無限のゲームの例として、Unityで2D物理学と戦う

私の奇妙な創造的な道は、私にゲームの開発をもたらしました。 私たちの大学と協力するギリシャ語のスモールレターを1つ持つIT企業の優れた学生プログラムのおかげで、チームを編成し、ドキュメントを作成し、高品質のQAエンジニア（hello、Anna！）の監督の下でアジャイルゲーム開発をセットアップすることができました



あまり考えずに、Unityがエンジンとして選択されました。 これは素晴らしいエンジンで、非常に悪いゲームをすばやく簡単に作成することができます。 優れたゲームを作成するには、ドキュメントをシャベルで掘り下げ、いくつかの機能を掘り下げ、開発経験を積む必要があります。



私たちのゲームは、物理的なエンジンを予想外の方法で使用し、モバイルプラットフォームで多くのパフォーマンスの問題を引き起こしました。 この記事は、私たちのゲームの例として、物理エンジンと、実行可能なベータ版への道のりで見られたその仕事のすべての機能との私の苦労について説明しています。

ゲーム

飛行機は無限の予測不可能な洞窟を飛行します。そこにはボーナス、あらゆる種類のコイン、敵がホーミングミサイルを撃つことができます。 壁に衝突-すぐに失われました。

このゲームの特徴は、レベルが地平線に釘付けされ、その制御がジャイロスコープであり、さらに絶対的であることです。 電話を45度傾けた-飛行機は45度の角度で飛んだ。 デッドループを作成する必要があります-タブレットをねじる必要があります。 感度はなく、ハードコアのみです。

開発者にとって、2つの主な明らかな問題があります。

問題1：無限大

Unityは、オブジェクトの座標を小数点以下6桁までの精度で通常の32ビット浮動小数点数の形式で保存および処理します。 問題は、私たちのゲームが無限であり、十分に長く飛べば、壁を介してテレポートするまで、さまざまな種類のクレイジーなバグが発生することです。 この問題を解決するには、いくつかのアプローチがあります。

1. 無視する たとえば、Minecraftでは、丸め誤差によってゲームがより面白くなり、 「遠くの土地」という現象が発生しました。
2. 飛行機が原点から遠すぎる場合は、（0; 0; 0）にテレポートします。
3. 基準点の変更。 移動するのは平面ではなく、その周囲のレベルです。

この場合、受け入れられる唯一のオプションは、実装された3番目のオプションです。 実装について-少し後で。

最初の-無視-は絶対に受け入れられません。 私たちのゲームを永遠にプレイできるロボットを作成することは、誰かが解決する興味深い（そして非常に単純な）タスクです。 はい、そして普通の韓国人プレイヤーを過小評価すべきではありません-飛行機は高速で、レベルは予想外に生成されます。 そして、壁を通過する前に飛ぶと、5分間の飛行の後、より正確な射撃が明らかに失敗し始めます。

2番目-プレイヤーと全世界のテレポート-モバイルデバイスをひざまずかせ、場合によっては-約0.5秒間。 これは非常に顕著であるため、受け入れられません。 しかし、これは単純な無限のPCゲームには完全に受け入れられるオプションです。

問題2：レベルの生成

無限のランナーを構築するには、いくつかの基本的なアプローチがあります。

1. ランダムに結合された既製のレベルセグメントの使用。 これは、たとえばSubway Surfersで行われます。 実装は簡単ですが、プレーヤーはすぐに慣れて、何を準備するかを知っています。これは退屈です。
2. レベルとは、障害物がランダムに配置される単なる線です。 これは、Joypack JoyrideとTemple Runで行われます。 私たちの場合、これにより操作の数が大幅に制限されます。
3. すべてがランダムに生成されます。 プレイヤーにとって最も難しく、予測不可能で興味深いオプションです。

もちろん、最も難しいオプションを選択しました。 彼の心の中には、非常に複雑な状態の機械があり、それらはランダムな遷移を実行します。 しかし、この記事のフレームワーク内では、興味深いメカニズムではなく、選択した参照ポイントを考慮したレベル生成プロセスとその組織です。

レベル構造

私たちは洞窟を飛びます。床と天井があります-いくつかのブロック、基本的な建物ユニット。 ブロックは、シームレスに適合するセグメントに結合されます。 セグメントは、全体として、航空機の周りを回転し、その速度ベクトルに沿って移動し、飛行の錯覚を作り出します。 セグメントがカメラの視野を離れると、ジェネレーターの指示に従って、ブロックがクリアされ、レベルの最後のセグメントにドッキングされ、新しいブロックで埋められます。 そのようなセグメントの全体がレベルです。



経験豊富なUnity開発者は、作業量と考えられるすべての落とし穴を考慮して、正当に眉をひそめることができました。 しかし、言葉ではすべてが簡単ですが、私は開発経験がありませんでした...

