The development of video games is a complex task due to the large amount of knowledge it requires in terms of design and programming. In particular, the specification of the behavior of the elements of a game is one of the factors that most increase its complexity. In this sense, there are a variety of game engines with numerous features and programming languages, including complex visual programming systems. With the intention of raising an alternative and reduce the complexity of current systems, presents a small programming language capable of defining any algorithm to specify the behaviors of the elements that make up the games. The dentition of the language has been based on the theorem of structured programming and its derived studies, taking as reference the While language. The ultimate goal of this work is to validate the expressiveness of language and demonstrate theoretically that allows to create the mechanics of any arcade game. For its validation, have been implemented multiple games with different mechanics, having successfully completed all the games that have been proposed so far.
El desarrollo de videojuegos implica el conocimiento de un lenguaje de
programacion. Actualmente existen multiples entornos con los que desarrollar juegos:
desde aplicaciones comerciales tan potentes como Unity o Unreal, pasando por
proyectos colaborativos de codigo libre como Godot, hasta librer as de codigo
como PlayCanvas, Threejs o Babylon [
Una caracter stica que comparten todos estos motores es la tendencia a
integrar nuevas tecnicas y procedimientos en sus entornos de desarrollo haciendo
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realmente complicado utilizar todo el potencial que proporcionan sin ser un
programador experto. A esto se le an~ade la existencia de multiples patrones de
disen~o y programacion de juegos [
Con la intencion de establecer una referencia para los lenguajes de especi
cacion de la logica de los videojuegos, este trabajo presenta un pequen~o lenguaje
de programacion capaz de de nir algoritmos que describan mecanicas clasicas
en el desarrollo de videojuegos. Para ello se parte del teorema de programacion
estructurada [
El objetivo del trabajo es demostrar teoricamente que el lenguaje propuesto permite crear cualquier tipo de algoritmo asociado a los elementos de un videojuego, as como validar su expresividad en la practica mediante la implementacion de diversas mecanicas clasicas de juegos arcade.
A modo de resumen, este documento se organiza de la siguiente manera. En primer lugar, en la seccion 2, se presenta el estudio realizado sobre el estado del arte en programacion estructurada y programacion de juegos. A continuacion, en la seccion 3, se detalla el contexto en el que ha sido de nido el lenguaje. En la seccion 4, se desarrolla su sintaxis y su semantica. Posteriormente, en la seccion 5, se plantea la descripcion de una serie de mecanicas de juego con el lenguaje a modo de caso de uso y de resultados del trabajo realizado. Finalmente, en la seccion 6, se presentan las conclusiones al estudio y las posibles v as de trabajo en el futuro. 2
Este trabajo trata de alcanzar un sistema m nimo para la de nicion de la logica
en videojuegos. Para ello, la investigacion se centra en el estudio de la literatura
sobre teor a de lenguajes de programacion y la programacion estructurada [
El teorema del programa estructurado, tambien llamado teorema de
BohmJacopini [
En los an~os sucesivos, la programacion estructurada ha dado lugar a multitud
de trabajos de campo, incluyendo una aproximacion del concepto a las maquinas
de Turing [
El contexto de este trabajo se centra sobre la aplicacion de estos
conocimientos sobre el desarrollo de juegos, y concretamente sobre el scripting. El scripting
en videojuegos esta considerado como un metodo de gestion para eventos y
comportamientos espec cos [
Los lenguajes de scripting que suelen utilizarse para la de nicion de la logica
proporcionan una capa de abstraccion sobre los sistemas que gestionan los juegos
en los dispositivos, normalmente controlados por lenguajes como C o C++. Es
decir, estan orientados a facilitar la programacion, a menudo a costa de afectar
