УДК 004

УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ РАЗРАБОТКА ИГР
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ UNREAL ENGINE 5

D. Aparna, Ch. Anvesh, G. Hemanth Sai, K. Srinivas, G. Praveen

Nadimpalli Satyanarayana Raju Institute of Technology,
Department of Computer Science and Engineering

Аннотация

В работе рассматривается усовершенствованная разработка игр с использованием Unreal Engine 5 (UE5) с акцентом на Nanite для отображения в реальном времени миллиардов полигонов без необходимости традиционного управления уровнями детализации (LOD), на Lumen как систему динамического глобального освещения, мгновенно реагирующую на изменения окружения без длительных предварительных просчётов, а также на развитые системы ИИ и анимации — улучшенные деревья поведения, системы Blackboard для более эффективного, событийно-ориентированного принятия решений и Control Rig для процедурной анимации, обеспечивающей более плавные переходы состояний между персонажами, повышая плавность и отзывчивость движения. Дополнительно уделяется внимание масштабируемой и повторно используемой архитектуре, поддерживающей быстрые итерации, лучшую модульность кода и упрощённое дальнейшее расширение на основе принципов единственной ответственности и внедрения зависимостей. Это позволяет разработчикам больше сосредоточиться на художественной стороне, а не на технических ограничениях, снижая вычислительные затраты и повышая общую эффективность разработки, демонстрируя потенциал UE5 радикально изменить конвейеры разработки игр и задать новые ориентиры реализма, производительности и интерактивности в игровой индустрии.

I. Введение

Разработка игр остаётся динамичной и постоянно меняющейся отраслью, где каждый новый технологический рывок расширяет границы творчества и функциональности. На протяжении многих лет Unreal Engine 4 (UE4) был надёжной и универсальной платформой, позволявшей создавать визуально впечатляющие и механически сложные игры. Однако появление Unreal Engine 5 (UE5) стало революцией в игровой сфере, предложив инструменты нового поколения: Nanite, Lumen и MetaHuman.

Эти технологии не только поднимают реализм на новый уровень, но и упрощают процесс разработки, делая его более быстрым и доступным для разработчиков с различным уровнем подготовки. Nanite, революционная технология виртуализированной геометрии, позволяет выводить в реальном времени высокодетализированные ресурсы без потери производительности. Lumen, система глобального освещения UE5 в реальном времени, усиливает визуальную составляющую, динамически изменяя освещение в ответ на изменения в окружении. В то же время MetaHuman упрощает создание персонажей за счёт готовых и настраиваемых моделей, позволяя разработчикам с минимальными усилиями создавать реалистичных цифровых людей.

В совокупности эти решения дают возможность создавать глубокие и впечатляющие по графике игровые миры со значительно оптимизированными рабочими процессами. Данная статья развивает существующие исследования и делает шаг от UE4 к UE5 с целью разработки более «отшлифованного» прототипа игры. Цель — использовать расширенные возможности UE5 для максимизации вовлечённости игрока, оптимизации производительности и внедрения масштабируемых практик разработки.

Путём анализа ключевых функций Nanite, Lumen и усовершенствований ИИ работа даёт практические рекомендации по тому, как эти инструменты могут преобразовать процесс разработки игр. Кроме того, рассматривается использование модульных систем анимации, включая Control Rig, для повышения эффективности и отзывчивости анимации персонажей.

Некоторые цели проекта:

• Применить технологию Nanite в UE5 для создания высокодетализированных и эффективных окружений.
• Реализовать Lumen для динамического освещения в реальном времени, реагирующего на игровую ситуацию.
• Создать адаптивные системы ИИ с использованием улучшенных Blackboard и деревьев поведения UE5.
• Упростить конвейер анимации с помощью модульных графов и процедурной анимации для бесшовных переходов состояний.

Включение таких технологий в исследование демонстрирует, что Unreal Engine 5 способен радикально изменить процесс разработки игр. Статья также подчёркивает важность итеративного и расширяемого проектирования для соответствия требованиям игр следующего поколения.

