statnice:bakalar:b4b39hry

This page is read only. You can view the source, but not change it. Ask your administrator if you think this is wrong.
==== Komponenty herního enginu, herní smyčka. Detekce kolizí a základy herní fyziky. Reprezentace a výpočet animací. Základní optimalizační metody pro herní engine. ====

[[https://fel.cvut.cz/cz/education/bk/predmety/46/99/p4699006.html|B4B39HRY]] [[https://cw.fel.cvut.cz/wiki/courses/b4b39hry/lectures/start|Webové stránky předmětu]]

  * **Komponenty herního enginu, herní smyčka** – přehled komponent herního enginu a jejich funkce. Herní smyčka a její varianty, fixní a proměnlivý simulační krok (využití a způsob realizace), souvislost reálného a herního času. Vazba komponent herního enginu na herní smyčku. Zpracování dlouhých procedur. Synchronizace fyzikální simulace a zobrazování.
  * **Detekce kolizí a základy herní fyziky** – motivace, princip, využití. Typy kolizních objektů, algoritmy pro detekci kolizí jednoduchých objektů (koule, AABB, OBB), teorém separačních rovin (SAT), princip algoritmu GJK. Fáze detekce kolizí, filtrování kolizí, akcelerace pomocí mřížky a hierarchie obalových těles. Kolizní dotazy a jejich varianty, reprezentace kolize. Smyčka fyzikální simulace. Analytické řešení pohybové rovnice, řešení numerickou integrací, Eulerova metoda, příklady. Typy vazeb mezi objekty a jejich využití. Výpočet reakce na kolize a fyzikální materiály.
  * **Reprezentace a výpočet animací** – typy animací a jejich využití. Podrobný popis skeletální animace, reprezentace kostry. Animační klipy – vytváření, reprezentace, výpočet animované kostry. Míchání animačních klipů – způsob výpočtu a příklady. Skinning – způsob výpočtu pozic vrcholů metodou linear blend skinning. Animační křivky – princip, využití, Hermitova kubika, Catmull-Rom spline.
  * **Základní optimalizační metody pro herní engine** – dopředné a odložené vykreslování, princip, srovnání. Optimalizace scény pomocí LOD, typy LOD a způsob jejich přepínání. Předpočítání osvětlení pomocí osvětlovacích map a sond odrazu – princip, způsob použití, omezení. Redukování podle viditelnosti: redukování pohledovým jehlanem, redukování podle zastínění (online a offline), potenciálně viditelné množiny (PVS) – výpočet a použití.

===== 1. Komponenty herního enginu a herní smyčka =====

==== 1. Přehled komponent herního enginu a jejich funkce ====

**Herní engine** je software, který poskytuje základní framework a struktury pro tvorbu her. Komponenty enginu zahrnují:

  * **AI** – řídí chování NPC, pathfinding, rozhodování (decision-making).
  * **Fyzika** – zpracovává kolize, gravitaci, rychlost objektů a další fyzikální síly.
  * **Rendering** – zajišťuje vizuální stránku hry, vykreslování 3D a 2D scén, osvětlení a speciální efekty.
  * **Zvuk** – spravuje hudbu, zvukové efekty a prostorový zvuk.
  * **UI/Input** – zpracovává uživatelský vstup (myš, klávesnice, ovladače, touchpad).
  * **Scripting** – umožňuje úpravu herní logiky pomocí skriptovacích jazyků (např. Lua, Python).
  * **Síť** – zajišťuje multiplayerové funkce, synchronizaci klient-server, správu serverů a anti-cheat opatření.

==== 2. Herní smyčka ====

Herní smyčka představuje jádro herní logiky, které kontinuálně běží během celé hry (udává tzv. FPS – snímky za sekundu). Základní části smyčky:

  - **ProcessInput** – zpracování uživatelského vstupu.
  - **UpdateGame** – aktualizace herní logiky, animací, fyziky, AI a dalších komponent.
  - **Render** – vykreslení aktualizované scény.

=== Varianty herní smyčky ===

Herní smyčka může fungovat s fixním nebo proměnlivým simulačním krokem:

  * **Fixní simulační krok** – doba každého kroku smyčky je konstantní, což zajišťuje stabilitu simulace, ale může způsobit zpoždění odezvy. V případě zpoždění se provede několik aktualizací před jedním vykreslením.
  * **Proměnlivý simulační krok** – smyčka běží co nejrychleji. Výhodou je rychlá odezva, ale nevýhodou může být tzv. screen tearing a variabilní FPS. Vyžaduje vztahování fyziky k reálnému času pomocí zvláštního kroku (např. FixedUpdate).

