาะเจาะจง คลาสย่อยของแต่ละสถานะจะห่อหุ้มตรรกะสำหรับสถานะนั้นๆ ทำให้โค้ดมีระเบียบและบำรุงรักษาได้ง่ายขึ้น

ตัวอย่าง (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() {
        // Logic for the idle state
        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() {
        // Logic for the walking state
        // Transition to running if shift key is pressed
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            characterController.ChangeState(new RunningState(characterController));
        }
        // Transition to idle if no movement keys are pressed
        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");
    }
}

// ... (Other state classes like 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();
    }
}

ข้อดี:

ข้อเสีย:

3. การใช้ State Machine Assets (Visual Scripting)

สำหรับผู้ที่เรียนรู้ผ่านภาพหรือผู้ที่ชื่นชอบแนวทางแบบโหนด มี state machine assets หลายตัวให้ใช้งานในเอนจิ้นเกมอย่าง Unity และ Unreal Engine แอสเซทเหล่านี้มีตัวแก้ไขแบบภาพสำหรับการสร้างและจัดการ state machine ทำให้กระบวนการกำหนดสถานะและการเปลี่ยนผ่านง่ายขึ้น

ตัวอย่าง:

เครื่องมือเหล่านี้มักจะช่วยให้นักพัฒนาสามารถสร้าง FSMs ที่ซับซ้อนได้โดยไม่ต้องเขียนโค้ดแม้แต่บรรทัดเดียว ทำให้นักออกแบบและศิลปินสามารถเข้าถึงได้เช่นกัน

ข้อดี:

ข้อเสีย:

เทคนิคขั้นสูงและข้อควรพิจารณา

Hierarchical State Machines (HSMs)

Hierarchical State Machines ขยายแนวคิด FSM พื้นฐานโดยอนุญาตให้สถานะสามารถมีสถานะย่อย (sub-states) ซ้อนกันอยู่ได้ สิ่งนี้สร้างลำดับชั้นของสถานะ โดยที่สถานะแม่ (parent state) สามารถห่อหุ้มพฤติกรรมร่วมกันสำหรับสถานะลูก (child states) ได้ ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการจัดการพฤติกรรมที่ซับซ้อนซึ่งมีตรรกะร่วมกัน

ตัวอย่างเช่น ตัวละครอาจมีสถานะทั่วไปคือ COMBAT ซึ่งภายในมีสถานะย่อย เช่น ATTACKING, DEFENDING และ EVADING เมื่อเปลี่ยนไปสู่สถานะ COMBAT ตัวละครจะเข้าสู่สถานะย่อยเริ่มต้น (เช่น ATTACKING) การเปลี่ยนผ่านภายในสถานะย่อยสามารถเกิดขึ้นได้อย่างอิสระ และการเปลี่ยนผ่านจากสถานะแม่สามารถส่งผลกระทบต่อสถานะย่อยทั้งหมดได้

ประโยชน์ของ HSMs:

State Design Patterns

มีรูปแบบการออกแบบ (design patterns) หลายอย่างที่สามารถใช้ร่วมกับ FSMs เพื่อปรับปรุงคุณภาพโค้ดและความสามารถในการบำรุงรักษา:

การจัดการสถานะส่วนกลาง (Global State)

ในบางกรณี คุณอาจต้องจัดการสถานะส่วนกลางของเกมที่ส่งผลกระทบต่อเอนทิตีหรือระบบหลายๆ อย่าง สามารถทำได้โดยการสร้าง state machine แยกต่างหากสำหรับตัวเกมเอง หรือโดยใช้ตัวจัดการสถานะส่วนกลางที่ประสานงานพฤติกรรมของ FSMs ต่างๆ

ตัวอย่างเช่น state machine ของเกมส่วนกลางอาจมีสถานะ เช่น LOADING, MENU, IN_GAME และ GAME_OVER การเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะเหล่านี้จะกระตุ้นการทำงานที่สอดคล้องกัน เช่น การโหลดแอสเซทของเกม การแสดงเมนูหลัก การเริ่มเกมใหม่ หรือการแสดงหน้าจอเกมโอเวอร์

