Architektur von Videospielen
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Architektur von Videospielen
Vincent Langenfeld, Daniel Dietsch
November 25, 2020
0 / 33
Organisation
Beginnen Sie jetzt mit dem Programmieren Ideenpräsentation (Do. Nächste Woche)
I z.B.: /.sln I Ab 14 Uhr ct. in Zoom
I Jenkins und Sonar sind nun online I Ab 14 Uhr st. Technik testen
I Gesamte Gruppe mit Kamera
I Arbeiten Sie an einem Projekt, integrieren Sie
I max 10min (+ 5min Fragen)
kontinuierlich
I Bereiten Sie sich vor:
I MS01: Nächste Woche (Spielobjekt in der
I Worum geht es?
Welt bewegbar, bewegliche Ansichten, Level
I Zentrale Spielmechanik?
laden/speichern, Soundausgabe)
I Spielablauf? (gewinnen, verlieren)
I Nehmen Sie die wöchentlichen Aufgaben als I Warum macht es Spaß?
Chance sich zu verbessern
1 / 33
Architektur
2 / 33Architektur
Engine Tools
I Eingabe I Modelle integrieren
I Menüs und Popups I Texturen integrieren
I Persistente Einstellungen I Sounds integrieren
I Speichern/Laden I Level erstellen
I Rendern und Kamera I Debugging output
I Pathfinding Content
I Kollisionserkennung I Sound und Musik
I Netzwerk I Modelle
I Objektverwaltung I Sprites
Spielmechanik I Levels
I Spielobjekte und Eigenschaften
I Interaktion
I KI
3 / 33Architektur
Engine Tools
I Eingabe I Modelle integrieren
I Menüs und Popups I Texturen integrieren
I Persistente Einstellungen I Sounds integrieren
I Speichern/Laden I Level erstellen
I Rendern und Kamera I Debugging output
I Pathfinding Content
I Kollisionserkennung I Sound und Musik
I Netzwerk I Modelle
I Objektverwaltung I Sprites
Spielmechanik I Levels
I Spielobjekte und Eigenschaften
I Interaktion
A Man Ran (WS17/18)
I KI
3 / 33Architektur
Gregory, Game Engine Architec-
ture, 2019
4 / 33Architektur
Content
Am Besten Top-Down anfangen:
I Zuerst Struktur aufbauen
MonoGame
Game Logic
I Funktionalität aufteilen
I Separation of Concerns
Engine
5 / 33MonoGame und .NET
6 / 33MonoGame und .NET
.net MonoGame
I Mathematik I Abstraktion
I Zufallszahlen I Grafik
I Sound
I (De-)Serialisierung in XML/Binär I Input
I Datenstrukturen (Liste, Menge, ...) I Content Pipeline
I Debugging I Einfache Anzeigemethoden
I Profiling (BasicEffect, SpriteBatch)
I Datentypen
I Vector2, Vector3
I Matrix
I ...
I Game Loop
7 / 33MonoGame Lifecycle
(Un-)Load Content
Initialize() LoadContent()
Game Loop
BeginRun() Update(GameTime t)
BeginDraw(): bool
Draw(GameTime t)
EndRun() EndDraw()
UnloadContent()
8 / 33Bausteine
9 / 33Screen Management
I Verschiedene Ansichten des Spiels in Screens unterteilen
I Hauptmenü
I Optionsmenü
I Spielansicht
I HUD
I Ladebildschirm
I ...
10 / 33Screen Management
I Verschiedene Ansichten des Spiels in Screens unterteilen
I Hauptmenü
I Optionsmenü
I Spielansicht
I HUD
I Ladebildschirm
I ...
I ScreenManager verwaltet alle Screens
I ScreenManager verwaltet Übergänge zwischen Screens
I Verwaltung der Screens vom Inhalt des einzelnen Screens trennen
10 / 33Screen Management
ScreenManager
- mScreenStack:List
+ AddScreen(screen:IScreen)
+ RemoveScreen(...)
+ Draw(...)
+ Update(...)
Draw()
Update()
MainMenuScreen
mScreenStack
11 / 33Screen Management
ScreenManager
- mScreenStack:List
+ AddScreen(screen:IScreen)
+ RemoveScreen(...)
+ Draw(...)
+ Update(...)
AddScreen(OptionsScreen)
MainMenuScreen
mScreenStack
11 / 33Screen Management
ScreenManager
- mScreenStack:List
+ AddScreen(screen:IScreen)
+ RemoveScreen(...)