==== 3. Souvislost reálného a herního času ====

Časy používané ve hře:
  * **Reálný čas** (wall-clock time) – odpovídá skutečnému času.
  * **Herní čas** – interní logický čas hry, který může být ovlivněn (zrychlení, zpomalení, zastavení).
  * **CPU/GPU čas** – doba potřebná pro vykonání jedné iterace smyčky.

Synchronizace herního času s reálným časem zajistí konzistentní herní zážitek bez ohledu na výkon zařízení.

==== 4. Vazba komponent herního enginu na herní smyčku ====

Jednotlivé komponenty enginu jsou propojeny s částmi smyčky:

  * **ProcessInput** komunikuje s komponentou vstupu.
  * **UpdateGame** propojuje fyziku, AI, zvuk, skripty a síť (aktualizace objektů a chování).
  * **Render** komunikuje s renderingovou částí enginu.
  * Případný **LateUpdate** (např. v Unity) využíván pro specifické úlohy jako aktualizace kamery nebo následné úpravy fyziky.

==== 5. Zpracování dlouhých procedur ====

Dlouhé operace, jako například načítání velkých scén, lze řešit několika způsoby:

  * **Threading** – paralelní vykonávání operací.
  * **Rozdělení na menší části** – postupné vykonání delších úloh.
  * **Loading screen** – vizuální indikátor načítání hry.
  * **Coroutines** (např. Unity) – umožňuje čekání na další snímek nebo definovaný časový interval.

==== 6. Synchronizace fyzikální simulace a zobrazování ====

Problém nesynchronizace mezi simulací a zobrazením (viditelné trhání pohybujících se objektů) se řeší:

  * **Interpolací** – dopočítávání stavu mezi dvěma posledními známými stavy.
  * **Extrapolací** – předpověď stavu na základě posledního známého stavu a rychlosti objektu.

Alternativně lze použít vyšší frekvenci fyzikální simulace (např. dvojnásobnou proti FPS), aby nedocházelo k viditelným nesouladům.

===== 2. Detekce kolizí a základy herní fyziky =====

==== 1. Motivace, princip, využití ====
Fyzikální simulace ve hrách zajišťuje realističtější chování objektů a prostředí. Využití nachází při simulaci kolizí objektů, působení gravitace, animacích typu ragdoll nebo interakcích postav s okolím (např. oblečení). Zároveň umožňuje realizovat nereálné efekty, pokud to herní logika vyžaduje. Fyzikální simulace nemusí být nutně real-time, například při tvorbě animací.

==== 2. Typy kolizních objektů ====
Kolizní tělesa aproximují reálné objekty jednoduchými geometrickými tvary pro rychlou detekci kolizí.

  * **Koule (Sphere)** – rychlá detekce, jednoduchá aktualizace, rotace invariantní.
  * **AABB (Axis-Aligned Bounding Box)** – osově zarovnaný kvádr, rychlá detekce, ne vždy těsná aproximace.
  * **OBB (Oriented Bounding Box)** – obecně natočený kvádr, lepší aproximace, složitější výpočet.
  * **k-DOP (Discrete Oriented Polytope)** – orientovaný mnohostěn.
  * **Konvexní obálka (Convex Hull)** – nejtěsnější aproximace, výpočetně náročná.

==== 3. Algoritmy pro detekci kolizí ====

=== Separating Axis Theorem (SAT) ===
Princip spočívá v projekci objektů na testované osy. Pokud se intervaly na některé ose neprotínají, objekty nekolidují. Pro testování se vybírají normály hran objektů.

=== GJK algoritmus ===
Vhodný pro obecnou detekci kolizí konvexních objektů. Algoritmus pracuje s Minkowského rozdílem objektů. Pokud rozdíl obsahuje počátek, objekty kolidují.

==== 4. Fáze detekce kolizí ====

=== Široká fáze (Broad Phase) ===
Rychle identifikuje páry objektů, které by mohly kolidovat, pomocí jednoduchých testů a akceleračních struktur:

  * **Mřížka (Grid)** – konstantní čas detekce kolize v rámci buněk.
  * **Hierarchie obalových těles (Bounding Volume Hierarchy)** – struktura stromu, umožňující efektivní detekci kolizí v logaritmickém čase.

=== Filtrování kolizí ===
Pomocí vrstev a kolizních masek určujeme, které objekty mohou kolidovat.

=== Úzká fáze (Narrow Phase) ===
Přesná detekce kolizí vybraných dvojic objektů.

==== 5. Kolizní dotazy a jejich varianty ====

  * **Raycast** – detekce průsečíku s paprskem (např. střelba).
  * **Shapecast** – detekce průsečíků posunutých objektů (např. pohyb kamery).

==== 6. Smyčka fyzikální simulace ====

  - Aktualizace herních objektů (input, logika).
  - Výpočet sil, aplikace impulsů, vazby.
  - Simulační krok:
    * Numerická integrace.
    * Detekce kolizí.
    * Řešení kolizí.
  - Aktualizace objektů podle výsledků simulace.
  - Kolizní dotazy.
  - Render.