Unityの物理の基本法則

1か月の開発、実験、およびドキュメントの読み取りのために、Unityで物理学の3つの基本法則を特定しました。 違反する可能性はありますが、違反のコストは生産性です。 エンジンは間違いについて警告することはなく、プロファイラーがなければそれらについて知ることはできません。 これらの法律を順守しないと、ゲームが数十倍遅くなる可能性があります。 私が理解しているように、法律に違反すると、物理エンジンが問題のコライダーを不正としてマークし、オブジェクト上で再作成し、その後に物理の再計算を行うという事実につながります。

1.コライダーは、移動、回転、オン/オフ、およびサイズ変更しないでください。

オブジェクトにコライダーを追加したらすぐに、コライダーまたはそれが含まれているオブジェクトへの影響を忘れてください。 通常のコライダーは非常に静的なオブジェクトです。 たとえば、ツリーにはコライダーが1つあります。 ツリーがプレーヤーに落ちる可能性がある場合、そのツリーはパフォーマンスとともに落ちます。 この木が、コライダーが持っていないが動くことができる魔法の栄養価の高い雲から成長する場合、生産性の低下を伴います。

2.オブジェクトが移動または回転する場合-固体でなければなりません Rigidbodyコンポーネントが必要です。

これはドキュメントに記載されています、はい。 Unityは非常にシンプルで直感的であるため、ゲームの作成を開始するために思慮深く読む必要はありません。

リジッドボディは、オブジェクトに対する物理エンジンの姿勢を変更します。 外力がそれに影響を与え始め、線形および角速度を持ち、最も重要なことは、物理学の完全な再計算を引き起こすことなく、物理エンジンによって固体を移動および回転できることです。

固体には、通常と運動の2種類があります。 普通の体は互いに、また普通のコライダーと相互作用します。ある体は別の体を通過できません。 キネマティックボディは、単純化されたシミュレーションのルールに従います。重力などの外力の影響を受けません。 彼らは自由に互いに通過してコライダーを通過できますが、無限の質量を持っているかのように普通の固体をはじきます。

オブジェクトが物理エンジンの制御下で与えるのが残念ではない場合-通常のソリッドを使用します。 たとえば、崖から石を美しく転がす必要がある場合。 スクリプトまたはアニメーターがオブジェクトを直接制御する場合-キネマティックボディを使用するため、エンジンとオブジェクトのランダムな衝突に常に苦労する必要はありません。 たとえば、アニメーションキャラクターまたは誘導ミサイルが何かと接触したときに爆発する場合。

3.オブジェクトがソリッドボディの場合-ソリッドボディのメソッドを介して移動および回転する必要があります。

コライダーを追加した直後にオブジェクトのトランスフォームに直接アクセスすることを忘れてください。 今、そして永遠に、トランスフォームは敵であり生産性を損なうものです。 transform.position = ...またはtransform.eulerAngles = ...を記述する前に、「私は今、私がやっていることを完全に明確に理解しました。この行によって引き起こされるブレーキに満足しています」というフレーズを言ってください。 階層関係を忘れないでください。ソリッドを含むオブジェクトを突然移動すると、物理が再計算されます。

ソリッドステート制御には3つのレベルがあります。

-最高レベル、したがって自然なレベルは、強さによるものです。 これらは、AddForceおよびAddTorqueメソッドです。 物理エンジンは体重を考慮し、結果の速度を正しく計算します。 身体の相互作用はすべてこのレベルで行われます。

-中級レベル-速度の変更。 これらは、速度と角速度のプロパティです。 それらに基づいて、相互作用中に身体に影響を与える力が計算され、明らかに、次の瞬間の身体の位置も計算されます。 ソリッドボディの速度が非常に遅い場合、リソースを節約するために「眠りに落ちる」。

-最下位レベルは、オブジェクトの座標と空間内の向きです。 これらは、MovePositionおよびMoveRotationメソッドです。 物理計算の次の反復（これは重要です。1つのフレーム内の後続の各メソッド呼び出しは前のメソッドを置き換えるためです）は、オブジェクトを新しい位置にテレポートします。 私たちのゲームは、オブジェクトを完全に制御できるため、まさにこのレベルを使用しています。



船外に残っているものは何ですか？ オブジェクトとスケールのオン/オフを切り替えます。 エンジンを混乱させることなくオブジェクトのサイズを変更する方法があるかどうかはわかりません。 そうではない可能性があります。 オブジェクトをオフにするのは簡単で、オンにします...はい、オンにしたオブジェクトの近くの物理を再計算します。 したがって、同時に多くのオブジェクトを含めないようにして、ユーザーが気付かないようにこのプロセスを時間内に拡張してください。



パフォーマンスには影響しませんが、パフォーマンスには影響する法律があります。ソリッドはソリッドの一部にはなれません。 親オブジェクトが支配的であるため、子は親に対して静止したままになるか、予測不能で誤った動作をします。



Unityには、物理​​学に関係しないが言及に値する別の機能があります。Instantiate/ Destroyメソッドを使用したオブジェクトの動的な作成と削除は、非常に遅いプロセスです。 オブジェクトの作成中にフードの下で何が起こっているか想像することすら恐れています。 何かを動的に作成および削除する必要がある場合は、工場を使用し、ゲームの読み込み中に必要なオブジェクトでそれらに燃料を補給します。 インスタンス化は最後の手段として呼び出す必要があります-ファクトリーが突然空きオブジェクトを使い果たし、永久に破棄することを忘れた場合-作成されたすべてを再利用する必要があります。

