Игра с нуля — интересный челлендж для разработчика. Но если хотите пройти его на сложности Nightmare, можно еще и сделать собственный игровой движок, заточенный специально под проект. Подводных камней много, рассказываем, что важно знать при разработке такого гейм-дизайнерского софта, и что в него добавить.

Итак, вы задумались о создании собственного игрового движка. Отлично! У этого варианта множество плюсов в сравнении с использованием коммерческого — такого как Unity или Unreal. В этой статье разберемся, зачем разрабатывать свой движок, какие системы необходимо предусмотреть и как правильно подойти к процессу. 

Зачем?

Начнем с главного вопроса, который стоит задать себе, если вы решили разработать собственный движок: зачем это вам?

Резонными причинами могут быть, например, такие:

• Хотите создать игру с использованием новой технологии, которую не поддерживают другие движки. Или поддерживают, но реализация слишком сложна и костыльна. Это может быть масштабная симуляция (Factorio), нестандартный проект, который не вписывается в готовые шаблоны (Noita, Miegakure), и множество других идей. В таких случаях нет иного выхода кроме как писать собственный движок под проект.

• Хотите оптимизировать рабочий процесс под игры, которые создаете. Если для проекта не нужен полный объем возможностей коммерческого движка, есть смысл создать кастомизированный вариант с подходящими для конкретной игры редакторами и функциями. Если движок не затачивается под конкретный проект, стоит задуматься, так ли нужно самописное решение или все-таки достаточно готовых вариантов?

• Не хотите в долгосрочной перспективе зависеть от чужих технологий. Если вы хотите иметь полный контроль над проектом, готовы самостоятельно исправлять ошибки (а не сидеть в ожидании багфикса от создателей) и не бояться, что очередное обновление сломает игру, то собственный движок — подходящий вариант! И не придется зависеть от прихотей крупных корпораций

• Вам интересно разобраться, как устроены и работают игровые движки. Это отличная причина — по правде говоря, самый веский повод заняться разработкой собственного движка.

Раз уж начали составлять списки, то вот несколько неудачных причин браться за разработку движка. Если найдете свою среди этих пунктов — притормозите и подумайте еще раз. 

• Вам кажется, что вы придумаете движок покруче, чем Unity или Unreal (или Godot, или GameMaker). Не выйдет. Разработать подходящий для специфических нужд софт можно  (см. предыдущий список), но в одиночку или маленькой командой невозможно создать универсальный движок, который будет конкурировать с известным универсальным ПО. Особенно при первой попытке.

• Думаете, что иначе вы «ненастоящий программист»? Использование готового движка не делает гейм-разработчика хуже. Для того они и придуманы! Это просто инструмент для создания игр. 99% проектов можно разработать при помощи уже существующего софта — в этом нет ничего постыдного. Ведь главное — это сама игра!

• Если вы хотите таким образом сэкономить время или деньги — забудьте! Создавать движок с нуля долго, а время = деньги. Использовать готовый софт выгоднее, чем пытаться разработать собственный. В долгосрочной перспективе это может стать выигрышной стратегией, но только если движок будет основой для нескольких прибыльных проектов, и при этом значительно удобнее в работе, чем коммерческие. Такое ПО разработать сложно, особенно если это первый опыт (и почти невозможно, если речь о 3D).

При принятии решения учитывайте свой опыт и цели. Чем меньше практики в создании игр, тем сложнее окажется разработка движка — обязательно потренируйтесь прежде чем браться за игровое ПО. 

Я начинал с флэш-игр в 90-00х, и ни один движок того времени не поддерживал импорт флэш-анимаций. Единственным выходом было создать собственный софт. Намного приятнее и быстрее закидывать swf-файлы в папку с ресурсами и сразу использовать анимации в игре без промежуточных шагов типа экспорта в списки спрайтов.

Конечно,целесообразность создания собственного движка во многом зависит от количества опыта как в геймдеве, так и в программировании. Приятно сделать кастомный софт, не гуглить постоянно туториалы, и самостоятельно дебажить возникающие ошибки. В то же время, достаточно допустить пару оплошностей, и проект развалится, а обратиться за советом будет некуда. Собственный движок — это полный контроль, но и полная ответственность за продукт.

Что?

Игровой движок — это рабочая среда, в которой создают игры. Он состоит из базы, на которой строится проект, и деталей, из которых, словно из деталей лего, состоит сама игра. Это золотая середина между «логикой игры» и «скучными техническими штуками»: благодаря движку в игровом коде не приходится вручную прописывать, как отобразить на экране условный треугольник, можно сразу заняться взаимодействием элементов.

Разные движки выполняют за вас разное количество работы. Некоторые просто отображают графику на экране (Flash, Pico-8). Другие сами по себе — целая игра с возможностью кастомизации или узко заточены под определенный жанр (RPGMaker, Ren’Py). А между ними — бесчисленное количество вариантов.

