V informatice je procedurální generace (nebo procedurální model ) tvorba digitálního obsahu (úroveň hry, 3D model, 2D kresby, animace, zvuk, hudba, příběh, dialogy) ve velkém měřítku (ve velkém množství), automatizovaný způsob reakce na soubor pravidel definovaných algoritmy . Procesní model, vychází z informací od algoritmu vytvořit.
Metoda procedurálního generování nachází uplatnění zejména v oblasti videoher a kina . V oblasti videoher existuje pojem umělecké tvorby i designu velkého obsahu, a proto je pojem procesní generace spojen s a posteriori kontrolou umělce, který upravuje prostředí ( simulace , modelování ) ( kontrolované náhodně ).
Generování procedur je kategorie technik modelování (další dvě jsou: počítačová simulace a modelování pomocí skic nebo úprav), které umožňují vytvoření soudržného virtuálního světa.
V roce 1871 navrhl Édouard Gand , textilní technik a inženýr z Amiens pomocí žakárského tkalcovského stavu , stroj na improvizaci vzorů látek, který nazýval transpositor nebo improvizátor tkanin. Tento stroj je uložen v Muzeu umění a řemesel (připojeném k Národní konzervatoři umění a řemesel ) v Paříži pod jménem automatického skladatele .
Ken Perlin navrhl v roce 1985 pseudonáhodnou funkci Perlin Noise, která se rychle stala nepostradatelným nástrojem ve všech oblastech generování procedur. Ken Musgrave poté navrhuje fraktální přístup pro generování procedur, zejména pro vytváření textur a terénů. Mnoho videohier jako Elite: Dangerous nebo No Man's Sky dnes používá procedurální generování k vytváření gigantických světů až do velikosti vesmíru. Několik komerčních softwarů nabízí použití procedurálního generování pro vytváření digitálního obsahu, například Houdini (software) nebo SpeedTree .
Vzhledem k tomu, že potřeba detailů a velikosti virtuálních světů je stále větší, je důležitým zájmem automatizace vytváření digitálního obsahu (procesním generováním nebo jinou technikou). Vytváření složitých krajin má za cíl přinést větší realismus, s přihlédnutím k interakcím mezi prvky, přizpůsobení jejich prostředí. Složité tvary zahrnují převisy, oblouky, jeskyně, vrstvy materiálu, hromádky kamene, městské a venkovské silnice a městské prostory atd.
Generování terénu má v generování procedur důležité místo díky své vizuální důležitosti ve všech měřítcích, od pozadí po popředí. Generace výšky mapuje ( výšková nebo heightfield ) vypadá na povrchu země, aby ji zastupovala ve dvou dimenzích, tedy s výjimkou prvků, jako jsou jeskyně, oblouky nebo převisy ve prospěch kompaktnější reprezentace v paměti. Objemové modely (často omezené na použití voxelů) mohou představovat všechny typy terénních prvků na Zemi za cenu vyšších nákladů na paměť.
Povrchový přístupModely povrchového terénu jsou založeny na výškových mapách. Tvar země je definován pravidelnou dvourozměrnou mřížkou, jejíž každý bod je spojen s výškou. První terény využívající tento model byly generovány fraktálním přístupem. Povrchový přístup umožňuje reprezentovat terény za nízké náklady na paměť, a proto je ve videohrách často preferovaným přístupem. Toto znázornění také umožňuje použití erozního algoritmu ( hydraulického nebo tepelného ), který je z geologického hlediska ústředním prvkem. Jedná se o model navržený v mnoha softwarech pro modelování terénu nebo virtuálních světů, jako je Unity (herní engine) , World Creator , World Machine nebo dokonce Instant Terra od Wysilab.
Toto zastoupení bylo předmětem mnoha výzkumů na akademické půdě a další informace lze najít v referencích.
Objemový přístupTerény založené na voxelech umožňují za cenu vyšších nákladů na paměť představovat rozmanitější terénní charakteristiky než modely povrchu. Několik prací upozorňujících na jeskyně , oblouky nebo převisy . Některé videohry jako Minecraft nebo Astroneer využívají při hraní takovéto struktury . Aby bylo možné použít ve velkém měřítku, musí být vyvinuto mnoho efektivních datových struktur, jako je octree .