法律を実践する

（このセクションでは、ゲームとその機能を作成する際の推論の行です）







レベルは明らかに回転して移動する必要があります。

レベルの回転軸（飛行機）を原点に配置することで、人生を永遠に楽にします。 これで、ポイントの座標ベクトルの長さを計算することにより、ポイントからポイントまでの距離を計算できます。 些細なことですが、素晴らしい。

子は親の一部であるため、オブジェクトの共同移動はUnityのオブジェクトの階層を通じて簡単に実装されます。 たとえば、説明されているレベル構造は、次のように論理的に実装されます。

-





- - \





- - - \ 1





- - - - \ 1 (Collider)





- - - - \ ...





- - - - \ N





- - - \ 2 ...





- - - \ 3 ...





- - - \ 4 ...





（レベルオブジェクトなしでも実行できます）



軸上のスクリプトは、ジャイロスコープからデータを受信し、適切な角度を設定します...そして、回転が階層に沿ってコライダーに送信されるため、一度に多くのルールに違反します。 軸をソリッドボディにし、適切な方法で回転させる必要があります。 しかし、レベルの動きはどうですか？ 明らかに、回転軸とレベルオブジェクトは移動しません。各セグメントを個別に移動する必要があります。そうしないと、無限の問題に直面します。 したがって、ソリッドはセグメントでなければなりません。 しかし、すでに階層の上位にソリッドボディがあり、ソリッドボディをソリッドボディの一部にすることはできません。 論理的でエレガントな階層は適合せず、回転軸にオブジェクトを使用せずに、回転と移動の両方ですべてを手で行う必要があります。 独自のゲームプレイ機能がある場合は、これに備えてください。



セグメントを直接移動する必要がある場合は、セグメントを回転する必要があります。 主な難点は、Unity物理エンジンには「任意の点を中心にオブジェクトを回転させる」メソッドがないことです（Transformにはありますが、誘惑されないでください）。 「中心の周りを回転する」だけです。 任意の軸を中心とした回転は回転と移動の両方であり、これらは2つの異なる操作であるため、これは論理的です。 しかし、模倣することができます。 まず、セグメントをその軸の周りに回転させ、次に「その軸」の座標を平面の周りに回転させます。 飛行機が原点にあるという事実により、学校のジオメトリを覚えてウィキペディアに登る必要さえありません。Unityにはすべてが揃っています。 回転角をクォータニオンに変換し、ポイントの座標で乗算するだけで十分です。 ところで、回転行列が使用される前に、記事の執筆中にこの権利について知りました。



飛行機を壁に押し込み、殺すことを望んでいる敵がいます。 飛行機を壁から押しのけるシールドがあり、生き残るのに役立ちます。 これは簡単に実装されます-各フレームが各セグメントの座標に追加され、その後破棄される変位ベクトルがあります。 特別な方法で飛行機をキックしたい人は誰でも、キックのベクトルを残すことができます。これは、この変位ベクトルに追加されます。



最終的に、各フレームのセグメントの実際の座標は、次のようにレベルのレベルコントロールセンターによって計算されます。

 Vector3 position = segment.CachedRigidbody.position; Vector3 deltaPos = Time.deltaTime * Vector3.left * settings.Speed; segment.truePosition = Quaternion.Euler( 0, 0, deltaAngle ) * ( position + deltaPos + movementOffset );
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

再生成中のセグメントの正確な結合に必要なすべての計算と松葉杖の後、segment.truePositionがセグメントソリッドのMovePositionメソッドに送信されます。

結論

どのくらい速く動作しますか？ 古いフラッグシップ-Nexus 5およびLG G2-ゲームは60 FPSで飛行し、セグメントの生成中に新しいコライダーを含める間、ほとんど目立たないドローダウンがあり（これは避けられず、費用はかかりません）、ワームは地面から引き出されます（地獄のようなもの、これを回避するために、しかし今、第三法の意図的な違反があります）。 40の安定したFPSは、遭遇したジャイロスコープを備えたデバイスを提供します。 すべての法律の知識と考慮なしでは、パフォーマンスは、控えめに言っても不十分で、電話は過熱していました。 あまりにも多くのことで、私は2D物理学のための気取らない専用エンジンを書くことを考えていました。 幸いなことに、Unityの物理学は十分に柔軟であるため、すべての問題を回避して独自のゲームを作成することができ、わずか数週間の実験で十分でした。



Unity物理エンジンの主な落とし穴をすべて知ったので、人類の3人の貧しい学生の夢、人生、信仰を破壊することで、ゲームのクローンをすばやく作成できます。 この記事があなたの将来の時間を大幅に節約し、あなたのプロジェクトの生産的物理学の法則のそれほど明白でない違反を見つけるのに役立つことを願っています。



シンプルで直感的なツールを使用している場合でも、ドキュメントと実験を読んでください。