+ Draw(...)
+ Update(...)
Draw()
Update()
OptionScreen
MainMenuScreen
mScreenStack
11 / 33Screen Management
ScreenManager
- mScreenStack:List
+ AddScreen(screen:IScreen)
+ RemoveScreen(...)
+ Draw(...)
+ Update(...)
RemoveScreen()
OptionScreen
MainMenuScreen
mScreenStack
11 / 33Screen Management
ScreenManager
- mScreenStack:List
+ AddScreen(screen:IScreen)
+ RemoveScreen(...)
+ Draw(...)
+ Update(...)
Draw()
Update()
MainMenuScreen
mScreenStack
11 / 33Screen Management
ScreenManager
- mScreenStack:List
+ AddScreen(screen:IScreen)
+ RemoveScreen(...)
+ Draw(...)
+ Update(...)
UpdateLower?
DrawLower?
HudScreen
GameScreen
mScreenStack
12 / 33Screen Management
ScreenManager
- mScreenStack:List
Yes + AddScreen(screen:IScreen)
Yes + RemoveScreen(...)
+ Draw(...)
+ Update(...)
HudScreen
GameScreen
mScreenStack
12 / 33Screen Management
ScreenManager
- mScreenStack:List
+ AddScreen(screen:IScreen)
+ RemoveScreen(...)
+ Draw(...)
+ Update(...)
PauseMenuScreen
HudScreen
GameScreen
mScreenStack
12 / 33Screen Management
ScreenManager
- mScreenStack:List
+ AddScreen(screen:IScreen)
+ RemoveScreen(...)
UpdateLower? + Draw(...)
DrawLower? + Update(...)
PauseMenuScreen
HudScreen
GameScreen
mScreenStack
12 / 33Screen Management
ScreenManager
- mScreenStack:List
No + AddScreen(screen:IScreen)
Yes + RemoveScreen(...)
+ Draw(...)
+ Update(...)
PauseMenuScreen
HudScreen
GameScreen
mScreenStack
12 / 33Screen Management
ScreenManager
- mScreenStack:List IScreen
+ AddScreen(screen:IScreen) + UpdateLower: bool
+ RemoveScreen(...) + DrawLower: bool
+ Draw(...) + Update(...)
+ Update(...) + Draw(...)
PauseMenuScreen
HudScreen
MenuScreen
13 / 33Screen Management
ScreenManagement
ScreenManager
- mScreenStack:List IScreen
+ AddScreen(screen:IScreen) + UpdateLower: bool
+ RemoveScreen(...) + DrawLower: bool
+ Draw(...) + Update(...)
+ Update(...) + Draw(...)
Game
PauseMenuScreen
HudScreen
MenuScreen
13 / 33Screen Management
ScreenManagement
ScreenManager
- mScreenStack:List IScreen
+ AddScreen(screen:IScreen) + UpdateLower: bool
+ RemoveScreen(...) + DrawLower: bool
+ Draw(...) + Update(...)
+ Update(...) + Draw(...)
ScreenManagement
Game
IScreen PauseMenuScreen
HudScreen
MenuScreen
MyGame
13 / 33Input Management
I Tastatur, Maus, Gamepad, ...
I MonoGame Namespace Microsoft.Xna.Framework.Input
I KeyboardState mKeyboardState = Keyboard.GetState();
I Statusinformation per Frame: Zustand der Tasten, Mausposition
I keine Historie
I Wir brauchen
I Statusinformation in Abhängigkeit von Zeit
(z.B.: A wurde diese Frame losgelassen)
I Abstraktion von Tasten zu Aktionen
14 / 33Input Management
Xna...Mouse
Xna...MouseState
Xna...Keyboard
Xna...KeyboardState
Xna...KeysInput Management
Input
Xna...Mouse
InputManager
+ GetKeyMappings():Dictionary
Xna...MouseState + SetKeyMapping(keyEvents: List, action: ActionType)
+ DeleteKeyMapping(...)
+ Update (...)
Xna...Keyboard
Xna...KeyboardState 1
InputState
0...*
+ MousePosition:Vector2
KeyEvent
KeyEventType
OnButtonDown
Xna...Keys OnButtonPressed ActionType
OnButtonUp
15 / 33Menüs
I Viele Elemente die sich sehr ähnlich verhalten
I Panels
I Buttons
I Labels
I Textboxen
I Checkboxen
I Auch im Hud verwendbar
16 / 33Menüs
IDrawable2D
IKeyboardSelectable
+ CurrentRatio: float
+ Enabled: bool
+ Draw(...)