Игровые движки обычно основываются на простых фреймворках типа SDL и OpenGL, и включают в себя специализированные библиотеки для аудио, видео, физических и математических вычислений и чего угодно еще. При создании движка нет необходимости каждую мелочь прописывать вручную, практически на каждую потенциально полезную опцию доступна соответствующая библиотека.

Базовые функции движка. 

Это основы, необходимые для того, чтобы начать создавать игры.

Инициализация системы.

Приводит программу в боевую готовность после запуска — открывает окно, загружает данные. С этим (и не только!) справится стандартная библиотека SDL, проще ее и использовать. 

Контроль частоты кадров

Ограничивает частоту сменяемости кадров для плавного изображения и оптимизации работы.

Ввод

Существует много способов реагирования на нажатия кнопок или движения джойстика, и обычно с этим справляется ранее упомянутый SDL. Так что если он используется для инициализации, больше ничего дополнительно ставить не надо. Поверх него можно построить мощную и гибкую систему ввода, но для начала хватит и дефолтной. 

Рендеринг

Большинство (ну как минимум 75%) игр так или иначе используют графику, и за нее отвечает как раз движок. В 2D-игре минимальному рендеру достаточно отображать на экране текстурированные четырехугольники. Шейдеры, буферы вершин, однобуферная прорисовка, меши, материалы и так далее — это прекрасные опции, которые можно добавить позднее, если понадобится. Если хочется заморочиться с OpenGL или Vulkan и кастомизировать рендерер — на здоровье! Но помните, нет ничего постыдного в том, чтобы использовать для рендеринга готовые библиотеки типа Ogre3D. Выбор зависит от целей и потребностей разработчика, а также от того, какие задачи интереснее решать самостоятельно.

Математические и прочие утилиты

Желательно, чтобы к этим библиотекам имели доступ как игровой код, так и движок. Плюс — ко всем иным полезным функциям и формулам, которые вы найдете в процессе разработки. STB — отличный ресурс для поиска всевозможных утилит, которые могут пригодиться при создании движка.

Дополнительные функции

Еще несколько систем, которые лучше добавить в движок ближе к делу, когда они непосредственно понадобятся для игры:

Управление игровыми объектами и сценами

Можно кодить и вручную, но практичнее предусмотреть систему для обработки отдельных игровых объектов и коллекций. Это один из ключевых механизмов в движке, ведь он управляет логикой игры. Из каких компонентов состоят объекты, на какие типы событий реагируют, как происходит взаимодействие, что со структурой памяти, используется ECS? (Кстати, «чистый» неадаптированный ECS лучше применять только для специфических кейсов.) Эти и не только  вопросы должна покрывать система управления объектами и сценами. Для таких задач доступны готовые библиотеки (особенно для чистого ECS), но, поскольку эта структура сильнее остальных влияет на игровой код, я склоняюсь к принципу «сделай сам». Использование существующего решения вынудит постоянно думать о том, как вписать логику игры в рамки. А надо наоборот — адаптировать движок под выражение задуманной игровой логики.

Аудио

Звуковые эффекты и музыка здесь разделены, хотя и прячутся под одним названием. Основные необходимые функции — это запуск и остановка звуковых циклов и воспроизведение звуковых эффектов от начала до конца. Этим аудио не ограничивается, но даже с двумя базовыми опциями можно далеко продвинуться. Минус в том, что стандартные звуковые фреймворки (FMod and Wwise) — коммерческие и с кучей лицензионных ограничений. Однако большинство ресурсов с открытым кодом раздражают неудобством (передаю привет OpenAL). Сам я использую FAudio — на мой вкус, простая и комфортная в использовании база для построения сложных звуковых механик. 

Загрузка и управление файлами

Файлы загружают все игры. Вряд ли вам захочется вручную повторно загружать и декодировать уже добавленные файлы, так что понадобится система, которая этим займется. В будущем загрузчику файлов можно добавить и другие функции — например, поддержку модов или динамическую выгрузку. Это не срочно — поначалу можно использовать встроенный менеджер, но со временем файлов станет так много, что понадобится удобная система управления файлами и ресурсами. 

Нетворкинг

Окей, нетворкинг (онлайн-мультиплеер) — это ОЧЕНЬ опционально. Если не планируется режим p2p, то и не заморачивайтесь. Однако эту систему чрезвычайно сложно встроить в движок, который разработан не с расчетом на многопользовательские игры. Поэтому, если вы планируете или допускаете добавление мультиплеера, подготовьте почву заранее, потому что иначе придется переделывать все системы. 

Это базовый набор систем, которые входят в игровой движок. Другие варианты типа обнаружения столкновений, физики, сериализации, анимации и UI уже опциональны. Они распространены, поэтому входят в большинство движков, но для создания игр не обязательны. Например, предотвращение столкновений можно обеспечить при помощи математических утилит и прописать алгоритм в коде игры. Простейшую гравитацию и ускорение можно настроить без физических движков типа Box2D or Bullet. А полная сериализация вообще лишняя, если нужно попросту сохранить чекпойнт. 