==== 7. Řešení pohybové rovnice ====

=== Analytické řešení ===
Integrace pohybových rovnic, přesné, ale výpočetně náročnější.

=== Numerické řešení ===
Výpočet diskrétních kroků:

  * **Eulerova metoda:**
  \[
  \text{nová\_pozice} = \text{stará\_pozice} + \text{rychlost} \cdot \Delta t
  \]

  * **Verletova metoda** – přesnější numerická metoda, bere v úvahu akceleraci.

==== 8. Typy vazeb mezi objekty ====

  * **Pevný kontakt** – objekty ukotveny pevně k sobě.
  * **Kloub (Ball joint)** – rotace kolem bodu.
  * **Pant (Hinge)** – rotace kolem jedné osy.
  * **Píst (Slider)** – lineární pohyb po jedné ose.
  * **Tlumená pružina** – simulace pružnosti.

==== 9. Výpočet reakce na kolize a fyzikální materiály ====
Při kolizi se vypočítává impuls podle materiálových vlastností (tření, odrazivost) a dalších parametrů:

  * **Odrazivost (bounciness)** – 0 (žádný odraz), 1 (dokonalý odraz).
  * **Tření (friction)** – statické a dynamické.
  * Kombinační metody (průměr, min, max, násobení).

Tato kapitola podrobně shrnuje základy detekce kolizí a fyzikální simulace ve hrách, včetně popisu algoritmů a metod používaných v herních enginech.

===== 3. Reprezentace a výpočet animací =====

==== 1. Typy animací a jejich využití ====

Cílem animace je rozpohybovat objekty – pro účely hry, realismu nebo stylizace. Existuje několik typů animací, které se používají podle potřeby:

  * **Sprite animace (2D)** – střídání obrázků (cel/sprite), používané v 2D hrách.
  * **Rigidní hierarchická animace** – změna transformací v hierarchii scény, jednoduché pohyby objektů (např. dveře).
  * **Per-vertex animace** – animace jednotlivých vrcholů:
    * **Blend shapes (morphing)** – výrazy obličeje.
    * **Procedurální animace** – hladiny, vlny (šumové funkce).
    * **Fyzikální simulace** – např. šaty.
  * **Skeletální animace** – klíčová pro postavy, podrobně popsána níže.

==== 2. Skeletální animace a reprezentace kostry ====

Skeletální animace používá **kostru** (hierarchický strom kloubů), která ovládá deformaci polygonálního modelu („kůže“).

  * **Kostra**: reprezentována stromem; uzly = klouby, hrany = kosti.
  * **Model (kůže)**: polygonální síť (mesh).
  * Oba jsou definovány v **referenční póze** (např. T-pose).
  * Transformace kloubů jsou hierarchicky skládány: **Scale → Rotace (Quaternion) → Translace** (často jen rotace + posun).

Čtyři základní techniky animace kostry:
  * **Forward kinematika (FK)** – přímé ovládání kloubů, často pomocí klíčových snímků.
  * **Motion capture** – záznam pohybu skutečného herce, následné zpracování dat.
  * **Inverse kinematika (IK)** – nepřímé řízení pomocí cílové pozice (např. noha na zemi), řešeno iterativně.
  * **Forward dynamika (ragdoll)** – řízeno fyzikální simulací.

==== 3. Animační klipy ====

  * Krátké sekvence pohybů – např. chůze, běh, útok.
  * Definovány jako **sada transformací kloubů v čase**.
  * Reprezentace:
    * Motion capture,
    * Klíčové snímky (keyframes),
    * Interpolace (např. pomocí křivek),
    * Blend shapes.

==== 4. Míchání animačních klipů ====

  * **LERP/SLERP** mezi transformacemi (Scale, Translate, Rotate).
  * Možné přechody (např. z běhu do skoku).
  * **Blending tree** – výpočet na základě parametrů (rychlost, směr).
  * **Animační automat (ASM)**:
    * Množina stavů (Idle, Walking, Jumping, …).
    * Přechody s interpolací.
    * Více vrstev animace (např. tělo vs. ruce), kombinace pomocí masek nebo aditivního míchání.

==== 5. Skinning (Linear Blend Skinning) ====

Skinning je technika deformace polygonálního modelu podle animace kostry.

  * **Rigid skinning** – každý vrchol ovládán jedním kloubem (zastaralé).
  * **Linear Blend Skinning (LBS)** – každý vrchol ovlivněn několika klouby (2–4) s váhami \( w_i \).
    * Váhy jsou **konvexní** (součet = 1, každá váha \( \geq 0 \)).
    * Výsledná pozice vrcholu:
      \[
      P_{\text{new}} = \sum_i w_i \cdot T_i(P_0)
      \]
    * kde \( T_i \) je transformace daného kloubu a \( P_0 \) je původní pozice.

