开发者们依赖PCG的原因有三

理想的过程内容生成(Procedural Content
Generation,简称PCG)算法是,只需按下一个键就生成整个世界。

但那太困难了,所以我们还没达到那个境界。在本文中,我们提出的思路也许可以让读者离那个理想界境更近一步。

PCG是生成一切,包括背景、声音、剧情的算法。是个诱人的想法,对吧?

手动制作游戏世界既费时间又占用空间。自《Starflight》和《Elite》的诞生之日起,开发者们就致力于使用电脑完成无限的创意。

粗略地说,开发者们依赖PCG的原因有三:

1、使开发者能够更快地制作内容。

2、使游戏对玩家产生即时的反应。

3、减少游戏内容的占用空间。

我们还发现了一个隐藏的好处:

4、使开发者可以通过实验产生更多创意。

在本文中,我们将变谈论PCG的历史、问题、解决方法和我们发现的使用思路。我们的使用方法是在2009年开发简称为《Aaaaa!》的游戏和即将完成的简称为《Ugly
Baby》的游戏时发现的。

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PCG(from gamasutra)

成功使用于游戏开发的PCG

首先,有证据表明PCG确实可行实用,除了有时候看起来有些像飞行汽车——理论上成立,实际上不实用。

《Rogue》仍然是PCG运用于游戏制作的绝佳范例。这款大约完成于1980年的游戏,使电脑在玩家游戏时生成幻想的背景、隐藏的房间和弯曲的通道,并且将之先制作好的药水、敌人和武器填充于上述场景中。这种地下城风格的制作方法很成功(《Hack》、《Moria》、《Larn》、《Nethack》、《Angband》、《Dungeon
Siege》、《Dungeon Siege
II》、《暗黑破坏神》、《暗黑2》和《暗黑3》等等)也相以容易研究,所以许多开发者都用它制作《Rogue》式的游戏和许多用于《Rogue》式开发的物品。

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Temple of Apshai Trilogy(from gamaustra)

在《Starflight》中,我们可以探索到的许多星系和上百个世界。各个星系都包含大量行星,所有行星都有自己的特征(游戏邦注:例如表面温度、重力、天气、大气、水)。

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starflight 2(from gamasutra)

那时,尤其令人惊喜的是,玩家可以在星球模块中置入任何以上特征,使星球的自然环境发生变化,如增加曲折的海岸和起伏的高山、填充矿藏(铝、钼等)和根据
海拔和星球类型决定生物(固定的和活动的)的密度和种类。原版可以装入双面的5.25英寸的软驱中。Braben/Bell的经典之作《Elite》
(1984)的著名之处也许在于,创造了相当于8个星系的星球,让玩家在其中自由飞行和交易。更近的时候,《孢子》展示了程序性模型生成和动画。在游戏中,玩家可以调整生物骨头的长度和周长,增加四肢、眼睛、耳朵、翅膀等等,使创意成为玩法的一部分。

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kkrieger(from gamaustra)

另外,数年以前,《kkrieger》让世界震惊了,因为这个射击游戏占用的磁盘空间甚至比本文还少(仅97280字节)。

PCG的使用贯穿了整个游戏的历史,并且今天仍然在使用。

内容制作工具中的PCG

在我们于2009年开发的游戏《Aaaaa!》中,我们想探索自动完成任务和辅助创意的工具。

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Aaaaa!(from gamasutra)

你是否曾经一像素一像素地画图?或者,放置存储单元?这个过程很沉闷,所以开发者们为数字艺术家创造了更好的工具——现在,你只需要移动鼠标就可以填充那些像素点、画一个填充好的矩形、或渲染一段渐变的文本。

自动工具很重要,因为能节省时间——这些工具通常能够按我们的想法工作。点击画布上的一个点,然后点击另一个点,你就填充好一个理想的矩形了。

《Aaaaa!》是一款极限跳伞游戏,跳伞的地方是悬浮在半空中、高楼林立的未来波士顿。我们手动制作了许多内容,在游戏编辑器里,我们放置摩天大楼、大梁、走道、标牌、飞车和巨型土豆等。

