Análisis Práctico

Un análisis práctico de las FSM en el dominio de los juegos de acción en primera persona (FPS)

La intención de esta sección es usar un juego de ordenador para ilustrar los trabajos conceptuales de una FSM basada en una práctica aunque teórica implementación. No intentaré proveer ideas exactas de como el juego de ordenador funciona o si quiera demasiadas especificaciones (código) de la implementación del juego. Las FSMs discutidas en esta sección han sido implementadas, verificadas y lanzadas en código en producción, ofreciendo un ejemplo del mundo real en el dominio de los juegos de acción en primera persona ^{[8] [9]}.

Esta sección ofrecerá dos ejemplos de máquinas de estados finitos del juego FPS creado por id Software ^[6] llamado Quake. La otra razón para tomar esta decisión ha sido que en el momento en que fue comercializado, era un juego de última generación y su código fue licenciado por otras compañías que produjeron juegos tan populares como Unreal y Half-Life, aumentando así el éxito del producto original.

Vamos a empezar con el análisis de algo sencillo. Veremos como incluso estudiando los estados de un proyectil simple como un misil podemos aprender mucho sobre la naturaleza de las FSMs. No digo que sea ningún experto en el código de Quake (esta es mi primera excursión por él), así que perdonad me si mi interpretación basada en el código no es completamente exacta.

Un misil en Quake es un proyectil disparado por el arma Lanzadora de Misiles que puede ser poseída y operada por un jugador humano.

Figura 2.1: Representación de la transición de estados de un proyectil misil de Quake.

En lugar de restringirme a mi mismo y de paso confundir al lector usando una notación formal como las mencionadas en la primera sección de este documento, la máquina de estados finitos ha sido representando usando un acercamiento muy similar al de un Diagrama de Transiciones de Estado. Las cajas azules son los estados, las naranjas los disparadores y las flechas las transiciones de estado. La cajas negras muestran el punto de entrada y de salida del sistema.

El diagrama muestra el ciclo de vida completo del misil en el juego. Es interesante darse cuenta que el proyectil aparece como producto de una acción de otra FSM, concretamente la del "lanzador de misiles" desde su acción "disparar".  Cuando la instancia del misil muere se elimina del juego y deja de existir.

Esta presentación es una implementación subjetiva del código. Otra representación válida podría romper el "estado tocado" más profundamente en los estados de tocada y explosión. Personalmente veo la explosión como una acción o efecto realizado por el objeto misil en su estado tocado.

Otra nota interesante es que cuando el proyectil está en estado tocado, uno de sus efecto es intentar dañar a todo aquello que esté a tocar. Si ha conseguido dañar otra entidad en el mundo del juego, la acción de dañar se convertirá en la entrada que activará algún cambio de estado en la entidad afectada.

Quake hace uso extensivo de FSMs como mecanismos de control que gobiernan las entidades que existen en el mundo del juego. Esto se realiza así gracias a un interesante framework que está estrechamente relacionado en la manera que la FSM funciona en el juego. Para ver más información sobre el framework, por favor, mira la sección tres.

Vamos a mirar una FSM algo más avanzada de Quake. Un Shambler es una entidad monstruo grande y malo del componente single player (un jugador) de Quake. Su misión en la vida es matar jugadores, una vez que los ha localizado.

Figura 2.2: Transición de estados representando el monstruo Shambler de Quake.

Como el misil, esta entidad tiene un estado inicial (estado engendrado), y el sistema finaliza cuando la entidad muera (estado muerto). Solo existen cuatro estados principales, pero el Shambler es un buen ejemplo que ilustra la capacidad de tener una jerarquía de sub-estados. Aunque los sub-estados de este ejemplo pueden ser considerados como acciones del "estado atacando", también son sub-estados ya que el monstruo solo puede realizar uno (o estar en uno) de ellos por cada ejecución del estado atacando.

Cuando en el estado atacando la instancia de Shambler toma una decisión basada en la evaluación de las entradas para realizar un ataque de estilo tumulto (cercano) o misil (larga distancia). Al seleccionar un ataque de estilo tumulto (estado atacando tumulto), las entradas se continúan evaluando con un número al azar para seleccionar el tipo de ataque tumulto (aplastar con los dos brazos, aplastar con el brazo izquierdo o abrazar con el brazo derecho).

El uso de un número aleatorio en la selección del sub-estado del ataque tumulto añade un nivel de impredecibilidad a la selección. Cada nivel en la jerarquía puede ser considerado como una sub-máquina de estados finitos de una entidad monstruo mayor, y en este caso la sub-FSM del estado ataque estilo tumulto puede ser clasificado como no-determinista.

Es importante comprender el uso de FSM en capas o jerarquía, porque cuando se usan, como se hace en el monstruo Shambler, permiten comportamientos mucho más complejos. Esta técnica es usada con mucha frecuencia en Quake por todas las entidades del mundo del juego. Por ello mucho se ha hecho una abstracción de mucho código para ser usado fácilmente en diferentes lugares o acciones como movimiento o evaluación de visibilidad.

He simplificado este ejemplo para que resulte más legible. Un ejemplo de ello está en los activadores que causan la transición de estados. Cuando ocurre una transición de estado de "estado ataque" a "estado inactivo" el activador ha sido simplificado como "perdido objetivo". Es cierto que la transición ocurre por el hecho de perder la entidad objetivo, pero un objetivo puede ser perdido por el Shambler de diferentes maneras que se evalúan en diferentes puntos del código, incluyendo un time-out de otra entidad.

Otro punto clave referente a este ejemplo es el uso de objetivos como principal motivador para la FSM. Esta técnica no ha sido discutida, aunque es un ejemplo del poder y flexibilidad de una FSM como técnica de control. Existe una jerarquía de máquinas de estados finitos, la FSM de más alto nivel se guía por el deseo de la entidad de localizar su objetivo y atacarlo. El objetivo es usualmente un jugador humano pero incluso puede ser un monstruo del mundo del juego. Debe tenerse en cuenta que mientras el monstruo está en el estado inactivo, mientras está simplemente vagando sigue buscando objetivos.

Quake no provee la mejor experiencia single player imaginable, pero fue y sigue siendo un juego divertido y adictivo, ambos atributos claves para el éxito de un juego. Es un buen ejemplo y una buena herramienta de aprendizaje que puede enseñar la capacidad tanto de máquinas de estados finitos muy simples como de FSM más complejas construidas con una jerarquía de FSM y motivadas por objetivos, como el monstruo Shambler.

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