Как я создал собственный 3D движок и игру на нём за 20 месяцев⁠⁠

Эту статью я написал в 2017 году. Речь идёт об игре Speebot, которая сейчас доступна в Steam. После публикации этой статьи, на данном движке было создано и выпущено ещё две игры — Phantom Path и Pilie Pals.

Оригинал статьи: https://kircode.com/ru/post/how-i-wrote-my-own-3d-game-engin...

Я разрабатывал эту игру с января 2016 года в своё свободное время в одиночку. Мною выполнено всё программирование, дизайн игрового процесса, создание графики и музыки. Кроме того, я написал собственный игровой движок с нуля.

Люди часто спрашивают меня, почему я решил создать свой движок, когда на рынке доступно множество бесплатных универсальных движков. Есть много причин, и о них я попытаюсь рассказать в этой статье.

Одним из самых больших преимуществ собственного движка является абсолютный контроль кода. Есть возможность настроить его именно так, как это нужно для конкретной задачи. Такой узкоспециализированный движок получается оптимизированным для конкретного типа игр и работает быстрее и надёжнее, чем универсальный движок.

Универсальные игровые движки называются так, потому что они предназначены для общего использования, и в них заложены функции, которые не всем нужны. Это неизбежно приводит к "раздуванию" кода, и к замедлению производительности игр.

Второе преимущество — это контроль самого процесса разработки. Я считаю, что инструментарий должен быть по-максимуму удобным для разработчика. Что является удобным — зависит от самого типа данной игры. Например, для Speebot — это встроенный редактор уровней, который позволяет быстро создавать новые уровни и незамедлительно их тестировать.

Решение использовать собственный движок позволяет мне интегрировать мои собственные инструменты таким образом, чтобы мне было проще и быстрее создавать контент.

Ещё один большой плюс: не нужно соглашаться с условиями лицензии стороннего движка, подписывать договора и платить проценты от прибыли.

Ну и наконец: написание собственного движка — это очень интересно.

Разработка движка началась в январе 2016 года. Я назвал его YUME ("мечта" по-японски). Он написан на Haxe, C++ и OpenGL. Я использую модифицированную версию библиотеки Lime, которая включает в себя несколько полезных функций, например, позволяет загружать ресурсы и открывает доступ к OpenGL.

Вот так движок выглядел после первой недели разработки.

До начала создания движка я почти ничего не знал о разработке 3D игр. Нужно было разбираться в OpenGL читая документацию, форумы и уроки, предназначенные для других языков (Java и C++). Через пару месяцев у меня получился довольно стабильный 3D-визуялизатор.

Кроме самого 3D-визуализатора, нужно было с нуля создать множество разных систем: 2D-визуализатор, машину состояний, систему временных шагов (об этом позже), систему интерфейсов, систему управления мышью, клавиатурой и джойстиками, динамические тени, 3D звуковую систему (используя OpenAL), загрузку моделей (в собственном формате, основанном на IQM), "скелетные" анимации, иерархию объектов, эффект зеркального отражения в реальном времени, отображения текста и так далее.

В конце концов, получилась 3D библиотека, которую можно использовать для чего-то конкретного. Многое из того, что я перечислил, присутствует и в других движках, но в YUME есть несколько отличий. Одно из них — система временных шагов.

Система временных шагов гарантирует, что движок обрабатывает и показывает кадры игры с определённым интервалом. В YUME нет ограничения по количеству кадров в секунду, т.е. нет привязанности к 30 или 60 кадрам в секунду. Частота кадров может быть любая, а игра всё равно будет работать с одной и той же скоростью, потому что частота обновления логики не связана с частотой обновления экрана. На компьютерах разных мощностей может быть разная производительность, и время для показа одного кадра может быть любым. А логика всегда привязана к частоте 62.5 циклов в секунду (16 миллисекунд на каждый цикл). В этом основной принцип системы временных шагов, хотя есть некоторые крайние случаи.

В результате: на более слабых компьютерах уменьшается частота кадров в секунду, но на игровой процесс это не влияет.

Ранняя версия YUME.

У меня была готовая библиотека, но пока ещё не движок. Пришла пора начать разрабатывать игру, и принимать решения о нужных функциях. К тому времени у меня уже было несколько идей, и я знал, что хотел попробовать поэкспериментировать с 3D "плитками".

Я начал создавать систему игровых уровней, которая использовала что-то похожее на 2D плитки (tilemaps), но с одним дополнительным измерением. Получается, что уровень можно сложить из "кубиков", как конструктор. Я создал редактор карт, чтобы ускорить процесс создания уровней. В итоге этот редактор попал в финальную версию игры и доступен каждому игроку.

Движок автоматически определяет, какую 3D модель использовать для отображения каждой плитки, в зависимости от соседних плиток. Придумал способ, как объединить все плитки в одну общую 3D модель, чтобы видеокарте не нужно было рисовать каждую плитку индивидуально. Вся карта рисуется за один раз, что очень сильно улучшает производительность.

Уровни можно редактировать и тестировать сразу. Для продуктивности — то что нужно.

Я написал простую систему игровой физики и начал экспериментировать с игровым процессом. Через несколько недель был готов первый прототип игры, в котором игрок мог перемещать цилиндр по 3D уровню.

YUME продолжал развиваться параллельно с разработкой Speebot (примерно в это время я выбрал такое название для игры). Было найдено и устранено несколько проблем с архитектурой движка, добавилось несколько новых функций: физика, частицы, отражения на поверхности воды, инструменты для анимации камеры, интерактивные объекты... Постепенно библиотека эволюционировала в игровой движок.

Я продолжал добавлять новые элементы игрового процесса, оставляя элементы, которые казались мне интересными, и избавляясь от лишнего. После некоторых экспериментов с художественным направлением графики игры я создал персонажа в Blender — маленького робота с одним колесом. Персонаж нарисован и анимирован в мультяшном стиле.

В это время я уже работал в основном над самой игрой, а не над движком. Я продолжал создавать новые уровни, декорации, персонажи и элементы игры.

В конце 2016 года я сделал паузу от разработки игры, и посвятил несколько месяцев изучению и практике написания музыки. У меня нет музыкального образования, но это — моё хобби. У меня уже был небольшой опыт в композиции музыки для моей предыдущей игры Hypnorain, но я хотел улучшить свои навыки, поэтому снова погрузился в изучение музыкальной теории. Для композиции музыки я использовал программу SunVox, которая является виртуальным модульным синтезатором. В финальной версии игры Speebot всего 23 трека, которые вместе составляют более часа оригинальной музыки. Я удовлетворён результатом, и продолжу улучшать свои навыки для следующей игры.

После этого я концентрировался на создании новых уровней, добавлении новых игровых элементов, написании музыки и устранении ошибок. Такой подход к разработке игр мне по душе. Если мне становится скучно заниматься одним и тем же делом, я переключаюсь на другой вид деятельности, и поэтому не теряю интереса к разработке игры.

После выпуска нескольких демо версий, обработки отзывов от игроков и улучшения игры, Speebot был выпущен в октябре 2017 года. В финальной версии игры 200 уровней, 4 мира, редактор пользовательских уровней, несколько дополнительных режимов игры, и много другого дополнительного контента.

Самое сложное при разработке игры было сохранять мотивацию и интерес на протяжении всех 20 месяцев. Работать над игрой мне удавалось только по вечерам после университета и работы, и по выходным дням. Но всё равно, это было очень интересно.