Programování herní logiky

Účel a kontext: programování herní logiky a fyziky

Herní logika a fyzika tvoří jádro herního zážitku. Zajišťují interakce entit, pravidla světa, pohyb a kolize, ale i jemné nuance jako tření, odrazivost či zásady pro AI. Cílem článku je poskytnout systematický přehled architektur, technik a postupů pro spolehlivý, deterministický a výkonný běh herní logiky a fyziky napříč singleplayerem i multiplayerem.

Herní smyčka a řízení času

• Game loop: typicky pořadí Input → Update (Logic/Physics) → Render. Důležité je řízení delta time a priorita update kroků.
• Fixed timestep: fyziku aktualizujte s pevným krokem (např. 60 Hz či 120 Hz) a renderujte s proměnným krokem; mezi stavy interpolujte.
• Accumulator: sbírá čas a provádí více fyzikálních subkroků v jedné snímkové iteraci, aby se eliminovaly skoky a nestabilita.
• Time scaling: zpomalení/urychlení vyžaduje škálování sil a tlumení; u animací preferujte časové křivky místo pouhého násobení delta.

Architektura herní logiky: ECS, stavy a události

• ECS (Entity–Component–System): entity jsou ID, komponenty nesou data (pozice, rychlost, zdraví), systémy provádějí transformace nad archetypy komponent; podporuje škálování a cache locality.
• Stavové automaty: pro postavy, interakce, UI. Předcházejí explozím if-else, zvyšují čitelnost; pro komplexnější chování zvažte behavior trees či GOAP.
• Event bus: asynchronní předávání událostí (kolize, vypršení buffu). Dbejte na backpressure, prioritizaci a omezení alokací.

Determinismus a numerika

• Determinismus: zásadní pro replikaci a rollback. Minimalizujte nedeterministické zdroje (nenačtené pořadí iterací, unordered kontejnery, různá přesnost FPU).
• Plovoucí čárka: rozdíly mezi CPU/GPU, 32 vs. 64 bit mohou způsobit divergence. Pro lockstep síťování často používejte fixed-point nebo striktní FPU režim.
• Náhodnost: deterministický PRNG se sdíleným seedem; žádné volání časovače uvnitř simulačních kroků.

Model fyziky: rigidní těla, kinematika a senzory

• Typy těl: dynamické (simulované), statické (nepohyblivé), kinematické (řízené logikou). Kombinací docílíte realistických scén.
• Kolizní tvary: konvexní polygony/polyedra, sféry, kapsle, AABB/OBB; pro přesnost vs. výkon volte vhodný mix.
• Senzory/trigger zóny: nefyzikální objemy pro detekci vstupů/událostí bez řešení kontaktu.

Kolizní detekce: broadphase a narrowphase

• Broadphase: rychlé kandidáty kolizí pomocí sweep-and-prune, mřížek, quadtree/octree nebo BVH; primárně pracuje s AABB.
• Narrowphase: přesné testy tvarů (GJK/EPA pro konvexní tvary, SAT pro polygony). Výstupem je contact manifold s normálou, penetrací a kontaktními body.
• CCD (Continuous): zabrání „tunnelingu“ rychlých objektů (raycast/sweep k predikci prvního kontaktu).

Integrace pohybu: stabilita a přesnost

• Symplectic (semi-implicit) Euler: standard pro hry (dostatečně stabilní a levný); upřednostněte před explicitním Eulerem.
• Verlet/Position-Based: oblíbené u látkových simulací a částic, dobrá stabilita pro restrikce na pozicích.
• RK4: přesnější, ale dražší; vhodné pro specifické systémy (orbity, jemné pohyby).
• Tlumení: implementujte fyzikálně uvěřitelně (exponenciální damping přepočtený na fixed timestep).

Řešení kontaktů a kloubů

• Kontakt: iterativní řešiče (sequential impulse) aplikují impulzy k odstranění penetrace a zachování zákona zachování hybnosti.
• Tření a restituce: Coulombův model pro tření (statické/kinetické), koeficient odrazivosti pro elasticitu; pozor na numerickou nestabilitu u malých hmotností.
• Klouby/omezení: prismatic, revolute, distance, cone; stabilita závisí na teoretických „erp/cfm“ parametrech a iteracích solveru.
• Stacking: řešení ostrovů (island management), warm starting, sleeping pro úsporu výkonu.

Materiály a parametrizace

• Materiálové páry: tabulka kombinací (guma–asfalt, kov–led) určuje tření a restituci; umožní konzistentní chování napříč scénami.
• Škálování: držte jednotky (m, kg, s) v realistickém rozsahu; nepřiměřené škály vedou k chvění a nestabilitě solveru.

AI a herní logika ve fyzikálním světě

• Pathfinding: navmesh pro komplexní scény; dynamické překážky synchronizujte s fyzikou (časově posunuté „obrysové“ collidery).
• Řízení pohybu: steering (seek, arrive, obstacle avoidance) kombinujte s predikcí kolizí; u postav obvykle kinematické řízení + kolizní kapsle.
• Behavior trees/GOAP: oddělte rozhodování od fyzikální exekuce; validujte feasibility akce proti fyzikálním stavům.

