В данном посте я расскажу о своем опыте написания игры-симулятора эволюции одноклеточных организмов на прямоугольной плоскости. Кроме разработки алгоритмов симулятора, речь пойдет о проблемах с которыми я столкнулся при разработке данного проекта на C#, а также о его портировании для работы в браузере. В конце статьи будет ссылка на готовую к игре версию и на все исходники. Если я вас заинтересовал — прошу под кат.

Вдохновение

Перед тем как мы приступим — я хочу коротко рассказать о тех проектах, которые вдохновили меня на написание данного симулятора. Первую аналогию вы могли провести еще по скриншоту в шапке поста, ведь мой проект внешне довольно сильно похож на игру «Жизнь», придуманную математиком Джоном Конвем в 1970 году. Еще больше меня вдохновили вот эта и эта статьи других хаброюзеров. Чтоб не гонять уважаемого читателя по ссылкам, коротко опишу о чем идет речь в данных статьях: первая — модификация игры Конвея с добавлением туда естественного отбора, а вторая — моделирование разумной жизни на базе нейронных сетей.

Определение требований

Писать еще один клон игры «Жизнь» я не хотел, да и идея естественного отбора мне настолько понравилась, что я решил сконцентрироваться именно на эволюции. Название пришло само собой — «The strongest survives».

Вот требования, которые я ставил себе при разработке:

• разработать симулятор эволюции, в котором будет множество видов организмов – клеток;
• добавить несколько объектов для взаимодействия клеток с ними (еда, яд, мертвы клетки);
• сделать симуляцию производительной в первую очередь, чтоб можно было быстро увидеть результат за большой период;
• симуляция должна как можно более соответствовать реальной жизни;
• должна быть возможность изменения условий обитания организмов.

В TSS клетки имеют много показателей, от которых зависит их следующее состояние. Они могут анализировать окружающую обстановку и принимать на основе этих данных решения, которые помогут им выжить. На их приоритеты при осмотре окрестностей влияют модификаторы, записанные в геноме. Например, есть параметр агрессия. Когда клетка видит другую клетку с чужеродным геномом, то она прибавляет к стремлению двигаться в ту сторону этот модификатор (агрессию). То же самое с голодом, коллективностью, тягой к яду и тягой к мертвым клеткам. После расчетов выбирается сторона с наибольшей суммой модификаторов.

Основные правила игры:

• вселенная игры имеет свою единицу времени – тик;
• каждая клетка имеет определенный уровень энергии, убывающий во время каждого тика;
• главная цель клетки – выжить и размножиться. Для этого ей нужно собрать как можно больше энергии;
• все клетки имеют максимальный возраст;
• клетки могут иметь разный геном, который влияет на их стратегию выживания, при этом их физические возможности равны;
• во время каждого тика каждая клетка может сделать один шаг в одну из 4-х выбранных сторон. При выборе направления шага, в зависимости от находящегося на новом месте объекта, произойдет какое-то событие. Если там пустое место — она просто туда переместится, если там еда, яд, или мертвая клетка — она получит их уровень энергии и тоже переместиться туда. Если же там живая клетка — она останется на месте и, в зависимости от того, какая там клетка произойдет определенное событие. Если там клетка с таким же геномом, то обе получат энергию, если с другим геномом — данная клетка заберет у нее часть энергии.

Клетка может сделать один ход раз в тик. Точнее, она осматривает площадь вокруг, как это показано на картинке и выбирает приоритетное направление: вверх, вниз, влево, вправо или стоять на месте.

Также клетка может размножиться. Размножение происходит делением, один раз за тик, если у клетки достаточно энергии. При этом, рядом должно быть пустое пространство, где создается новая клетка с таким же геномом, либо клетка с мутировавшим геномом. При этом ее уровень энергии делиться поровну между родительской и дочерней клетками. Требуемый для размножения уровень энергии определяет пользователь, но модификатором к нему выступает параметр «репродуктивность». Этот параметр храниться в геноме. Чем он выше — тем меньше энергии нужно клетке для размножения.


Как-то так представлял себе я эту игру, в то время. В целом, что-то подобное и получилось.

