Управління станом гри: Опановуємо скінченні автомати (FSM)

У світі розробки ігор ефективне управління станом гри має вирішальне значення для створення захоплюючих та передбачуваних вражень. Одним із найпоширеніших та фундаментальних методів для досягнення цього є скінченний автомат (Finite State Machine, FSM). Цей вичерпний посібник глибоко зануриться в концепцію FSM, досліджуючи їхні переваги, деталі реалізації та передові застосування в розробці ігор.

Що таке скінченний автомат?

Скінченний автомат — це математична модель обчислень, яка описує систему, що може перебувати в одному зі скінченної кількості станів. Система переходить між цими станами у відповідь на зовнішні вхідні дані або внутрішні події. Простими словами, FSM — це патерн проєктування, що дозволяє визначити набір можливих станів для сутності (наприклад, персонажа, об'єкта, самої гри) та правила, які керують переходом сутності між цими станами.

Уявіть собі звичайний вимикач світла. Він має два стани: УВІМКНЕНО та ВИМКНЕНО. Натискання на вимикач (вхідний сигнал) спричиняє перехід з одного стану в інший. Це базовий приклад FSM.

Чому варто використовувати скінченні автомати в розробці ігор?

FSM пропонують кілька значних переваг у розробці ігор, що робить їх популярним вибором для управління різними аспектами поведінки гри:

• Простота та зрозумілість: FSM надають чіткий і зрозумілий спосіб представлення складної поведінки. Стани та переходи чітко визначені, що полегшує аналіз та налагодження системи.
• Передбачуваність: Детермінована природа FSM гарантує, що система поводиться передбачувано при заданих вхідних даних. Це вкрай важливо для створення надійних та послідовних ігрових вражень.
• Модульність: FSM сприяють модульності, розділяючи логіку для кожного стану на окремі блоки. Це полегшує модифікацію або розширення поведінки системи, не впливаючи на інші частини коду.
• Повторне використання: FSM можна повторно використовувати для різних сутностей або систем у грі, заощаджуючи час та зусилля.
• Простота налагодження: Чітка структура полегшує відстеження потоку виконання та виявлення потенційних проблем. Для FSM часто існують візуальні інструменти налагодження, що дозволяють розробникам покроково проходити через стани та переходи в реальному часі.

Базові компоненти скінченного автомата

Кожен FSM складається з наступних основних компонентів:

• Стани: Стан представляє певний режим поведінки сутності. Наприклад, у контролері персонажа стани можуть включати СПОКІЙ, ХОДЬБА, БІГ, СТРИБОК та АТАКА.
• Переходи: Перехід визначає умови, за яких сутність переходить з одного стану в інший. Ці умови зазвичай викликаються подіями, вхідними даними або внутрішньою логікою. Наприклад, перехід зі стану СПОКІЙ до ХОДЬБА може бути викликаний натисканням клавіш руху.
• Події/Вхідні дані: Це тригери, які ініціюють переходи між станами. Події можуть бути зовнішніми (наприклад, введення користувача, зіткнення) або внутрішніми (наприклад, таймери, порогові значення здоров'я).
• Початковий стан: Стартовий стан FSM під час ініціалізації сутності.

Реалізація скінченного автомата

Існує кілька способів реалізації FSM у коді. Найпоширеніші підходи включають:

1. Використання перелічень (Enum) та операторів Switch

Це простий і прямолінійний підхід, особливо для базових FSM. Ви визначаєте перелічення (enum) для представлення різних станів і використовуєте оператор switch для обробки логіки для кожного стану.

Приклад (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() {
        // Логіка для стану спокою
        if (Input.GetKey(KeyCode.W) || Input.GetKey(KeyCode.A) || Input.GetKey(KeyCode.S) || Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            currentState = CharacterState.Walking;
        }
    }

    void HandleWalkingState() {
        // Логіка для стану ходьби
        // Перехід до бігу, якщо натиснута клавіша Shift
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            currentState = CharacterState.Running;
        }
        // Перехід до спокою, якщо клавіші руху не натиснуті
        if (!Input.GetKey(KeyCode.W) && !Input.GetKey(KeyCode.A) && !Input.GetKey(KeyCode.S) && !Input.GetKey(KeyCode.D)) {
            currentState = CharacterState.Idle;
        }
    }

    void HandleRunningState() {
        // Логіка для стану бігу
        // Повернення до ходьби, якщо клавішу Shift відпущено
        if (!Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            currentState = CharacterState.Walking;
        }
    }

    void HandleJumpingState() {
        // Логіка для стану стрибка
        // Повернення до спокою після приземлення
    }

    void HandleAttackingState() {
        // Логіка для стану атаки
        // Повернення до спокою після завершення анімації атаки
    }
}

Переваги:

• Простота для розуміння та реалізації.
• Підходить для невеликих і простих машин станів.

