Unity Spawning Methods

Методы инстанцирования актёров сцены в Unity

Валерия Пудова
2008

Содержание

Введение
Описание подхода
Инстанцирование актёров
Структуры объектов сцены и данных кода
Пример API
Выводы

Введение

Существует множество способов инстанцирования объектов сцены в Unity и запуска процессов, связанных с этими актёрами. Перечислим их:

Использование Unity Runtime System
а. Префаб, размещённый в сцене в режиме редактора с последующим запуском игры.
б. Префаб, установленный в сцене в рантайме (Drag&Drop), или использование метода GameObject.Instantiate.
Собственный рантайм игры, в котором специальный спаун-процесс инстанцирует префаб методом GameObject.Instantiate, запускает необходимые процессы и обновляет состояния объектов. При этом сам префаб не запускает никаких процессов (см. диаграмму 1).

У каждого из перечисленных способов есть свои достоинства и недостатки.
Например, метод (1а) позволяет точно видеть положение, ориентацию и размер персонажа в его окружении прямо в редакторе.
Метод (1б) привычен и работает с купленными ассетами, однако он неэффективен с точки зрения производительности — «проснувшийся» актёр или множество актёров могут создать высокую вычислительную нагрузку.

В этом документе я сосредоточусь на методе (2), который был успешно применён в нескольких проектах.

Описание подхода

На диаграмме (1) упрощённо изображена структура метода (2). В сцене расположен единственный объект (Main GameObject), который вызывает методы в TaskManager.

Диаграмма 1. Собственный рантайм игры.

TaskManager запускает процессы, которые могут создавать и обновлять актёров. Процессы бывают двух видов:

Самостоятельные процессы без актёров (процессы i…ii на диаграмме)
Процессы актёров (процессы j…jj и k…kk на диаграмме)

Инстанцирование актёров

Для начала определим составные части актёра сцены. На диаграмме (2) показаны основные компоненты, необходимые для инстанцирования.

Диаграмма 2. Основные элементы актёра сцены.

Actor — анимированный персонаж игры, управляемый процессами.
ActorPrototype — объект с параметрами, созданный в редакторе Unity. Это может быть один или несколько префабов и ассетов.
SpawnData — объект сцены в редакторе, содержащий информацию о том, какой SpawnProcess использовать, а также когда, где и какой прототип инстанцировать, и какие параметры ему установить после инстанцирования (специализация актёра, подобие инъекции).
SpawnProcess — программа, выполняющая все операции для инстанцирования актёра. При запуске процесс получает в качестве аргумента SpawnData и, возможно, дополнительные аргументы.
StateProcess — набор процессов, управляющих персонажем в определённый момент времени (определённое состояние).

Несмотря на то, что множество разных архетипов могут использовать одну и ту же реализацию SpawnProcess, сам SpawnProcess можно считать начальным состоянием актёра.

Структуры данных модели мира

Структуры объектов сцены не должны повторять структуры данных модели мира. Иерархия сцены или префаба создаётся художниками исходя из интуитивного понимания сущности, а также по техническим причинам — скелет и меш должны иметь определённую иерархию.

Поскольку структура данных, используемая кодом, не обязана совпадать со структурой объекта сцены, на ActorPrototype лучше смотреть как на комбинацию из двух контейнеров:

Type или Archetype — кодовая модель прототипа.
Prefab — визуальная модель прототипа.

Это позволяет использовать разные архетипы на одном и том же префабе (например, Cyborg и Cyborg_Ragdoll).

В предлагаемом решении именно процессы порождают актёров со своими процессами. В обычном подходе Unity процессы создаются компонентами актёров.

Пример API

Ниже приведён небольшой фрагмент API. Он состоит, в основном, из двух групп методов:

Spawning — запуск самостоятельных процессов или процессов актёра сцены.
Instantiating — инстанцирование актёра и запуск его процессов.

Для начала определим следующие типы данных:

IProcess — интерфейс или базовый класс процесса. Процессы организованы в дерево, и у каждого есть обработчик событий.
State — именованное состояние процесса (точнее, множество процессов). В состоянии заданы код инициализации и выхода, а также обработчик событий.
ProcessBucket — список гомогенных структур (процессов), обрабатываемых за один проход. В игре может быть несколько таких списков.
SpawnData — параметры инстанцирования, например, параметры специальной точки сцены, называемой Spawner.
Archetype — архетип актёра — совокупность всех данных, необходимых для его конструирования. Обычно в качестве архетипа используется SerializedObject.
Actor — объект сцены, созданный на основе архетипа. Как правило, Actor — это компонент Unity.