Vegetaci a ekosystém definují všechny stromy a rostliny, které interagují s prostředím. Rostliny představují výzvu reprezentovat kvůli jejich složitosti prvků (kořeny, kmeny, větve, květiny, plody, listy). Existují různé techniky jejich vytváření s větvemi ( rozvětvením ) na každé úrovni nebo s použitím celulárních automatů k definování větví stromu. Realismus struktur rostlin je zejména možný díky diagramům struktur rostlin a květin v kombinaci s hierarchií plánů. Popínavé rostliny mohou být vytvářeny v závislosti na samotném prostředí, a ne již samostatně, řízením distribuce kořenů podle vody v půdě. Pro distribuci těchto prvků existuje několik prostředků: simulací růstu rostlin s konkurencí mezi nimi, mapou hustoty nebo metodou obkladů (efektivní pro velká měřítka, distribucí podle skupiny a duplikací) pomocí opakování instance. Další technikou je použití více fotografií pomocí simulace částic může generovat stromy s objemem voxelů.
Existují metody k animaci chování rostlin, které se dělí na dva cíle, hledají světlo a dobývají nejvíce prostoru. Jedním ze způsobů, jak simulovat ekosystém, je reprezentovat prvky s bodem a velikostí bodu, když se body dotýkají navzájem, je to největší rostlina, která zůstává, druhá zmizí, když dosáhne své střední délky života; a kombinovat to s pravidlem skupiny, které způsobí, že se stejná rodina rostlin usadí ve skupinách (tím, že se vedle ní objeví další druhy), a tím se rozmnoží druh. Tato metoda však není příliš reprezentativní, protože exkluzivní (v blízkosti velkého stromu není dovoleno střílet). Řízení tohoto procesu lze provádět pomocí map hustoty, které jsou funkcí distribuce vody a absorpční kapacity na rostlinu.
Městská krajina je tvořena sítí ulic, silnic s bloky budov, čtvrtí. Bylo provedeno několik prací pro automatické generování komplexních silničních sítí (pomocí algoritmu nejkratší cesty vážené prostředím) [1] [2] i vesnic [3]
Procedurální stínování je generování textur techniku.
Generování podle náčrtů spočívá v modelování při řízení tvaru reliéfu. To definuje důležité prvky (údolí, hřebeny), systém poté buduje půdu (generuje reliéf) ze stopy (linie pro údolí nebo hřebeny) hory spojené s jejími liniemi údolí nebo hřebenů, a kontrola a posteriori může být provedeno uživatelem.
Použití v hromadných videohrách, zejména v nezávislých videohrách, které umožňují splnit konkrétní očekávání hráčů, zejména opakovatelnost. Tato myšlenka je často spojena s aplikacemi pro syntézu obrázků a designem úrovní ve videohrách . Ve videohrách je procedurální generování aplikace řízené náhodnosti (nebo falešné náhodnosti ), která se řídí definovanými pravidly s cílem generovat něco jedinečného, ale zachovat konzistenci. Cílem je být schopen vytvořit velmi velké množství obsahu a zároveň zajistit konzistenci prostředí a dát mu jedinečný vzhled. Výzvou je z hlediska herního designu nabídnout nekonečné množství jedinečných úrovní při ovládání rovnováhy obtížnosti hráče. Generování objektů podle fragmentů umožňuje znásobit rozmanitost scén a jejich realismus.
Zvláštní omezení související s videohrami
Procesní generování v rámci videohry ukládá omezení používání této metody, vykreslování výpočtů procedurálního generování ve skutečnosti musí umožňovat zobrazení v reálném čase na obrazovce ( výstup ), v jinak to rozbije hráčovo ponoření do videohry ( zpoždění , chyba , závada , grafická chyba ).
Vývoj technologie ve videohrách Historické použitíPřed tím, než komplexní grafické rozhraní, Rogue-jako hry , jako Beneath Apple Manor (1978) a Rogue (herní) (1980), používané procesní generaci vybudovat kobkách zobrazena v ASCII znaky nebo systémů na bázi. Pravidelné dlaždice ( pravidelný tile- založené na systémech ). Hry, ve kterých generování procedur umožňuje generovat místnosti, chodby, příšery a poklady, které by hráč měl jako odměnu. Hry, jako je Snape , dodnes používají systém pro vytváření obsahu, protože umožňuje vývoji získat herní komplex, aniž byste museli trávit příliš mnoho času vytvořením světa ve hře.
První grafické počítačové hry byly omezeny silnými omezeními na množství paměti . To přimělo vývojáře k vytvoření obsahu - například map - který byl vygenerován algoritmicky : prostě nebylo dost místa pro uložení velkého množství úrovní a uměleckých děl (které měly být vytvořeny předem. Ruka). Generátory pseudonáhodných čísel se často používají ve spojení s hodnotami náhodného semene ( semene ), které se testují, aby se vytvořily obrovské herní světy, které se zdály být vyrobeny. U některých pseudonáhodných algoritmů, pokud se semeno nezmění, zůstává výsledek algoritmu stejný. Díky tomu je možné z jednoho čísla získat vždy stejný svět.
