Застосування клітинних автоматів в GameDev
Вантажиться...
Дата
2022
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Актуальність. Клітинні автомати були відкриті у 1940-х роках, але не набули поширеності та популярності до 1970-х років. Перш за все це зумовлено тим, що раніше обчислювальна потужність компʼютерів та обчислювальних систем не була достатньою для проведення досліджень клітинних автоматів. Наразі розвиток технологій надає можливість широко застосовувати КА та проводити дослідження навіть багатовимірних клітинних автоматів.
Розвиток клітинних автоматів впливає на розвиток таких предметних галузей наук, як теорія автоматів та алгоритмів, теорія шри та математичне моделювання, алгебра та теорія чисел, теорія ймовірності та математична статистика, комбінаторика та теорія графів, фрактальна геометрія, чисельна математика, теорія прийняття рішень та математичне моделювання.
Алгоритми побудови структури клітинного автомату маю свої аналоги в таких дисциплінах, як:
- кібернетика - КА є вдалою спробою Конвея доказати існування простих самовідтворюємих систем;
- біологія - неймовірна зовнішня подібність до розвитку популяцій примітивних організмів;
- фізіологія - народження та загибель клітин у КА є подібним до нейронних імпульсів, а також схожі на появу імпульсів у нервовій системі багатоклітинних організмів;
- астрономія - еволюція деяких складних колоній неймовірним способом схематично відтворює етапи розвитку спіралеподібних галактик;
- фізика твердого тіла - КА застосовуються для аналізу диффузії, в’язкості, теплопровідності та “явищ переносу” в цілому;
- квантова фізика - поведінка КА є подібною до процесів, що відбуваються при зіткненні елементарних частинок;
- електротехніка - моделювання самовідновлюючихся електро ланцюгів;
- хімія - конфігурації, подібні до гри, виникають під час хімічних реакцій на поверхні, зокрема у експериментах Шакаєвої виникають молекулярні конструкції, які рухаються подібно “планеру” з гри “Життя”. Також відбуваються спроби пояснити періодичні хімічні реакції за допомогою багатовимірних КА. Використання в супрамолекулярнії хімії, яка вивчає самоорганізацію елементарних частинок;
- соціологія - вивчення процесів домінації, витіснення, поглинання, співіснування, злиття та знищення популяцій схоже до явищ, які відбуваються при взаємодії великих, середніх і малих соціальних груп;
- філософія - наведений список прикладів знову наводить на думку, що у Всесвіті все розвивається за одними і тими самими декількома фундаментальними законами, які ще не є досліджені людиною.
Тривимірні клітинні автомати, що представляють собою модель найбільш близьку до реального світу, викликають великий інтерес як з точки зору досліджень, так і для практичних потреб. Складність роботи з тривимірними КА полягає у необхідності сильної оптимізації процесів розрахунку та зберігання стану системи, адже з додаванням вимірів сильно зростає навантаження на обчислення. Також важливо мати достатні та зручні інструменти для перегляду системи, адже при роботі з тривимірними клітинними автоматами ми маємо відображати проекцію тривимірного обʼєкта на двовимірній площині екрану.
Клітинні автомати застосовуються у багатьох різних сферах: моделювання фізичних і хімічних процесів, явищ, моделювання поведінки, генерація обʼєктів, отримання псевдовипадкових послідовностей, ігрова індустрія і багато інших.
В наші дні ігри займають велику частину нашого життя і сама ігрова індустрія набула значного розвитку та використовується дедалі частіше і ширше. Ігри використовуються для гейміфікації навчання, проведення деяких досліджень, у торговельній сфері, охороні здоровʼя, армії, для розвитку психічного, фізичного та соціального потенціалу. Отже сфера використання ігор давно вийшла за межі лише розваг і швидко розширюється.
Для створення ігор, серед іншого, розробники мають розробляти ігрові локації, генерувати випадкові структури, моделювати поведінку та використовувати випадкові числа. З вирішенням цих та інших задач можуть допомагати клітинні автомати і вони вже використовуються.