Animace a fyzika: kooperační řízení

• Animace řízená fyzikou: ragdoll blending, animation-driven root motion validovaný fyzikou.
• IK: inverzní kinematika pro nohy/rukávy držící kontakt s povrchy; kolizní testy pro pozice koncových efektorů.
• Predikce: pro reaktivní animace predikujte budoucí pozici cíle/fyzikálního objektu (krátký horizont podle rychlosti).

Multiplayer: autorita, replikace a rollback

• Autoritativní server: server simuluje „pravdu“, klient predikuje a serverově koriguje; minimalizuje cheaty.
• Lockstep: deterministická logika se sdílenými vstupy (RTS); náročná na determinismus a synchronizaci.
• Rollback netcode: klient simuluje dopředu, při doručení stavu se přehrává historie s opravou; vyžaduje state snapshots a čisté side-effecty.
• Replikace: delta komprese a prioritizace entit; u fyziky posílejte state with correction místo kontinuálních sil.

Prostorové struktury a optimalizace

• Spatial partitioning: mřížky, BVH, quad/octree pro dotazy nejbližších objektů, střelby, audio occlusion.
• SoA vs. AoS: Structure of Arrays zlepšuje cache a SIMD pro fyzikální systémy a ECS.
• SIMD: vektorizace kolizí (sférické testy, AABB), batchování paprsků, minimalizace větvení.
• Job systém: rozdělení update na nezávislé úlohy; fyzika často vyžaduje fázování (broadphase → pairs → narrowphase → solve).

Stabilita a robustnost simulace

• Clamping: omezte extrémní rychlosti a rotace; zabraňte naakumulovaným chybám.
• Substeps: při vysokých rychlostech či malých objektech navyšte počet subkroků jen pro dotčené entity.
• Sleeping: uspávejte klidná těla; reaktivujte na impuls/kolizi.

Testování a validace

• Golden scénáře: pád kostky, houpání kyvadla, skluz po nakloněné rovině; měřte odchylky od očekávaných trajektorií.
• Property/invariant testy: zachování energie v toleranci, omezení penetrace, hranice rychlostí.
• Debug vizualizace: debug draw pro kolizní tvary, normály, kontakty, AABB; overlay solver iterací.
• Determinism replay: přehrání stejného vstupu na různých strojích; hashování stavu pro porovnání.

Nástroje a pipeline

• Profilery: identifikace horkých míst (narrowphase, alokace) a cache miss; časové osy pro latence systémů.
• Editorové nástroje: živé ladění materiálů, hmotností, tření; playback fyzikálních scén ve vývojovém nástroji.
• Telemetry: logování pádů/stability u hráčů; sběr neobvyklých rychlostí/penetrací k dalšímu ladění.

Paměť a alokace

• Pool allocators: předalokujte kontakty, páry a dočasné buffery; vyhněte se heap thrashingu v runtime.
• Frame arena: bump alokátor pro dočasná data v jednom snímku; reset na konci.
• Předvídatelnost: v konzolích pevné rozpočty; monitorujte memory watermarky a fragmentaci.

Data-driven design a ladění parametrů

• Tuning: koeficienty tření, restituci, síly, tlumení exponujte v datech; umožněte křivky dle rychlosti a materiálových párů.
• Verzování: změna parametrů ovlivňuje replaye a síťové deterministické běhy – pamatujte na kompatibilitu.

Přístupnost a hratelnost ve fyzikálně řízených hrách

• Asistence: automatické zarovnání skoku, magnetické uchopení (snap zóny), omezení rotace pro hráče.
• Stabilita ovládání: filtrace vstupů, mrtvé zóny, predikce a smoothing pro zařízení s šumem.

Anticheat a integrita simulace

• Autorita serveru: kontrola fyzikálních výsledků a zásadních interakcí; klient jen navrhuje.
• Sanity checks: limity sil/rychlostí, detekce anomální energie; server odmítne nevalidní stavy.
• Obfuskace klienta: nezabrání prolamování, ale zvyšuje náklady; kritická logika musí být ověřena serverem.

Tabulka: kompromisy fyziky vs. hratelnosti

Checklist pro produkční kvalitu

• Pevný fyzikální timestep, interpolace renderu, accumulator.
• Deterministický PRNG a test replaye; hash stavu.
• Broadphase optimalizovaná pro scénu, CCD pro kritické objekty.
• Materiálové tabulky a validní jednotky (m–kg–s).
• Profiling a job systém; minimalizace alokací v runtime.
• Debug vizualizace kontaktů, normál, AABB; logging anomálií.
• Multiplayer: predikce, korekce, rollback nebo lockstep dle žánru.

Závěr

Programování herní logiky a fyziky je o hledání rovnováhy mezi přesností, výkonem a hratelností. Pevný krok, deterministická numerika, promyšlená kolizní pipeline a iterativní řešení kontaktů jsou základy. Nad nimi staví data-driven logika, AI, animace a síťový model. Úspěšné projekty volí jednoduché a stabilní přístupy tam, kde to stačí, a přesnost i složitost nasazují jen tam, kde přinášejí skutečný herní přínos.