การเพิ่มประสิทธิภาพ (Performance Optimization)

แม้ว่าโดยทั่วไป FSMs จะมีประสิทธิภาพ แต่สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาการเพิ่มประสิทธิภาพ โดยเฉพาะสำหรับ state machine ที่ซับซ้อนซึ่งมีสถานะและการเปลี่ยนผ่านจำนวนมาก

สถาปัตยกรรมที่ขับเคลื่อนด้วยเหตุการณ์ (Event-Driven Architecture)

การรวม FSMs เข้ากับสถาปัตยกรรมที่ขับเคลื่อนด้วยเหตุการณ์สามารถเพิ่มความยืดหยุ่นและการตอบสนองของระบบได้ แทนที่จะคิวรีอินพุตหรือเงื่อนไขโดยตรง สถานะสามารถสมัครรับข้อมูล (subscribe) เหตุการณ์เฉพาะและตอบสนองตามนั้นได้

ตัวอย่างเช่น state machine ของตัวละครอาจสมัครรับเหตุการณ์เช่น "HealthChanged," "EnemyDetected," หรือ "ButtonClicked" เมื่อเหตุการณ์เหล่านี้เกิดขึ้น state machine สามารถกระตุ้นการเปลี่ยนไปยังสถานะที่เหมาะสมได้ เช่น HURT, ATTACK หรือ INTERACT

FSMs ในเกมประเภทต่างๆ

FSMs สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับเกมได้หลากหลายประเภท นี่คือตัวอย่างบางส่วน:

ทางเลือกอื่นนอกเหนือจาก Finite State Machines

แม้ว่า FSMs จะเป็นเครื่องมือที่ทรงพลัง แต่ก็ไม่ได้เป็นทางออกที่ดีที่สุดสำหรับทุกปัญหาเสมอไป แนวทางทางเลือกสำหรับการจัดการสถานะเกม ได้แก่:

การเลือกใช้เทคนิคใดขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของเกมและความซับซ้อนของพฤติกรรมที่กำลังจัดการ

ตัวอย่างในเกมยอดนิยม

แม้ว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะทราบรายละเอียดการนำไปใช้ที่แน่นอนของทุกเกม แต่ FSMs หรืออนุพันธ์ของมันน่าจะถูกใช้อย่างกว้างขวางในเกมยอดนิยมมากมาย นี่คือตัวอย่างที่เป็นไปได้:

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการใช้ Finite State Machines

สรุป

Finite State Machines เป็นเครื่องมือพื้นฐานที่ทรงพลังสำหรับการจัดการสถานะเกม ด้วยการทำความเข้าใจแนวคิดพื้นฐานและเทคนิคการนำไปใช้ คุณสามารถสร้างระบบเกมที่แข็งแกร่ง คาดเดาได้ และบำรุงรักษาได้ง่ายขึ้น ไม่ว่าคุณจะเป็นนักพัฒนาเกมที่ช่ำชองหรือเพิ่งเริ่มต้น การเรียนรู้ FSMs จะช่วยเพิ่มความสามารถในการออกแบบและนำไปใช้กับพฤติกรรมเกมที่ซับซ้อนได้อย่างมาก

อย่าลืมเลือกแนวทางการนำไปใช้ที่เหมาะสมกับความต้องการเฉพาะของคุณ และอย่ากลัวที่จะสำรวจเทคนิคขั้นสูง เช่น Hierarchical State Machines และสถาปัตยกรรมที่ขับเคลื่อนด้วยเหตุการณ์ ด้วยการฝึกฝนและการทดลอง คุณสามารถใช้ประโยชน์จากพลังของ FSMs เพื่อสร้างประสบการณ์เกมที่น่าดึงดูดและสมจริงได้

การจัดการสถานะเกม: การเรียนรู้ Finite State Machines (FSMs) อย่างเชี่ยวชาญ | MLOG