从技术上说,自动工具不错,但我们最终厌倦了——做出来的东西开始让人感觉千篇一律,部分是因为这个工具让某些任务变得太简单,而其他的太困难。

例如,在关卡编辑器中放几座建筑再用得分板加以装饰,这很容易:

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building(from gamasutra)

然而,创造一些更复杂的东西则需要手动放置对象,这种工作太乏味了。虽然我们可以容忍,手动放置对象(也许需要雇佣更多关卡设计师以及花更多时间),但仍希望有一个更好的解决方法,那就是自动化——例如,有一个脚本可以生成一纵队得分板,然后我们再把这些得分板拉成我们需要的形式。

下一步是旋转得分板并按照随机的曲线路径放置:

# Create 40 plates in a sinusoidal pattern:

for i in 0..40:

plate.x = sin(i*freq1)*amplitude

plate.y = sin(i*freq2)* amplitude

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sinusoidal paths(from gamasutra)

真正有趣的时候是,我们开始将很高的频率填入其中,于是产生了很荒唐的结果:

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something ridiculous(from gamasutra)

完全不能玩的东西冒出来了,
但有趣的东西也出现了,这出乎我们的意料。因为我们埋头于关卡设计,像这样的东西让我们的视野焕然一新。

这是关于“过程生成”的关卡的一个小例子,但不止一次,我们使用像这么简单的脚本做出了令我们开心的东西。这些改变了我们创造关卡的方式,对玩家提出了新挑战。

不久,我们有了一系列用于创造我们所谓的“关卡骨骼”的通用脚本。我们大量使用这些脚本制作让我们满意的东西(“啊!我们从来没想过这种事会发生。真是太棒了!”),然后手动完成关卡的剩余部分。

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hand-creat the rest of the level(from gamasutra)

《Aaaaa!》的表现不错,除了其他奖项,还让我们获得了独立游戏节提名。所以,我们有了信心,决定在我们的下一款游戏中大胆尝试,我们将PCG用于所有的关卡设计。但毕竟,我们还算是体面的程序师,这么做未免太过简单了?

PCG是万灵药

我们的下一款游戏《Ugly
Baby》玩起来很像《Aaaaa!》,但我们想让它在运行时,根据玩家提供的媒体,通过算法生成所有的关卡结构。这个媒体可以是音乐、视频甚至是一段《独立宣言》。我们将游戏形容为:

“与你最喜欢的鼓和贝司作战,或自由飞行于舞曲唱片的旋律之中。《Ugly
Baby》用你的MP3音乐创造一个漂浮的世界,邀请你来战斗。”

我们的希望曾是(现在仍是),PCG可以让我们:

1、生成(本质上)无数的有趣的关卡,且比手动生成的《Aaaaa!》关卡更特别。

2、在运行时,根据玩家自己的媒体生成所有关卡内容。

3、允许玩家通过调整“关卡DNA”参与世界创造的过程,产生他们自己的关卡。

我们想制作一种可以读取音乐的脚本,然后产生类似《Aaaaa!》且带敌人的关卡。本以为我们对漂浮建筑和生成艺术的理解可以让这个过程变得很简单,然而,在我们才开始基础工作以前,一个9个月的项目已经变成了24个月。

结果,我们发现了四个主要问题:

1、手动制作的优势是PCG的弱点。

算法和手动制作的内容往往优势互补。如果你要制作大量的山体,且想看看经过侵蚀后的样子,那么算法比手动调整好。虽然你可以也花上一整天的时间自己动手雕刻,再花一点时间在侵蚀工具中执行,但手动操作会让你尝试到一些不同的东西。

另一方面,如果你想在山洞的入口处增加一些树木,手动完成通常比算法简单。如果你想在沙滩上写“HELP”,手动选择工具然后写字更容易些。我们认识到这点是经过了艰难的过程:

第1步:写一个生成关卡框架的算法。(1小时)

第2步:测试后发现建筑物之间的距离太远;增加密度,还使了一点小技巧防止它们重叠。(15分钟)

第3步:测试后发现完全行不通;修改路径使建筑物迂回一些。(15分钟)

第4-9步:执行、重复。(各15分钟)

第10步:若上述方法行不通,手动调整反而更简单。(5分钟)