Недоліки:

• Може стати складним для управління та підтримки зі збільшенням кількості станів і переходів.
• Брак гнучкості та масштабованості.
• Може призвести до дублювання коду.

2. Використання ієрархії класів станів

Цей підхід використовує успадкування для визначення базового класу State та підкласів для кожного конкретного стану. Кожен підклас стану інкапсулює логіку для цього стану, роблячи код більш організованим та легким для підтримки.

Приклад (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() {
        // Логіка для стану спокою
        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() {
        // Логіка для стану ходьби
        // Перехід до бігу, якщо натиснута клавіша Shift
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftShift)) {
            characterController.ChangeState(new RunningState(characterController));
        }
        // Перехід до спокою, якщо клавіші руху не натиснуті
        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");
    }
}

// ... (Інші класи станів, такі як 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();
    }
}

Переваги:

• Покращена організація та підтримка коду.
• Підвищена гнучкість та масштабованість.
• Зменшення дублювання коду.

Недоліки:

• Складніше налаштовувати на початковому етапі.
• Може призвести до великої кількості класів станів для складних машин станів.

3. Використання ассетів для машин станів (візуальне програмування)

Для тих, хто віддає перевагу візуальному або вузловому підходу, існує кілька ассетів для машин станів в ігрових рушіях, таких як Unity та Unreal Engine. Ці ассети надають візуальний редактор для створення та управління машинами станів, спрощуючи процес визначення станів та переходів.

Приклади:

• Unity: PlayMaker, Behavior Designer
• Unreal Engine: Behavior Tree (вбудоване), ассети з Unreal Engine Marketplace

Ці інструменти часто дозволяють розробникам створювати складні FSM, не пишучи жодного рядка коду, що робить їх доступними також для дизайнерів та художників.

Переваги:

• Візуальний та інтуїтивно зрозумілий інтерфейс.
• Швидке прототипування та розробка.
• Зменшені вимоги до кодування.

Недоліки:

• Може створювати залежності від зовнішніх ассетів.
• Можливі обмеження продуктивності для дуже складних машин станів.
• Може вимагати часу на вивчення інструменту.

Просунуті методи та аспекти

Ієрархічні скінченні автомати (HSM)

Ієрархічні скінченні автомати розширюють базову концепцію FSM, дозволяючи станам містити вкладені під-стани. Це створює ієрархію станів, де батьківський стан може інкапсулювати спільну поведінку для своїх дочірніх станів. Це особливо корисно для управління складною поведінкою зі спільною логікою.

Наприклад, персонаж може мати загальний стан БІЙ, який, у свою чергу, містить під-стани, такі як АТАКА, ЗАХИСТ та УХИЛЕННЯ. При переході до стану БІЙ персонаж входить у стандартний під-стан (наприклад, АТАКА). Переходи всередині під-станів можуть відбуватися незалежно, а переходи з батьківського стану можуть впливати на всі під-стани.

Переваги HSM:

• Покращена організація та повторне використання коду.
• Зменшення складності шляхом розбиття великих машин станів на менші, керовані частини.
• Легше підтримувати та розширювати поведінку системи.

Патерни проєктування станів

Кілька патернів проєктування можна використовувати разом з FSM для покращення якості та підтримки коду:

• Одинак (Singleton): Використовується для гарантії існування лише одного екземпляра машини станів.
• Фабрика (Factory): Використовується для динамічного створення об'єктів станів.
• Спостерігач (Observer): Використовується для сповіщення інших об'єктів про зміну стану.

Обробка глобального стану

У деяких випадках вам може знадобитися керувати глобальним станом гри, який впливає на кілька сутностей або систем. Цього можна досягти, створивши окрему машину станів для самої гри або використовуючи глобальний менеджер станів, який координує поведінку різних FSM.

Наприклад, глобальна машина станів гри може мати такі стани, як ЗАВАНТАЖЕННЯ, МЕНЮ, В ГРІ та ГРУ ЗАВЕРШЕНО. Переходи між цими станами викликали б відповідні дії, такі як завантаження ігрових ассетів, відображення головного меню, початок нової гри або показ екрана завершення гри.

Оптимізація продуктивності

Хоча FSM загалом ефективні, важливо враховувати оптимізацію продуктивності, особливо для складних машин станів з великою кількістю станів та переходів.

• Мінімізуйте переходи між станами: Уникайте непотрібних переходів між станами, які можуть споживати ресурси процесора.
• Оптимізуйте логіку стану: Переконайтеся, що логіка всередині кожного стану є ефективною та уникає витратних операцій.
• Використовуйте кешування: Кешуйте дані, до яких часто звертаються, щоб зменшити потребу в повторних обчисленнях.
• Профілюйте свій код: Використовуйте інструменти профілювання для виявлення вузьких місць у продуктивності та відповідної оптимізації.

Архітектура, керована подіями

Інтеграція FSM з архітектурою, керованою подіями, може підвищити гнучкість та чутливість системи. Замість прямого запиту вхідних даних або умов, стани можуть підписуватися на певні події та реагувати відповідно.

