B4B39HRY 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.

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.

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

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

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Princip spočívá v projekci objektů na testované osy. Pokud se intervaly na některé ose neprotínají, objekty nekolidují. Pro testování se vybírají normály hran objektů.

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

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.

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

Přesná detekce kolizí vybraných dvojic objektů.

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

1. Aktualizace herních objektů (input, logika).
2. Výpočet sil, aplikace impulsů, vazby.
3. Simulační krok:
   • Numerická integrace.
   • Detekce kolizí.
   • Řešení kolizí.
4. Aktualizace objektů podle výsledků simulace.
5. Kolizní dotazy.
6. Render.

Integrace pohybových rovnic, přesné, ale výpočetně náročnější.

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.

• 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.

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.

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.

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.

• 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.

• 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.

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.

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.

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

• 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).

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

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.

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

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

Culling = vyloučení neviditelných objektů z renderingu.

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

• 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).

• 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.

• Používá se hierarchie prostorových struktur (např. octree, kd-tree).
• Redukce počtu testů pomocí konzistence mezi snímky – tzv. coherent hierarchy.