所以,我们陷入了一种工作模式,先写了一个不错的脚本,无尽地调整,然后达到局部最大值:初始脚本可以生成一种类型的脚本布局,我们花了数个小时寻找其中最好的排列,而不是检查其他地方。我们随后发现“无聊”和“有趣”之间的差距很小,但要实现二者之间的跨越,即对算法做实验或在算法中扩充有趣的细节可能很费时间。

解决方法:有时候,实验最好是手动操作;我们可以从制作的东西中吸取经验教训,然后用算法模拟手动做出来看上去不错的东西。

2、制作重复的内容很容易。

从Alex Norton的帖子AltDevBlogADay中借用一段话:

为什么世界有边界?程序生成代码在过去25年并未改变多少。人们仍然局限于使用碎片、方块和斑点做所有东西,这也太雷同了,简直就像程序生成的内容。对于许多程序师而言,看起来其实就是程序生成的。

如果我们不认真看,我们不会发现我们一次又一次看到的东西都是相同的。例如,在《Ugly
Baby》中,玩以下关卡前15秒还觉得有趣,之后就无聊了:

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Ugly baby (from gamasutra)

因为每道关卡大约是5分钟长,这意味在整个关卡过程中,我们得切换好几次。一个常用的解决方法是,定期地置换出不同的算法,但那样做可能比较不谐调——想象一下在边界上突然中断的PCG森林。另一个解决方法是扩充算法,在沿途放上新花样,使不同对象之间渐进地改变,但我们又遇到问题了,这也是下文要说到的。

3、PCG算法变得更加有表现力,但复杂的算法看似越来越与设计脱节。

生成简单关卡的算法很容易写——但因为我们做的东西更复杂了,执行也变得更加困难,并且这种困难是不成比例的。例如,在《Ugly
Baby》中,起初我们成功地写出在地图上分散建筑物的脚本。然而,扩充脚本时发生了以下对话:

“看起来很棒;如果我们将这些聚为群集会怎么样呢?”

“好吧,但太规律了,还要混杂一点。”

“添加一些得分板、隧道、移动的平台和扇叶。”

“哎呀,得分板和建筑物交叉了。移开一点。将扇叶主在隧道的中间,除非当时还有移动的平台,或如果之前隧道中间就有扇叶,因为那样太无聊了。”

“好吧,现在,什么都不管用了。”

相同地,看到3D角色在草地上来回走动,游戏开发新手会说:“嘿,我会做MMORPG了,真简单!”我们认为,如果简单的脚本能产生有趣的结果,我们只需要不断地用适当的东西拓展算法就行了。但是,有趣的建筑物开始需要维持机制和认真设计的其他内容。

4、有趣的PCG通常产生的结果是1)愚蠢的和2)无聊的内容。

我们见过的最简单的随机名称生成器如下:

# Generate random letters, yo:

for i in 1..random_number():

name += random_ character()

它有可能生成任何你能想象得到的幻想的、科幻的或者宝宝的名字——假如让它重复足够的次数,它有可能输出“Captain
Rock
McSpectacular”这样的了不起的名称。但更多时候,它产生的是像“ergihwe`=-ufaw38o72wenufse”这样对你完全无用的垃圾。

在《Ugly
Baby》中,我们做了类似的东西——一个相对不受约束的算法,产生随机方块,然后围绕中心轴产生一个简单、可玩的隧道。这个算法过程如下:

1、从库中选择一个随机3D模型(方块、三角形、曲线)。

2、选择一个数字N和一个数字M。

3、创造N个平均间隔的环状模型,各个环状中有M个模型实体。

4、返回第1步。

在第一次计算中,结果是:

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Ugly Baby(from gamasutra)

看上去很有趣,确实有用——它是个隧道!再次运行相同的脚本,生成了一个有趣的序列,有毛发、手指样的东西,伴随着另一个隧道:

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Ugly Baby(from gamasutra)

也很有趣,出人意料,仍然有用。玩家可以在其中飞行。第三次计算:

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Ugly Baby(from gamasutra)