Наприклад, машина станів персонажа може підписатися на такі події, як "Здоров'яЗмінилося", "ВорогВиявлений" або "КнопкаНатиснута". Коли ці події відбуваються, машина станів може ініціювати переходи до відповідних станів, таких як ПОРАНЕНИЙ, АТАКА або ВЗАЄМОДІЯ.

FSM у різних ігрових жанрах

FSM застосовні до широкого спектра ігрових жанрів. Ось кілька прикладів:

• Платформери: Управління рухом персонажа, анімаціями та діями. Стани можуть включати СПОКІЙ, ХОДЬБА, СТРИБОК, ПРИСІДАННЯ та АТАКА.
• RPG: Контроль ШІ ворогів, системи діалогів та прогрес квестів. Стани можуть включати ПАТРУЛЮВАННЯ, ПЕРЕСЛІДУВАННЯ, АТАКА, ВТЕЧА та ДІАЛОГ.
• Стратегії: Управління поведінкою юнітів, збором ресурсів та будівництвом. Стани можуть включати СПОКІЙ, РУХ, АТАКА, ЗБІР та БУДІВНИЦТВО.
• Файтинги: Реалізація наборів рухів персонажів та комбо-систем. Стани можуть включати СТОЯННЯ, ПРИСІДАННЯ, СТРИБОК, УДАР РУКОЮ, УДАР НОГОЮ та БЛОКУВАННЯ.
• Головоломки: Контроль ігрової логіки, взаємодії об'єктів та прогресу рівня. Стани можуть включати ПОЧАТКОВИЙ, ГРА, ПАУЗА та ВИРІШЕНО.

Альтернативи скінченним автоматам

Хоча FSM є потужним інструментом, вони не завжди є найкращим рішенням для кожної проблеми. Альтернативні підходи до управління станом гри включають:

• Дерева поведінки: Більш гнучкий та ієрархічний підхід, який добре підходить для складної поведінки ШІ.
• Діаграми станів (Statecharts): Розширення FSM, яке надає більш просунуті функції, такі як паралельні стани та стани історії.
• Системи планування: Використовуються для створення інтелектуальних агентів, які можуть планувати та виконувати складні завдання.
• Системи на основі правил: Використовуються для визначення поведінки на основі набору правил.

Вибір техніки залежить від конкретних вимог гри та складності керованої поведінки.

Приклади в популярних іграх

Хоча неможливо знати точні деталі реалізації кожної гри, FSM або їх похідні, ймовірно, широко використовуються в багатьох популярних тайтлах. Ось кілька потенційних прикладів:

• The Legend of Zelda: Breath of the Wild: ШІ ворогів, ймовірно, використовує FSM або дерева поведінки для керування їх поведінкою, такою як патрулювання, атака та реакція на гравця.
• Super Mario Odyssey: Різноманітні стани Маріо (біг, стрибки, захоплення) ймовірно управляються за допомогою FSM або подібної системи управління станами.
• Grand Theft Auto V: Поведінка неігрових персонажів (NPC), ймовірно, контролюється FSM або деревами поведінки для симуляції реалістичних взаємодій та реакцій у ігровому світі.
• World of Warcraft: ШІ вихованців (pet) у WoW може використовувати FSM або дерево поведінки для визначення, які заклинання застосовувати і коли.

Найкращі практики використання скінченних автоматів

• Зберігайте стани простими: Кожен стан повинен мати чітку та добре визначену мету.
• Уникайте складних переходів: Зберігайте переходи якомога простішими, щоб уникнути несподіваної поведінки.
• Використовуйте описові назви станів: Вибирайте назви, які чітко вказують на призначення кожного стану.
• Документуйте вашу машину станів: Документуйте стани, переходи та події, щоб полегшити її розуміння та підтримку.
• Тестуйте ретельно: Ретельно тестуйте вашу машину станів, щоб переконатися, що вона поводиться очікувано в усіх сценаріях.
• Розгляньте можливість використання візуальних інструментів: Використовуйте візуальні редактори машин станів, щоб спростити процес створення та управління ними.

Висновок

Скінченні автомати є фундаментальним та потужним інструментом для управління станом гри. Розуміючи базові концепції та техніки реалізації, ви зможете створювати більш надійні, передбачувані та легкі в підтримці ігрові системи. Незалежно від того, чи ви досвідчений розробник ігор, чи тільки починаєте, опанування FSM значно розширить ваші можливості в проєктуванні та реалізації складної ігрової поведінки.

Не забувайте вибирати правильний підхід до реалізації для ваших конкретних потреб і не бійтеся досліджувати просунуті методи, такі як ієрархічні скінченні автомати та архітектури, керовані подіями. З практикою та експериментами ви зможете використати потужність FSM для створення захоплюючих та імерсивних ігрових вражень.