II. Обзор литературы

Предыдущие исследования по Unreal Engine 4

В существующих исследованиях Unreal Engine 4 (UE4) рассматривается как универсальный инструмент для разработки игр, особенно в части графического реализма и модульности. Анализировались возможности создания детализированных окружений, внедрения каркасов ИИ и использования переиспользуемых модулей. Хотя UE4 обеспечивал прочную основу, такие ограничения, как статический пайплайн освещения и необходимость ручного управления LOD, мешали масштабируемости и реалистичности.

1. Переход к Unreal Engine 5

Unreal Engine 5 развивает идеи предшественника и добавляет революционные технологии, такие как Nanite и Lumen. Исследования показывают, что виртуализированная геометрия Nanite устраняет необходимость ручной настройки уровней детализации (LOD), что экономит значительное время разработки. Решение Lumen для динамического глобального освещения высоко оценивается за возможность обновлять освещение в реальном времени, что раньше было недостижимо без предварительной запекалки.

2. Достижения в системах ИИ

Работы, посвящённые деревьям поведения и системам Blackboard, показывают, что эти технологии обеспечивают более адаптивные и эффективные механизмы принятия решений в игровой разработке. Событийно-ориентированные узлы UE5 дают разработчикам больше контроля над поведением ИИ, позволяя динамически реагировать на действия игрока. Сравнительные исследования показывают, что системы ИИ в UE5 более вычислительно эффективны и адаптивны по сравнению с UE4.

3. Улучшения анимации и Control Rig

Процедурные возможности Control Rig привлекают внимание в современных исследованиях. Динамическая модификация анимаций в зависимости от игрового контекста снижает зависимость от ручного покадрового анимирования. Модульные графы анимаций упрощают рабочий процесс и повышают отзывчивость и естественность движений персонажей.

4. Внедрение UE5 индустрией

Кейсы ведущих игровых студий демонстрируют широкое использование Unreal Engine 5 в проектах следующего поколения. Разработчики отмечают значительное сокращение сроков разработки и повышение визуального качества, связывая это с применением Nanite и Lumen. Публикации подчеркивают, что UE5 задаёт новые стандарты в индустрии, особенно в области рендеринга в реальном времени и адаптивных игровых систем.

III. Технологические усовершенствования в UE5

1. Nanite для виртуализированной геометрии

Nanite представляет собой прорывное решение для управления геометрией, позволяя разработчикам отрисовывать экстремально детализированные ресурсы с миллиардами полигонов в реальном времени. В отличие от традиционных подходов с ручными LOD, Nanite автоматически адаптирует геометрию в зависимости от размера на экране и расстояния. Это делает ручное создание LOD избыточным, снижая трудозатраты и вычислительную стоимость.

2. Lumen для глобального освещения

Lumen заменяет статические пайплайны освещения UE4 полностью динамической системой глобального освещения. Lumen в реальном времени реагирует на изменения освещения и окружения, создавая более захватывающие сцены. Это особенно важно для игр с разрушаемым окружением или динамическим циклом день–ночь, где освещение часто меняется.

3. MetaHuman для создания персонажей

Набор инструментов MetaHuman позволяет создавать фотореалистичных цифровых людей. Он тесно интегрируется с UE5, предоставляя возможность создавать персонажей высокой детализации с настраиваемыми чертами лица, реалистичными текстурами и сложными анимационными ригами. Это уменьшает необходимость применения отдельных 3D-пакетов для моделирования, существенно сокращая время, затрачиваемое на создание персонажей.

IV. Обновления ИИ с использованием деревьев поведения

1. Расширенное принятие решений с помощью Blackboard

Unreal Engine 5 улучшает систему Blackboard, упрощая реализацию сложных поведенческих моделей ИИ. Интеграция событийных узлов и обновлений в реальном времени позволяет разрабатывать реактивный ИИ, интуитивно откликающийся на изменения в окружении и действия игрока.

2. Оптимизированные событийно-ориентированные деревья поведения

Деревья поведения в UE5 предоставляют более тонкий контроль над выполнением задач. Событийные узлы снижают вычислительную нагрузку, активируясь только при выполнении определённых условий. Это приводит к более эффективному и реалистичному поведению ИИ, особенно при большом числе агентов.