Ещё один важный тип — ResultCode, который сообщает об ошибках внутри методов. Это не только отладочный инструмент: в зависимости от ошибки процессы могут менять своё поведение.

public enum ResultCode
{
    Invalid,             // < не инициализирован (значение по умолчанию)
    Null,                // < равен null (пустой результат)
    Success,             // < успешная операция
    Allocated,           // < объект был выделен
    NotAllocated,        // < в пуле нет свободных объектов
    InvalidState,        // < переход в неверное неопределённое состояние
    InvalidStateReturn,  // < доставка сообщения в FSM не удалась
    InvalidReturn        // < невозможно вернуть корректное значение
}

Для работы с пулом существует метод поиска свободного процесса или освобождения занятого:

// Найти свободный процесс или высвободить процесс с низким приоритетом
public IProcess FindFreeOrReusable(ProcessBucket headObject, bool forced);

Следующий набор методов предназначен для управления процессами без актёров:

// Создать процесс, дочерний к имеющемуся
SpawnResult SpawnProcess(IProcess parent,
                         Archetype type,
                         State state,
                         params object[] args);

// Создать процесс на основе спаунера — точки в пространстве сцены.
// Этот процесс может создать одного или множество актёров
SpawnResult SpawnProcess(SpawnData data,
                         IProcess parent = null);

// Создать процесс для существующего актёра сцены
SpawnResult SpawnProcess(Actor entity,
                         Archetype type,
                         State state,
                         IProcess parent = null,
                         params object[] args);

// Инициализировать процесс параметрами архетипа и состояния.
// Метод вызывается после получения процесса из пула
SpawnResult InitProcess(IProcess process,
                        Archetype type,
                        State state,
                        params object[] args);

// Остановить процесс и высвободить его в пул
SpawnResult TerminateProcess(IProcess process,
                             bool terminateEvent = true);

Далее идут методы для работы с актёрами. Эти методы являются заменой GameObject.Instantiate:

T Instantiate<T>(IProcess process,
                 GameObject prefab,
                 Archetype type) where T : Actor;

// Инстанцировать актёра для имеющегося процесса в точке
T Instantiate<T>(IProcess process,
                 GameObject prefab,
                 Archetype type,
                 Vector3 position,
                 Quaternion rotation) where T : Actor;

// Инстанцировать дочернего актёра для процесса в точке и с поворотом
T Instantiate<T>(IProcess process,
                 GameObject prefab,
                 Archetype type,
                 Vector3 position,
                 Quaternion rotation,
                 Transform parent) where T : Actor;

// Удалить процесс вместе с его актёром или актёрами
void DestroyActor(IProcess process);

Для остановки процессов состояния существует метод Go:

// Остановить текущие процессы и создать новые
process.Go(IProcess parent, State state, params object[] args);

Однако на практике использовался другой способ перехода в новое состояние. Поскольку у каждого состояния был код OnEnter, вызов этого метода автоматически осуществлял переход:

// Остановить текущие процессы и создать новые
ResultCode Goto_WalkingState(params object[] args)
{
    // Код инициализации состояния и запуска необходимых процессов
}

// Пример передачи параметров состоянию
Goto_WalkingState(/* указать цель пути, если есть */ currentZoneExitPoint);

Порядок инстанцирования не начинается с GameObject.Instantiate. Этот метод выполняется внутри процесса и не всегда обязателен. Иными словами, программист создаёт контейнеры данных и алгоритмы их модификации. Алгоритм изменяет состояние мира, а также инстанцирует и обновляет объекты сцены (см. диаграмму 3).

Диаграмма 3. Инстанцирование актёра сцены.

Процесс инстанцирования актёров должен распределять нагрузку между кадрами. Некоторые объекты должны создаваться быстро — без задержек. Для таких процессов стоит ограничить время инстанцирования двумя кадрами: Instantiate → Spawn. Другие объекты (например, фоновые актёры) могут создаваться с большей задержкой.

Выводы

Предложенная терминология и API могут быть усовершенствованы, но сам подход с использованием собственного рантайма игры оказался очень эффективным. Ниже перечислены достоинства метода:

Производительность инстанцирования актёров не вызывает заметных задержек (spikes).
Производительность обновления структур данных значительно выше, чем у рантайм-системы Unity.
Отсутствуют проблемы «одного кадра» — ситуации, когда один объект неожиданно обновляется раньше или позже другого, что приводит к ошибкам.
Упрощение пайплайна за счёт того, что код в гораздо большей степени отделён от данных, в отличие от компонентной системы Unity.

Начиная новый проект в Unity, обязательно подумайте о том, как организовать рантайм-систему, чтобы минимизировать риски.

HWW Portfolio

Software and Hardware Developer