  * Výhody: rychlý výpočet, jednoduchá implementace.
  * Nevýhody: artefakty (např. „gumové“ klouby), řešeno pomocí pokročilého skinningu.

==== 6. Animační křivky ====

Animační křivky určují, jak se transformace mění mezi klíčovými snímky.

  * **Hermitova kubika** – určená počátečním a koncovým bodem + jejich tečnami. Výhodná pro plynulý přechod.
  * **Catmull–Rom spline** – prochází dvěma hlavními body, další dva ovlivňují zakřivení. Spojitá první derivace.

Používají se pro:
  * interpolaci transformací v čase,
  * řízení pohybu kamery,
  * procedurální animace.

===== 4. Základní optimalizační metody pro herní engine =====

==== 1. Cíl optimalizace ====

Cílem optimalizací je **udržet stabilní snímkovou frekvenci (FPS)** – např. 60 FPS, pro VR až 90 FPS. Největší zátěž obvykle představuje **rendering**.

==== 2. Dopředné a odložené vykreslování ====

=== Dopředné vykreslování (Forward rendering) ===

  * **Jednoprůchodové** – osvětlení všech světel spočteno jedním shaderem.
  * **Víceprůchodové** – opakované vykreslení objektů s různými světly.
  * Výhody:
    * Jednoduché shadery,
    * přesné pro průhlednost.
  * Nevýhody:
    * Více průchodů přes geometrii,
    * omezený počet světel.

=== Odložené vykreslování (Deferred rendering) ===

  * První průchod: renderování geometrie do **G-bufferu** (barva, normály, hloubka...).
  * Druhý průchod: výpočet osvětlení jako **postprocess**.
  * Výhody:
    * Osvětlení pouze na viditelných pixelech,
    * snadná integrace postprocesů (motion blur, FXAA).
  * Nevýhody:
    * Paměťově náročné,
    * problémy s průhledností,
    * složité multisampling (antialiasing).

=== Kombinovaný přístup ===

  * **Neprůhledné objekty**: odložené vykreslování.
  * **Průhledné objekty**: dopředné vykreslování.

==== 3. Optimalizace pomocí LOD ====

LOD (Level of Detail) – různé úrovně detailu modelu podle vzdálenosti od kamery.

  * **Diskrétní LOD** – předpočítané verze modelu, přepínání mezi nimi (může být viditelné).
  * **Spojité LOD** – plynulá změna detailu za běhu, výpočetně náročnější (např. Nanite v UE5).
  * Optimalizace také pomocí:
    * **Normal map, bump map** – náhrada detailní geometrie texturou,
    * **Mip-mapy, atlasy** – zmenšené verze textur,
    * **Indexované geometrie** – snížení počtu volání.

==== 4. Předpočítané osvětlení a sondy odrazu ====

=== Lightmapy ===

  * Statické **globální osvětlení** vypočítané offline a uložené jako textury.
  * Pouze pro **statické objekty**, nevhodné pro pohyblivé nebo dynamické scény.

=== Reflection probes ===

  * Simulace **odrazu** okolí pomocí **cubemapy**.
  * Používá se pro **lesklé povrchy**, např. sklo, voda.
  * Nevýhody:
    * Omezené rozlišení,
    * zastaralé nebo neaktuální záznamy při změnách scény.

==== 5. Redukování podle viditelnosti (Culling) ====

Culling = **vyloučení neviditelných objektů** z renderingu.

=== View frustum culling ===

  * Testujeme, zda objekt leží v **pohledovém jehlanu** (frustum kamery).
  * Objekty mimo frustum se **nevykreslují**.

=== Occlusion culling ===

  * Testování, zda objekt **není zakryt jiným**.
  * Může být:
    * **Offline** – rozdělení scény na buňky (PVS = Potentially Visible Set),
    * **Online** – výpočet za běhu (např. pomocí depth bufferu).

=== Potenciálně viditelné množiny (PVS) ===

  * Pro každou **buňku prostoru** se předem určí množina objektů, které mohou být viditelné.
  * Při běhu se vykreslí pouze tyto objekty.
  * Výpočet:
    * **Offline** – náročný, ale velmi efektivní při běhu.
    * **Online** – rychlejší, ale méně přesný.

=== Hierarchické zpracování ===

  * Používá se hierarchie prostorových struktur (např. octree, kd-tree).
  * Redukce počtu testů pomocí **konzistence mezi snímky** – tzv. **coherent hierarchy**.
Trace: • b4b39hry • b0b36pjv • b4b35osy • b4b01jag • exams
Search

Navigation

Print/export

Tools

QR Code