Je možné, že první hrou, která použila semínko pro světovou tvorbu, byla Akalabeth: World of Doom (1980) od Richarda Garriota , s použitím stejného semene se hráč mohl vždy vrátit na konkrétní místo na světě.
Sentinel , zasazený do krajiny fraktální generace, měl mít 10 000 různých úrovní uložených v pouhých 48 a 64 kilobajtech . Extrémním případem byla elita , u které se původně předpokládalo, že bude obsahovat celkem 2⁴⁸ (přibližně 282 000 000 000 000, 282 bilionů) galaxií s 256 solárními systémy. Vydavatel se však obával, že takový gigantický vesmír způsobí mezi hráči nedůvěru, a proto bylo pro finální verzi vybráno pouze osm z těchto galaxií.
Dalšími pozoruhodnými časnými příklady jsou hra Rescue on Fractalus! (1985), který se používá fraktály procesně vytvořit v reálném čase drsné hory cizí planety, nebo River raid (1982), od Activision , kteří používají sled čísel pseudo-náhodně generované pomocí registru na lineární posun zpětné vazby na generování labyrint překážek, které se posouvají po obrazovce.
Díky pokročilému hardwaru počítačového vybavení a přijetí na trh CD (které může obsahovat 682 MB (652 MB)) bylo možné uložit desítky tisíckrát více dat, než bylo možné v 80. letech , což bylo méně užitečné používat procedurální generování k budování velkých světů. Spíše obsah - například textury, modely postav a prostředí - vytvářejí umělci předem, aby byla zachována trvale vysoká kvalita obsahu.
Uložení jediného modelu do herní paměti - namísto vytváření více objektů pomocí podobných pokynů - umožňuje řadu podrobných modelů, které se každý výrazně liší. Ruční tvorba (jedinečného modelu) však implikuje existenci objektu omezeného počtem . Některé rané přístupy k procedurální tvorbě se pokusily tento problém vyřešit přesunutím zátěže generování obsahu z umělců na programátory, kteří mohou vytvořit kód, který pomocí vstupních parametrů automaticky generuje různé sítě.
Bylo uznáno, že použití čistě procedurálního modelu je často obtížné a přinejlepším vyžaduje obrovské množství času, než se vyvine ve funkční, použitelnou a realisticky vypadající metodu. Místo psaní postupu, který zcela konstruuje obsah, je současnou technikou používání této technologie - aby byla mnohem levnější a efektivnější - spoléhat se na umělce při tvorbě detailů. Například SpeedTree (in) je middleware používaný k procedurální generování široké škály stromů, což uživateli umožňuje měnit textury listů - z běžných souborů - pro reprezentaci digitálně získaných skutečných listů. Jiné hybridní metody mohou být účinné při generování obsahu s kombinovaným využitím předem navržených postupů a aplikací zkreslení.
Vezměte v úvahu, že jediný algoritmus může generovat realisticky vypadající strom, algoritmus by pak mohl být vyvolán ke generování náhodných stromů, čímž by vyplňoval celý les v reálném čase, místo aby ukládal všechny vrcholy vyžadované různými modely. To by ušetřilo úložný prostor a snížilo zátěž účinkujících a zároveň by poskytlo hráči podobnou úroveň ponoření. Tato metoda by vyžadovala mnohem více výpočetního výkonu, ale vzhledem ke zvýšení výkonu procesorů ( Mooreův zákon ) je stále méně překážkou.
Moderní využitíAčkoli moderní počítačové hry nemají stejná paměťová a hardwarová omezení jako předchozí hry, k vytváření náhodných her, map, úrovní, postav nebo jiných aspektů, které jsou pro každé použití jedinečné, se často používá generování procedur.
V roce 2004 byla vydána střílečka z pohledu první osoby .kkrieger , která je založena na intenzivním využívání procedurální syntézy: vizuální efekty, i když jsou poměrně krátké a velmi jednoduché, váží pouze 96 kb . Naopak, mnoho moderních her, které mají možnost být vydány na DVD médiu, často přesahují 2 gigabajty, což je 20 000krát větší velikost. Hra Naked Sky of RoboBlitz využívá generování procedur ke zmenšení úložného prostoru použitého hrou o méně než 50 MB. Tuto technologii využil také Spore od Willa Wrighta .