这次产生了一个完全不能通过的路径,组成的多边形太多,帧速率跟不上。虽然很漂亮,也许有些时候能用上,但没有形成隧道。

解决方法之一是,限制参数。在刚才那个命名生成器的例子中,也许我们可以构思一句语法(辅音+元音+辅音+元音+辅音),或保存一份常用的姓氏和名称,然后把它们串起来(例如“Billy
Margaret
Smith”)。类似地,在我们的隧道例子中,我们大概只需要创建一些用不多于某个数量的方块组成的隧道,或限制多边基本方块的数量。

另一个问题是:

结果,我们挑选了一些有趣的分支,有可能让我们自己都感到惊喜(再见啦,Captain
Rock McSpectacular)。

我们很快用特例补充好算法,但算法无法执行。

构成关卡的模块化方法

在我们开发《Ugly
Baby》的三年时间里,我们并没有解决所有问题,但我们用简单的、模块化的概念组合成复杂的东西时,我们收获了一些成功的经验。

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Ugly Baby (from gamasutra)

以编程的方式为《Aaaaa!》制作关卡骨骼时,我们成功了,这让我们感到愉快,所以我们返回查看根源。制作看上去有趣的东西其实相当容易,就是重复简单结构。举例说明,一个由方块组成的球体:

这一次,不是把算法变得复杂,而是重复修改输出的结果:

1、生成方块组成的球体。

2、给块赋予颜色(如,调整饱和度,然后根据对象围绕中心轴的位置来选择色相)。

3、改变方块的穿插。

4、只具现化在球体的某个部分的对象。

最终的结果完全不像个球体:

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Ugly Baby (from gamasutra)

这个简单的概念让我们感兴趣的有三点:首先,我们可以填入稍微不同的参数,就得到非常不同的几何体;其次,在《Ugly
Baby》中,我们可以把这些参数与音频关联,这样关卡的外观就会随着音乐改变;最后,修改路径独立于基础结构,所以我们只需对一些方块使用上述方法就可以得到完全新奇而(也许)有用的东西。

有希望,所以我们把这个办法规范了一下。《Ugly
Baby》的关卡生成器由三个模块组成:

1、定序器是产生球体、柱体、网格、圆柱等东西的模块。

2、选择器返回满足一系列条件的所有对象,如位于飞机的某一侧,或大于面包箱的所有对象。

3、更改器根据对象的特点使之发生变化。例如,根据位置改变颜色或根据方向缩放比例。

以上三个模块生效的结果如图:

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step 1(from gamasutra)

第1步:玩家会沿着线性路径飞行,所以我们先简单地制作一个柱体,其组成的方块沿着落下的中心轴。

代码:

# Instantiate the column:

sequencer_column = sequencer.Column()

queue = sequencer_column.iterate()

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step 2(from gamasutra)

第2步:这个关卡隧道有点像铁路射击游戏,所以我们再做一个更像隧道的隧道。我们将简单柱体置换出六个。这需要设置一些基本的参数,如方块与方块之间的垂直距离和围绕着中心轴的方块柱体的数量。

代码:

# Instantiate the cylinder:

sequencer_cylinder = sequencer.Cylinder(layer_delta=4, blocks=6)

queue = sequencer_cylinder.iterate()

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step 3(from gamasutra)

第3步:改变定序器生成的各个方块的大小。

代码:

# Change every piece’s scale:

mutator.scale(queue, [1, 4, 1])

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step 4(from gamaustra)

第4步:我们写了一个更改器,它可以使方块的一个面朝向Z轴,然后把这个属性赋予所有方块。

代码:

# Turn pieces to face the player’s falling (z) axis:

mutator.face_axis(queue)

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step 5(from gamasutra)

第5步:一个“Every-N”的选择器节点可以把填入其中的每N块抓出来。这里,我们希望每四个块选择一次,然后用更改器将其变为红色。

代码:

# Get a list of every 4th pieces that comes into the queue:

every_4th_piece = selector.every_n(queue, 4)

# Turn those pieces reddish:

mutator.set_color(every_4th_piece, [255, 32, 0])

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step 6(from gamasutra)

第6步:最后,在垂直距离上调整为曲线方向。

代码:

# Pan from -45..45 depending on a piece’s position along the player’s
falling axis:

mutator.cyclic_rotate(queue, freq=0.1, low=[-45, 0, 0], high=[45, 0,
0])

从这里开始,我们可以做到以下事情:

1、因为这些效果是各自分离的,我们可以将对象置换进或置换出。这种模块化操作可以帮助我们尝试新的东西和新的图案。

2、《Ugly
Baby》的画面与音乐相关。我们知道在音乐播放到某个点时玩家的所在,我们可以根据这一点,看音频信号构建对象。

例如,在音乐的高音部分压缩隧道或根据声音信号的高频部分改变块的颜色。

3、我们可以允许玩家调整某些值来创造他们自己的关卡。比如,他们不想要6根柱体,而要2根呢?或者,如果他们想让方块更肥大一点呢?

更改器参数上的小调整引起的关卡变化并不大。这里,我们只演示了柱体的数量和大小,以及组成柱体的基础模型:

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columns(from gamasutra)

我们又做了一些变体(如,下图左边的网格状的图案),然后组合起来(下图右边的网格再加上环状物)。

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more abstract things(from gamasutra)

对于抽象物体,这个方法很管用,但我们还想看看对于更有组织的结构,这个方法是否行得通。

用于有机模型制作的模块化方法

在《Ugly
Baby》中,我们用更有机的模型补充抽象的几何关卡设计。也就是说,我们在Maya中创造了一个图像的、基于节点的东西,叫作DING。以下是制作一只昆虫的过程。

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table1(from gamaustra)

我们首先生成一个圆柱。上图是两张截图——第一张是显示了图解(左边的节点创造了一个圆柱;右边的节点显示圆柱)。

第二张图显示了结果模型。DING创造几何体,Maya显示几何体(之后将它输入有文件格局(FBX))。

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table2(from gamasutra)

之后我们把圆柱调整成近似锥形体,有些地方做得肥大一点,有些地方做得瘦小一点。上图所示的是锥形体的侧视图——我们手动调整,先挤出胖的部分,再缩小面,再挤出细长的脚。

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table3(from gamasutra)

我们翻转节点(红色),将其调整成垂直方向,然后添加“环”节点,这样就做成了带6足的环状物。

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我们再添加球体结点,然后合并(布尔合并结点)到环状物上。这个东西有些像蜘蛛了。

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table5(from gamasutra)

在我们做尖尖的脚以前,要添加整个物体的轮廓线结点。这条轮廓线夹在整个模型的中间。我们还要对模型再细分,使它更平滑一些。

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table6(from gamaustra)

最后,沿着垂直轴压低前部。这东西现在看起来有点像一只遍虱。

因为模型不是在运行时生成的,所以它不会对音乐产生反应,而这是关卡构成的方式。但它确实达到了我们的两个目标,一方面它使我们能够快速制作有趣的内容(这个方法对我们团队当中不熟悉Maya的成员很管用),另一方面,它使我们可以做大量实验。因为所有这些操作都是无损的,所以我们可以增加或减少环状物的足数目,改变周线外形(如下图所示),或甚至置换出柱体或球形基本体。下一步,我们要做的是随机化。

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ticks(from gamasutra)

值得注意的是,基于图解的工具用途很多。我们对《Ugly
Baby》的关卡做抽象处理,然后实体化敌人,但在2011年的《Aaaaa!》,我们想要更写实的材质,因此我们使用了Spiral
Graphics出品的基于节点的Genetica(游戏邦注:这是一个制作无缝材质的编辑器)。

结论

虽然“模块化”的方法并不算新鲜,且联系节点也没有解决所有关卡生成的问题,如交叉对象或无意义的输出,但它帮助我们提高了效率,使我们在挑出无用的部分后仍然能得到有用的输出结果。

同样地,我们能够利用PCG的优势(更快的内容生成、动态内容、更小的占用空间和增加创意)同时回避它的缺点(避免大量代码,使代码便于管理等)。虽然PCG不是万灵药,但我们认为我们可以利用它成功地制作有趣的内容。

我们不是PCG的专家,但我们希望本文能给读者提供有益的参考。

via:游戏邦/gamerboom.com

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