GAMES104.王希.03.如何构建游戏世界

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GO(Game Object)、组件化设计、空间数据结构管理场景

如何构建游戏世界

  • How to Build a Game World
  • 游戏世界由什么组成？
  • 我们如何描述这些东西？
  • 这些东西是如何组织的？

游戏世界中的物体

  • Dynamic Game Object（动态的游戏物体）
    • 移动的 NPC
    • 马
  • Static Game Object（静态物）
    • 房子
    • 树木
  • Environments
    • 天空（sky）、地形（terrain）、植被（vegetation）
    • tod：time of the day
  • Other Game Objects
    • 空气墙（air wall）
    • 检测体（trigger area）
      • 例如巫师三检测玩家走到了世界的尽头
      • 例如玩家走到特定区域才会触发剧情，走到特定区域的检测使用 trigger
    • 游戏规则
  • 任何东西都是游戏物体（Game Object）
  • GO：Game Object
    • 将游戏世界中的物体都抽象成 GO

如何描述 GO

  • 属性（property） + 行为（behavior）

  • 继承（inheritance）

  • 问题：当物体变多的时候，父子关系并不明显
  • 组件化（component base）

组件化

  • 代码
    • tick() 用于更新组件的状态

  • 无人机组件化

  • 现代游戏引擎架构的理念
    • 开发者好维护、好理解
    • 要符合艺术家设计师对于游戏的理解（游戏引擎是生产力工具）
  • 商业引擎也是基于组件化的设计
  • unreal
    • 这里的 UObject 更像是 java 中的 Object 集类，用于内存管理、GC 之类的（生命周期控制），和我们上面讲的 GO 还有所不同，这里的 AActor 更像是 GO

  • unity

如何让世界动起来

运动

  • Object-based Tick
  • 每一个 GO 里面的 component 调用 tick() 进行更新

  • 但是在实际的游戏引擎里面，一般是逐系统 tick()，而不是逐对象 tick()
    • 为了效率（pipeline）
    • 一个系统的数据通常放在一起（cache）

  • 对比
Object-based tick Component-based tick
Simple and intuitive
Easy to debug		 Parallelized processing
Reduced cache miss

交互

  • GO 之间的交互
    • 例如我砍了你一刀，你要受伤
  • hardcode
    • 效率很低，新加入 GO 则需要修改大量代码
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void Bomb::explode() {
    // ...
    switch(go_type) {
        case GoType.human_type : {
            // ...
            break;
        }
        case GoType.drone_type : {
            // ...
            break;
        }
        case GoType.tank_type : {
            // ...
            break;
        }
        case GoType.stone_type : {
            // ...
            break;
        }
        default : {
            break;
            // ...
        }
    }
    // ...
}
  • 事件机制（event）
    • GO 和 component 的解耦合
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void Bomb::explode() {
    // ...
    sendExplodeEvent(go_id);
    // ...
}
  • 商业引擎中的 event 机制
  • unity

  • unreal

  • 游戏引擎的工作
    • 允许用户定制事件
    • 允许用户在组件中对事件进行处理

总结

如何管理 GO

  • GO 的查询
    • 通过 GO 的唯一标识（unique game object id）
    • 通过 GO 的位置

场景管理

  • 不管理
    • 事件发生（例如爆炸），向场景中的所有 GO 都发一遍消息（全都扫描一遍）
    • \(n^2\) 的挑战，场景中每个物体都扫描一遍其他物体
      • 对于场景中物体不多的情况下，还是可行的
      • 场景中 GO 增加，则带来大量的计算负担
  • Grid
    • 只向周围 Grid 进行发送消息
    • 当 GO 在场景中分散的不均匀的时候，又慢又浪费

  • 四叉树（QuadTree）
    • 层级结构

  • 其他空间数据结构
    • BVH：层次包围盒
      • 子弹打中某个物体 \(\Longleftrightarrow\) 光线和物体求交
    • BSP：空间划分
    • Octree：八叉树
    • Scene Graph：场景图

总结

  • Everything is a game object in the game world
    • 游戏世界中的所有东西都是 GO
  • Game object could be described in the component-based way
    • GO 使用组件化的方式描述
  • States of game objects are updated in tick loops
    • GO 的状态通过调用 tick() 进行更新
  • Game objects interact with each other via event mechanism
    • GO 之间通过事件机制进行交互
  • Game objects are managed in a scene with efficient strategies
    • GO 在场景中使用搞笑的空间数据结构进行管理

其他内容

绑定

  • Binding
  • 物体之间的绑定、联动
    • 例如你骑上马之后，你和马之间应该有相同的移动
  • 更新的时候按照父子关系更新
    • 先更新父结点，子结点再更新（基于父节点更新）
    • 顺序很重要

事件

  • 允许 GO 之间直接通信，可能会导致不一致情况的发生
    • 因为 tick() 可能是并行的，并行情况下执行顺序可能会不一致
    • 精彩回放：只是记录了玩家的输入，由于游戏引擎保证了一致性，回放和之前的画面是完全相同的
      • 一致性：同样的用户输入，引擎运行之后得到的结果是相同的
  • 引入第三方，用于控制时序

  • 解决时序问题
    • pre_tick()、post_tick()

依赖

  • 玩家从走路变成跑步，此时速度会变化，如果此时玩家的动作影响了环境（例如腿碰到其他物体），环境会反过来影响玩家的状态

  • 如何更新？
    • 变化马上在这一帧更新？下一帧更新？
    • 精妙的设计

QA

  • 一个 tick() 的时间过长怎么办？
    • 每一个 tick() 的时候传入步长，补偿计算
    • 跳过一个 tick()
    • 更多的是去优化引擎设计
      • 例如保证突然产生很多物体，一帧处理不过来，可以分散到相邻几帧去做（人眼看不出来）
  • 渲染线程和逻辑线程的同步
    • 一般而言，tick_logic() 会更早一点，tick_logic(),tick_render() 二者会放在不同的线程处理
    • 输入延迟，tick_logic() 比 tick_render() 早了几帧
      • frame_buffer 的交换还需要一帧
    • 如何实时响应是引擎设计中的一个重要问题
  • 空间划分如何处理动态的 GO
    • BVH 比 BSP 更新效率更高
    • 一般需要引擎支持多种空间划分的数据结构，用于适应不同的应用场景
  • 组件模式的缺点
    • 效率可能比 class 低（为了弥补讲相同组件的数据放到一起，快速更新）
    • 组件之间越需要有通信机制，但是组件之间并不知道对方是否一定存在，因此需要询问，高频的询问会影响效率
  • Debug
    • 逐帧分析
    • 可视化 debug
    • Log
  • 物理和动画互相影响的时候如何处理？
    • 插值过渡：一开始更多地使用定义好的动画，后面一步步转向物理计算的结果
    • 设计感 + 物理真实感