V. Улучшения анимации

1. Процедурная анимация с использованием Control Rig

Control Rig в UE5 предоставляет средства процедурной анимации, позволяя создавать анимации программно. Это уменьшает потребность в ручном покадровом анимировании во многих случаях и даёт возможность динамически адаптировать движения к игровым состояниям.

2. Модульные графы анимации

Модульные графы анимации структурируют анимационные состояния в виде взаимосвязанных блоков, упрощая переиспользование и сопровождение. В сочетании с Control Rig это позволяет гибко комбинировать анимации и плавно переключаться между ними в зависимости от контекста геймплея.

Кейс: динамические боевые системы

На основе обсуждавшихся ранее боевых механик в UE4 данный проект использует улучшенные возможности UE5 для построения более надёжной боевой системы. Основные усовершенствования:

• Точная проверка столкновений. Благодаря улучшенному физическому движку UE5 детекция столкновений учитывает как позицию, так и ориентацию, обеспечивая более точную регистрацию попаданий.
• Адаптивное боевое поведение ИИ. Через деревья поведения и систему Blackboard противники динамически подстраивают тактику на основе действий игрока.
• Улучшенное смешивание анимаций. Анимации плавно смешиваются с помощью Control Rig и анимационных блюпринтов, формируя реалистичные боевые последовательности.

Оптимизированные методологии разработки

Оптимизация процесса разработки обеспечивает более высокую эффективность, лучшее качество результата и ускорённую поставку проекта. Внедрение отлаженных рабочих процессов и современных методологий позволяет командам минимизировать ошибки, сократить избыточность и стимулировать инновации. Ниже приведены ключевые подходы к оптимизации разработки.

a) Гибкая (Agile) разработка

Agile-методологии делают акцент на итеративной разработке, сотрудничестве и адаптивности к изменяющимся требованиям. Работа ведётся короткими циклами (спринтами), в каждом из которых создаётся инкремент продукта. Основные практики:

• Scrum. Каркас внутри Agile, концентрирующийся на ролях (Scrum Master, Product Owner) и работе команды в спринтах для эффективного достижения целей (Schwaber K., Beedle M., 2002).
• Kanban. Визуальный метод управления потоком задач с использованием досок и карточек для оптимизации загрузки и предотвращения «узких мест» (Anderson D., 2010).

b) DevOps-интеграция

Практики DevOps нацелены на улучшение взаимодействия между командами разработки и эксплуатации, обеспечивая более быстрые циклы поставки и высокое качество продукта. Ключевые элементы:

• Непрерывная интеграция (CI). Автоматическое объединение изменений кода в общий репозиторий для раннего выявления проблем (Fowler M., 2006).
• Непрерывная доставка/развёртывание (CD). Автоматизация процесса публикации новых функций и исправлений, что позволяет продукту оставаться актуальным (Humble J., Farley D., 2010).

c) Разработка через тестирование (TDD)

TDD — практика, при которой тесты пишутся до реализации кода. Такой подход обеспечивает:

• Чёткое понимание требований к функционалу.
• Более продуманную архитектуру и дизайн кода.
• Меньшее количество ошибок и более быструю обратную связь в процессе разработки (Beck K., 2003).

d) Код-ревью и парное программирование

Регулярные проверки кода и практики парного программирования приводят к:

• Повышению качества кода.
• Лучшему обмену знаниями внутри команды.
• Раннему обнаружению проблем (Williams L., Kessler R., 2000).

e) «Бережная» (Lean) разработка

Вдохновлённая бережливым производством, Lean-разработка концентрируется на уменьшении потерь и улучшении потока ценности, фокусируясь на:

• Упрощении процессов.
• Минимизации ненужных функций.
• Поставке только того, что даёт ценность пользователю (Poppendieck M., Poppendieck T., 2003).

f) Масштабируемые Agile-каркасы

Для крупных команд и проектов используются масштабируемые варианты Agile, такие как SAFe (Scaled Agile Framework) или LeSS (Large-Scale Scrum), которые помогают управлять сложностью, сохраняя при этом гибкость (Leffingwell D., 2011).

g) Автоматизация и инструменты

Интеграция инструментов автоматизации (для тестирования, форматирования кода, развёртывания и т.п.) снижает риск ошибок, связанных с ручной работой, и ускоряет процессы разработки (Martin R., 2008).