Generování procedur se často používá v kořenových systémech - jako v RPG nebo MMORPG . Zatímco úkoly mohou mít pevné odměny, další kořist, jako jsou zbraně a brnění, mohou být generovány pro hráče na základě několika parametrů, jako je úroveň postavy, úroveň hledání nebo výkon výzkumu atd. To často vede k odměnám vzácné kvality, které odrážejí systém generování předmětů s nadprůměrnými vlastnostmi. Například série Borderlands je založena na procedurálním generačním systému pro vytváření jedinečných zbraní a vybavení.
Mnoho her o přežití nebo otevřený svět používá procedurální generování k vytvoření světa se semínkem ( seed ), které umožňuje opětovné použití prostředí. Tyto generační systémy vytvářejí mnoho biomů ( na bázi voxelů nebo pixelů ) s rozpisem zdrojů, předmětů a tvorů. Přehrávač má často možnost upravit určité parametry generování. Mezi příklady těchto her patří Dwarf Fortress a Minecraft .
Procedurální generování se také používá ve hrách s velmi rozsáhlým otevřeným světem, zejména ve vesmírné opeře . Elite: Dangerous , využívá 400 miliard známých hvězd Mléčné dráhy jako základního světa, využívá také procedurální generování k simulaci planet v těchto solárních systémech. Infinity má mnohohvězdu procedurálně generovaných planet, mezi kterými může hráč cestovat vesmírnými loděmi. Outerra Anteworld je videohra, která využívá při vývoji procedurální generování dat z reálného světa k vytvoření virtuální repliky planety Země v životní velikosti. No Man's Sky má vesmír obsahující 18 kvintilionů planet, které byly všechny generovány procedurální generací, toto bylo také používáno pro generování terénu, počasí, flóry, fauny a pro řadu mimozemských vesmírných druhů. Jeho vesmír je generován použitím jediného náhodného počátečního čísla („ random seed “) jeho herního enginu, což zajišťuje, že hráči mohou stejnou planetu navštívit pouze s informacemi o jejím umístění.
Některé hry s režimem spolupráce využívají generování procedur k vytváření jedinečných zážitků pro hráče, které doplňují hru. Série Left 4 Dead , zasazená do post-apokalyptického světa, využívá režiséra AI, umělou inteligenci, která sleduje chování hráčů a pomáhá vytvořte dynamický zážitek, který hráče udrží v pohotovosti. Ten skutečně jedná tak, že vysílá zombie, když zjistí situaci důvěry hráče, nařídí zombie zaútočit na hráče střední úrovně a upravit jejich možné trasy. Podobné koncepty se používají pro hry jako Warhammer: End Times , Vermintide a Evolve .
V roce 2014 začal první Procjam , herní jam se specializací na generování procedurálního obsahu.
Generování procedur se ve filmu často používá k rychlému vytvoření vizuálně zajímavých a přesných prostor. To platí pro širokou škálu aplikací. Nejrozšířenější aplikací je „nedokonalá továrna“, kde umělci mohou rychle generovat velké množství podobných předmětů. Tento proces se provádí kvůli realismu, ve skutečném životě si dva objekty nikdy nejsou úplně podobné. Umělec může například vymodelovat produkt pro polici v obchodě s potravinami a poté může pomocí této metody vygenerovat velké množství podobných objektů k vyplnění police.
MASSIVE je špičkový počítačový program pro animaci a umělou inteligenci používaný k vytváření mnoha vizuálních efektů pro film a televizi. Byl vyvinut k automatickému generování vojáků - v bitvě, která měla stovky tisíc - v Pánovi prstenů .
Hluk Coherent ) může být velmi důležité pro procesní workflow pro film. Hluk Simplex je často rychlejší s méně artefaktů, ale starší funkce Perlin hluk mohou být také použity. Koherentní šum v tomto případě odkazuje na funkci, která generuje n- dimenzionální pseudonáhodnost .
Jednou z prvních her využívajících tuto technologii je hra Elite (vydaná v roce 1984), která umožňuje hráčům prozkoumat 8 galaxií obsahujících 256 solárních systémů nebo 2 500 světů, které jsou všechny uloženy na 20 kB disketě paměti. Tato hra používá přesné matematické vzorce, jako je Fibonacciho posloupnost (vytvořená matematiky Leonardem Fibonaccim v roce 1202). Ve hře Minecraft je procedurální generování jedním z prvků jádra vývojového procesu Notche pro jeho hru, který postupně dodává lepší konzistenci vesmíru a větší rozmanitost (tvorba biomů, různé doby, řeky, vesnice, žaláře atd.) . No Man's Sky používá procedurální generování pro terény planet a jména planet, lodí, rostlin, zvířat, míst, systémů a křestních jmen nejinteligentnějších tvorů (Korvax, Gek, Vy'keen a někteří cestovatelé).
Pozoruhodné videohry využívající procedurální generování:
Aplikace na videohry