Клітинні автомати допомагають генерувати двовимірні та тривимірні печери, розподіляти біоми по ігровому світу, моделювати поведінку та взаємодію між персонажами та ігровими процесами. Двовимірні КА, які є доволі дослідженими, можна більш точно та оптимально застосовувати, але тривимірні автомати, хоч і застосовуються, мають потенціал до оптимізації та покращення використання. Це потребує більш досконалого вивчення самих тривимірних клітинних автоматів та їх можливостей.
Метою дослідження є розробка програмного забезпечення для генерації тривимірних клітинних автоматів, що відповідає потребам науковців та забезпечує потреби ігрової індустрії.
Для досягнення поставленої мети необхідно виконати наступні завдання:
- Проаналізувати використання КА в ігрових застосунках. Встановити переваги та недоліки такого використання.
- Встановити проблеми реалізації КА та навести можливі їх рішення;
- Розробити програмне забезпечення GameDev з використанням КА, що забезпечувало б наступні можливості:
- Варіативність правил генерації.
- Задання початкового стану системи, реалізація можливості зберігати та завантажувати симуляції.
- Візуалізація та зміна поточного стану системи завдяки використанню двомірних перерізів за трьома площинами.
- Перегляд та відстежування проміжних кроків генерації, встановлення кінцевого стану системи за допомогою циклів та повторів симуляції.
- Доступність для будь-якої платформи.
- За допомогою розробленого ПЗ дослідити процес переходу структури тривимірного клітинного автомату до стабільного положення.
Об’єктом дослідження є тривимірні клітинні автомати.
Предметом дослідження є ігрові застосунки
Методи дослідження: методи еволюції клітинних автоматів; обчислювальної математики та комп’ютерної графіки.
Наукова новизна:
− досліджено перехід тривимірних КА до стабільного стану;
− вдосконалено методи дослідження еволюції тривимірних КА;
− запропоновані нові способи генерації тривимірних об’єктів та структур.
Практичне значення отриманих результатів:
− розроблено програмне забезпечення, що реалізує основні функції по реалізації еволюції тривимірних автоматів;
− розроблено засоби перегляду стану та структури системи КА під час еволюції.
Публікації.
1. Залевська О.В., Ванін В.В., Мішин М.Є. Недоліки та переваги застосунків для побудови тривимірних клітинних автоматів (2022), Прикладна геометрія та інженерна графіка, Вип. 103
Структура і обсяг дипломної роботи. Магістерська дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновку, переліку посилань з 10 найменувань, 1 додаток, і містить 13 рисунків, 32 таблиці. Повний обсяг магістерської дисертації складає 106 сторінок.
Опис
Під час виконання роботи було досліджено тему застосування клітинних автоматів у ігровій індустрії, а також розроблено програмне забезпечення для роботи з тривимірними клітинними автоматами.
1. Проаналізовано використання КА в ігрових застосунках та встановлено переваги та недоліки такого використання.
2. Встановлено проблеми реалізації КА та наведено можливі рішення.
3. Розроблено програмне забезпечення GameDev з використанням КА.
4. За допомогою розробленого ПЗ досліджено процес переходу структури тривимірного клітинного автомату до стабільного положення.
5. Розроблено інтерфейс для зручної роботи з тривимірними клітинними автоматами.
6. Нові дослідження можна спрямувати на вдосконалення системи шляхом розширення функціоналу програми, підтримкою замкненого та нескінченного простору, різнокольорових клітин.
Ключові слова
клітинний автомат, еволюція, тривимірність, ігрові застосунки, динамічна система, cellular automata, three-dimensionality, game applications, dynamic system
Бібліографічний опис
Мішин, М. Є. Застосування клітинних автоматів в GameDev : магістерська дис. : 121 Інженерія програмного забезпечення / Мішин Михайло Євгенович. – Київ, 2022. – 122 с.