MenuElement
PaneElements + Position:Vector2
0..* MenuEventHandler
+ Size:Rectangle
+ Visible: bool
1
Pane Label Textbox Button
TextButton ImageButton
ITextElement
+ Text: String
17 / 33Spielobjekte
Spielobjekte
Spielobjekte sind alle Dinge, die eine Repräsentation in der Spielwelt haben.
I Charaktere, Fahrzeuge, Bäume, Raketen, Gras, Steine, Trigger, Lichter, Sounds, ...
I Spielobjekte müssen manchmal
I gezeichnet werden
I sich bewegen
I zerstörbar sein
I miteinander kollidieren
I etc.
I Wie verwaltet man so viele (verschiedene) Objekte effizient?
18 / 33Spielobjekte
Spielobjekte
Spielobjekte sind alle Dinge, die eine Repräsentation in der Spielwelt haben.
I Charaktere, Fahrzeuge, Bäume, Raketen, Gras, Steine, Trigger, Lichter, Sounds, ...
I Spielobjekte müssen manchmal
I gezeichnet werden
I sich bewegen
I zerstörbar sein
I miteinander kollidieren
I etc.
I Wie verwaltet man so viele (verschiedene) Objekte effizient?
I Zur Laufzeit?
I Im Softwaredesign?
18 / 33Spielobjekte
Szenengraph
Ein Szenengraph ist eine zentrale Datenstruktur, die der logischen und/oder räumlichen Verwaltung der
Spielobjekte dient.
I Antwort auf räumliche Fragen
I Update- und Drawaufrufe an Spielobjekte weitergeben
I Beispiele: Liste, Heap, Quad-/ Octree, KD-Tree, R-Tree, ...
19 / 33Spielobjekte
Objektzentriert Eigenschaftszentriert
I Spielobjekte sind Klassen mit I Jedes Spielobjekt ist nur eine ID
I Eigenschaften des Spielobjekts I Eigenschaften der Spielobjekte werden in
I Verhalten des Spielobjekts
Tabellen gespeichert
I Spielwelt ist eine Menge von Instanzen der I Verhalten von Spielobjekten sind Operationen
Spielobjekte auf Tabellen
I Änhnlich zu Datenbanken
20 / 33Spielobjekte und Vererbung
Mob Boss
21 / 33Spielobjekte und Vererbung
Enemy
Mob Boss
21 / 33Spielobjekte und Vererbung
PlayerCharacter Enemy
Mob Boss
21 / 33Spielobjekte und Vererbung
PhysicsObject
PlayerCharacter Enemy
Mob Boss
21 / 33Spielobjekte und Vererbung
MovableObject
PhysicsObject
PlayerCharacter Enemy
Mob Boss
21 / 33Spielobjekte und Vererbung
MovableObject Platform
PhysicsObject
PlayerCharacter Enemy
Mob Boss
21 / 33Spielobjekte und Vererbung
ColldiableObject
MovableObject Platform
PhysicsObject
PlayerCharacter Enemy
Mob Boss
21 / 33Spielobjekte und Vererbung
ColldiableObject AmbientTree
MovableObject Platform
PhysicsObject
PlayerCharacter Enemy
Mob Boss
21 / 33Spielobjekte und Vererbung
GameObject
ColldiableObject AmbientTree
MovableObject Platform
PhysicsObject
PlayerCharacter Enemy
Mob Boss
21 / 33Spielobjekte und Vererbung
GameObject
ColldiableObject AmbientTree
MovableObject Platform
Was ist mit der Kamera?