В самописном движке однозначно будет меньше систем и функций, чем в универсальном коммерческом. Такова цель! Unity и Unreal — огромные монолиты, и каждая отдельная игра использует лишь малую часть предложенных опций. Добавляйте только то, что нужно для вашего конкретного кейса и сосредоточьтесь на том, чтобы сделать инструменты разработки лучше и комфортнее в использовании. 

Озанкомьтесь с тем, как работают другие игровые движки, прежде чем браться за собственный. Разберитесь, какие парадигмы и алгоритмы они используют, что реализовано классно, а что раздражает. Попробуйте создать мини-игру на нескольких движках, чтобы понять, как они устроены. 

Как?

Итак, вы взвесили за и против, поняли, чего хотите, и решили все-таки взяться за создание движка. И как же это сделать?

Сразу к делу: делайте игру параллельно с разработкой движка. Это правило нельзя нарушать. Изучите основы как можно скорее и сразу же начинайте создавать на этой базе игру. Движок — ничто без игры. 

Это необходимо, потому что функционал движка должен соответствовать потребностям сделанных на нем игр. Нельзя понять, как построить хорошую анимационную систему, если проект не требует сложной анимации. Слабые места движка проявляются в процессе написания игры. Может быть, нужна древовидная система, благодаря которой дальние объекты не будут рендериться, пока не приблизятся на определенное расстояние? Я не знаю, и вы не узнаете, пока не соберете игровой уровень, который будет страшно зависать. И даже тогда проблема может оказаться не в обновлении объектов — чтобы понять, надо проверить. 

Не программируйте того, что не нужно. Если единственный UI в игре — кнопка Play в главном меню, поздравляю! Не придется создавать мудреный пользовательский интерфейс. В The End Is Nigh нет ни физического движка, ни детектора столкновений. Там даже нет камеры, потому что она там не нужна. Я использовал электронную таблицу .csv, чтобы собрать карту мира, вместо всяких сложных редакторов. Делается легко и нормально работает.

Не буду вдаваться в подробности реализации — способов слишком много, каждый подходит для определенных случаев. Нет «наилучшего варианта рендеринга» или «самого правильного способа управления объектами». Все зависит от игры. Начинайте с основ и расширяйтесь по мере необходимости.

Что касается языков программирования — выбирайте, каким лучше владеете. Разработка движка — сама по себе непроста, а если делать это параллельно с изучением С++, обе эти задачи станут в два раза сложнее. C# идеально подойдет для создания движка. Медленнее, чем на С++, но не критично. Более медленный язык типа Python может вызвать затруднения, если в игре много движущихся объектов… но для некоторых игр пойдет. Используйте, что удобно. 

И еще — с первой попытки идеально не получится. Моей первой игрой на самописном движке стала Closure, и в ней полный бардак (забавно, что ее номинировали на награду «Техническое совершенство» на фестивале независимых игр в 2010 году). Системы рендеринга и обновления вдвоем обрабатывали всю игру. Добавлять новые объекты было крайне трудоемко, приходилось дописывать кучу кода и  работать с кривыми редакторами анимации, так что в итоге осталось с дюжину интерактивных предметов. У некоторых из них было несколько вариаций, кардинально менявших поведение объекта — это было проще, чем добавлять новые. Так что прожекторы, зеркала и турели по сути один и тот же объект! 

Но с ошибками приходит и опыт. Движок Closure написан кое-как, но оказался достаточно хорош, чтобы запустить игру на PS3. Идея переписать некоторые части движка была заманчивой, но это лишь отложило бы выход игры. Вместо этого я писал заметки о том, что получилось плохо, чтобы учесть ошибки в следующий раз. Особенно о том, что мешало непосредственно созданию игры. То же и с The End is Nigh. В ее движке (который, кстати, НАМНОГО лучше, чем в Closure) все равно была куча ошибок, которые я решал, стиснув зубы. Как только игра вышла, я сразу начал улучшать движок для следующего проекта, исправлять раздражающие баги и добавлять новые функции. 

И так раз за разом: учишься, создаешь игру, запускаешь, и все по новой. До тех пор, пока движок не станет действительно хорош. 

Не стал вдаваться в технические подробности, как внедрить в движок каждую отдельную систему. Это зависит от конкретных вариантов использования, есть сотни способов — и каждый из них правильный. Понять, что вам подходит — ВОТ в чем суть разработки движка, с таким настроем стоит браться за создание собственных проектов.

Вот и все, что я хотел рассказать в этой статье. Скорее всего, она вас либо мотивировала на разработку собственного движка, либо окончательно отпугнула от этой идеи. Оба варианта хороши, если вы поняли, чего хотите сами.