Обзор концепции игры Tyranny

Tyranny — историческая стратегическая игра, действие которой разворачивается в период Первой мировой войны и сосредоточено на сложных и далеко идущих последствиях военных решений. Игра подчёркивает психологические и стратегические вызовы, с которыми сталкиваются лидеры, принимая критически важные решения, определяющие ход войны и судьбы солдат и мирных жителей.

Основной геймплей

• Стратегическое принятие решений. Игрок принимает ключевые решения о размещении войск, управлении ресурсами и дипломатических переговорах, напрямую влияя на ход войны.
• Эмоциональные и моральные последствия. Победы дают тактические преимущества, но психологическая нагрузка на солдат и гражданских является центральной темой.
• Динамические исходы. Нарратив игры меняется в зависимости от решений игрока, влияя как на краткосрочные сражения, так и на долгосрочные политические последствия.

Технический подход

• Nanite. Обеспечивает высокодетализированные окружения и ресурсы без просадки производительности, повышая визуальный реализм.
• Lumen. Даёт возможность динамического освещения в реальном времени, синхронизированного с изменениями окружения, повышая целостность и выразительность картинки.
• Деревья поведения ИИ. Адаптивные системы ИИ обеспечивают динамическую реакцию на действия игрока, усложняя стратегический уровень.
• Control Rig и модульные графы анимации. Обеспечивают плавные и отзывчивые анимации персонажей, улучшая передвижение и боевые сцены.

Философия дизайна

Игра следует масштабируемой и повторно используемой архитектуре, что позволяет быстрее итерационировать и легче расширять проект в будущем. Интегрируя высокодетализированную графику, динамический ИИ и реалистичную анимацию, Tyranny стремится создать глубокий и эмоционально насыщенный игровой опыт, задающий новую планку для исторических стратегий.

Литература

1. Actors. Unreal Engine 4 Documentation. Accessed on 26.09.2020.
2. https://docs.unrealengine.com/en-US/Programming/UnrealArchitecture/Actors/index.html
3. AI Perception Component. Unreal Engine 4 Documentation. Accessed on 10.10.2020.
4. https://docs.unrealengine.com/en-US/Engine/ArtificialIntelligence/AIPerception/index.html
5. Animation Blueprints. Unreal Engine 4 Documentation. Accessed on 26.09.2020.
6. https://docs.unrealengine.com/en-US/Engine/Animation/AnimBlueprints/index.html
7. Animation Montage Overview. Unreal Engine 4 Documentation. Accessed on 19.09.2020.
8. https://docs.unrealengine.com/en-US/Engine/Animation/AnimMontage/Overview/index.html
9. Animation Pose Snapshot. Unreal Engine 4 Documentation. Accessed on 19.09.2020.
10. https://docs.unrealengine.com/en-US/Engine/Animation/PoseSnapshot/index.html
11. Blender. 2020. License. Accessed on 26.09.2020.
12. https://www.blender.org/about/license/
13. Blueprints Visual Scripting. Unreal Engine 4 Documentation. Accessed on 26.09.2020.
14. https://docs.unrealengine.com/en-US/Engine/Blueprints/index.html
15. Character. Unreal Engine 4 Documentation. Accessed on 26.09.2020.
16. https://docs.unrealengine.com/en-US/Gameplay/Framework/Pawn/Character/index.html
17. Pawn. Unreal Engine 4 Documentation. Accessed on 26.09.2020.
18. https://docs.unrealengine.com/en-US/Gameplay/Framework/Pawn/index.html
19. State Machines. Unreal Engine 4 Documentation. Accessed on 19.09.2020.
20. https://docs.unrealengine.com/en-US/Engine/Animation/StateMachines/index.html
21. Unreal Engine Marketplace. Marketplace Distribution Agreement. Accessed on 22.09.2020.
22. https://www.unrealengine.com/en-US/marketplace-distribution-agreement