Суть геймплея

Геймплей заключается в том, что пользователю предоставляется редактор констант вселенной, в котором он может изменять условия обитания организмов и наблюдать за тем, как они приспосабливаются. Звучит не очень впечатляюще, но здесь довольно много значений, доступных игроку (около 30), меняя которые можно получить множество уникальных вариаций результата. Подробней о каждой константе вы можете почитать в мануале в папке с игрой или под спойлером.


Так выглядит этот редактор в веб версии.


А в версии под Windows можно еще и редактировать место, где генерируется еда или яд.

Разработка и результат

В результате нескольких месяцев разработки, я написал 4 версии своей игры. Первые две — для тестирования и отладки логики вселенной симулятора, третья — релизная версия под Windows, четвертая — версия для браузеров. Сейчас я быстро пробегусь по первым двум и уже потом буду рассказывать об особенностях основных версий.

Версия на WindowsForms

Это первая рабочая версия моей программы. В данной версии еще не реализовано большей части игровой логики и она имеет много багов. Рендеринга тут нет, все выводится в текстовое поле в виде символов. Такой вот текстовый вывод работал очень медленно (1-2 тика в секунду), но, все же, есть в нем что-то ламповое.

Версия в текстовой консоли

Как ни странно – вторая версия программы. Ее я писал для лабораторных. В этой и последующих версиях игровая логика идентична.

Версия на WPF

На эту версию я потратил больше всего времени, но она и является наиболее проработанной. Рендеринг фреймов здесь занимает 20-30 мс и не зависит от размеров поля, да и сам тик обрабатывается довольно быстро. Пользователь может создавать огромное игровое поле (хоть 2000х2000 ячеек). Есть возможность просматривать информацию о каждой клетке, просто кликнув на нее.
Демонстрация работы программы.


При написании данной версии своего проекта мне пришлось решить множество проблем. Самые запоминающиеся решения я опишу здесь.

1) Ручной рендеринг. Так как я решил писать велосипед — я делал отрисовку без движка, используя стандартные средства WPF для отрисовки примитивов. Но это позволило мне максимально оптимизировать отрисовку именно под свою программу.

Когда я только начал делать отрисовку — вся канва перерисовывалась с нуля при каждом фрейме, что очень било по производительности. Но потом я написал алгоритм, который хранил прошлый кадр в буфере и при отрисовке нового — закрашивал места, где были объекты, но теперь нет, а на месте, где они появились — рисовал объект. Не знаю насколько быстро это работало бы на движке, но здесь производительность выросла в разы и перестала зависеть от размеров поля.
Отсутствие движка также упростило портирование под браузер, там я использовал тот же алгоритм.

Но в этом способе есть и минусы — часто возникают помехи на изображении, особенно это заметно в WPF версии.

2) Динамический редактор классов. Чтоб не переделывать по сто раз форму, на которой отображались поля редактирования настроек вселенной, я использовал рефлексию и написал динамический редактор, который читал поля передаваемого объекта (в данном случае — объект с настройками) и строил форму для их редактирования.


Вот так выглядел этот редактор в версии WPF.

Веб версия

Через некоторое время после написания WPF версии мне захотелось портировать ее под браузер. Результат вы можете увидеть в шапке статьи, либо, лично перейдя на сайт и попробовав.

Я немного знал Javascript, но мне совсем не хотелось переписывать полторы тысячи строк кода игровой логики на нем. Но выход нашелся — я решил использовать Bridge.NET, открытый компилятор C# в Javascript. Да, дорогой читатель, ты все правильно понял — теперь мы пишем под браузер на C#. Благодаря этому компилятору я смог использовать язык, который хорошо знал. Оставалось только переписать рендеринг и остальной код, связанный с отображением. По причине Javascript лени, веб версия менее функциональна, чем версия под Windows, но служит неплохой демонстрацией работы симулятора.

Справедливо отметить, что мне, все же, очень пригодились знания Javascript и HTML из-за особенностей работы браузеров.

Итоги

При разработке данного проекта я сильно подтянул свои навыки в программировании в целом. На данный момент все версии игры доступны на этом сайте tss-game.cc.ua. Если вы сами хотите приступить к разработке или просто посмотреть код — вот мой гитхаб, тут вы можете найти все версии моей программы с обширными комментариями. Надеюсь, вам было интересно читать о моем опыте, возможно, эта статья вдохновит и вас на что-то подобное, как меня вдохновили другие статьи в свое время.