PhysicsObject
PlayerCharacter Enemy
Mob Boss
21 / 33Spielobjekte
Eine einfache Kamera
I Speichert z.B.:
I View Matrix
I Projection Matrix
I Grundlage für Picking
I Definiert View Frustrum
22 / 33Spielobjekte
Eine einfache Kamera
I Speichert z.B.:
I View Matrix
I Projection Matrix
I Grundlage für Picking
I Definiert View Frustrum
- Teil der Spielwelt
- Nicht kollidierend
- Beweglich
22 / 33Spielobjekte
Tree Platform PlayerCharacter Mob BossMob Camera
GameObject X X X X X X
Collidable X X X X
Movable X X X X
Physics X X X
EnemyBehaviour X X
23 / 33Spielobjekte und Vererbung
GameObject
ColldiableObject AmbientTree
MovableObject Platform
PhysicsObject
Camera
PlayerCharacter Enemy
Mob Boss
24 / 33Spielobjekte und Komposition
IMovement Movement
ICollidable 1 UnitMovement
IMovement
IEnemyBeaviour 1
1 Physics
BossEnemy CollidableObject
1 ICollidable
1
EnemyBehaviour
Behaviour
1 BossEnemyBeaviour
IEnemyBeaviour
FlyingEnemyBehaviour
IGameObject IEnemy
25 / 33Pathfinding
Offline Online
I Berücksichtigt Welt und unbewegliche Objekte I Beweglichen Objekten ausweichen
I Meistens A* I Verschiedene Verfahren:
I Viele mögliche Weltrepräsentationen: Steering, Flocking, Flow Fields, ...
Grid, Hierarchical Grid, Waypoint Graph,
Navigation Mesh,...
26 / 33Pathfinding
IPathFinder
+ GetPath(Location src, Location dest): Path
Path AStarPathfinder
Map
IMapRepresentation
NavigationMesh Grid
27 / 33Library Falle
28 / 33Die Libraryfalle
Die Libraryfalle
I Es existieren viele Libraries
I Pro:
I Rad nicht neu erfinden
I Optimierte Lösungen für bekannte Probleme
I Aber:
I Problem muss verstanden sein
I Library muss verstanden werden
I Versteckte Kosten wenn Library
fehlerhaft/schlecht/unpassend/...
29 / 33Die Libraryfalle
Die Libraryfalle
I Es existieren viele Libraries
I Pro:
I Rad nicht neu erfinden
I Optimierte Lösungen für bekannte Probleme
I Aber:
I Problem muss verstanden sein
I Library muss verstanden werden
I Versteckte Kosten wenn Library
fehlerhaft/schlecht/unpassend/...
I Vorher das Risiko abschätzen:
I Wie zentral ist die Library?
I Wie reif ist die Library?
I Können wir das einfacher selbst machen?
29 / 33Die Libraryfalle
Die Libraryfalle Wie zentral ist die Library?
I Es existieren viele Libraries -Viel möglicher Schaden:
I Pro:
Part4
I Rad nicht neu erfinden
I Optimierte Lösungen für bekannte Probleme Part1 Part2
I Aber:
I Problem muss verstanden sein Lib Part3
I Library muss verstanden werden
I Versteckte Kosten wenn Library - Weniger möglicher Schaden:
fehlerhaft/schlecht/unpassend/...
I Vorher das Risiko abschätzen: Lib
I Wie zentral ist die Library? Part1 Part2
I Wie reif ist die Library?
I Können wir das einfacher selbst machen? Part4 Part3
29 / 33Organisation
30 / 33Architekturbesprechung
Ziel
Designprinzipien auf die Architektur anwenden um
diese zu verbessern, und eventuelle Probleme mit Quelle: Dozent
der Architektur frühzeitig aufdecken. Auslöser: Spieler
Umgebung: Ich drücke im Hauptmenü auf
Ablauf:
Spiel Starten, und befinde mich danach
I Kurze Zusammenfassung des Spiels im Spiel.
I Übersicht über die Architektur
I Was machen die einzelnen Komponenten Es wird eine Karte erzeugt.
I Vorstellen der Architektur anhand der
Szenarien
I Fragen und zusätzliche Szenarien
31 / 33Organisation
I Fangen Sie jetzt an zu programmieren
I In einem Projekt
I Arbeiten Sie gemeinsam
I GDD-Reviews lesen und Probleme beheben
I Inhaltliche Probleme früh lösen
I Nicht vergessen:
I Architekturbesprechung
I Ideenpräsentation
32 / 33Organisation
I Fangen Sie jetzt an zu programmieren
I In einem Projekt
I Arbeiten Sie gemeinsam
I GDD-Reviews lesen und Probleme beheben
I Inhaltliche Probleme früh lösen
Für Fragen gibt es die Sprech-
I Nicht vergessen:
stunde: Donnerstags 14-18 Uhr, am
I Architekturbesprechung
besten per Mattermost ansprechen
I Ideenpräsentation
32 / 3333 / 33
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