al rendimiento del juego en tiempo de ejecucion [
Durante la ultima decada, se ha observado una tendencia en los motores de
juegos hacia el uso de lenguajes de scripting genericos, desplazando a los
lenguajes propios de los sistemas de desarrollo de juegos. Actualmente, los lenguajes
mas utilizados son C#, Python y JavaScript [
A continuacion, se propone un lenguaje como punto medio entre la simbolog a abstracta de nivel formal y los lenguajes de scripting para juegos de alto nivel. 3
El lenguaje de programacion que se va a de nir tiene proposito general. Sin
embargo, ha sido descrito sobre un motor de juegos con un modelo de datos
basado en sistemas multiagente [
Para de nir los comportamientos de los objetos del juego (agentes) tras
sus interacciones con su entorno, se ha creado un lenguaje capaz de describir
cualquier algoritmo, partiendo del teorema del programa estructurado [
Por otro lado, el teorema del programa estructurado tiene una version que
se adapta muy bien al patron de disen~o de juegos del bucle de juego, conocido
como Game Loop [
De esta forma, el lenguaje que se presenta solo va a incluir dos estructuras
logicas: la secuencia y la seleccion, ya que el bucle de juego forma parte del
sistema. La eliminacion de los bucles dentro del lenguaje no supone ningun
problema en cuanto a la capacidad algor tmica de lenguaje y ya ha sido utilizada en
otros contexto como en las algebras de evolucion donde se utiliza como
constructores de sus reglas tambien, la secuencia y la condicion [
La de nicion del comportamiento de los agentes y la logica del juego se
realizara mediante scripts implementados en el nuevo lenguaje que se propone.
El motor evaluara todos los scripts de los agentes del juego de manera secuencial
mediante un unico bucle iterativo WHILE-DO. Tras la evaluacion de la logica, el
motor actualizara el estado del entorno y procedera a depurar las altas y bajas
de agentes, as como el cambio de escenas o el nal del juego. El bucle (y por lo
tanto el juego) se ejecutara mientras la condicion de salida del juego sea falsa[
4.1
A partir de este modelo, el lenguaje resultante establece una estructura para la
composicion de la logica que se evalua en un bucle iterativo continuo, el game
loop. Esta sintaxis seguira el esquema de la notacion de Backus-Naur [
Estas variables categoricas pueden ser complementadas con sub ndices del modo a1, a2, a3 o S1, S2.
A partir de estos elementos se de ne la sintaxis abstracta para generar las expresiones aritmeticas, las expresiones booleanas y los comandos del lenguaje, obteniendo la siguiente estructura sintactica: { a ::= n j x j f (a) j a1 + a2 j a1 - a2 j a1 * a2 j a1 / a2 { b ::= true j f alse j x j a1 < a2 j a1 a2 j a1 = a2 j a1
a1 6= a2 j :b { S ::= x1 := a1 j x1 := b1 j S1; S2; j if b1 then S1 else S2 a2 j a1 > a2 j
Por lo tanto, las expresiones aritmeticas a se pueden componer mediante literales numericos n, variables x como referencias a propiedades del juego o de los objetos del juego, y por funciones f (a) tales como el valor absoluto, valores aleatorios o operaciones trigonometricas.
En cuanto a las expresiones booleanas b solo tienen una de las siguientes formas. Diremos que tienen un elemento basico si es true, f alse o x, siendo x una variable booleana, o tiene la formas relacionales como a1 = a2 o a1 a2 donde a1 y a2 son expresiones aritmeticas. Diremos que tiene un elemento compuesto si tiene la forma :b, donde b es una expresion booleana.
Esta especi cacion de ne la sintaxis abstracta del lenguaje y simplemente indica como construir expresiones aritmeticas, booleanas y sentencias en el lenguaje. 4.2
A un nivel semantico, el lenguaje se apoya fundamentalmente sobre las expresiones, tanto aritmeticas como booleanas, y a su vez en comandos construidos mediante dichas expresiones. Los comandos se ejecutan en cada iteracion del ciclo de juego evaluando el contenido de su expresion.
Estos comandos tienen la capacidad de transformar el estado del entorno
del juego, as como de las propiedades del mismo y de los objetos del juego
que lo componen. Estas transformaciones se realizan siguiendo el modelo de
persistencia de informacion que se utiliza en bases de datos [
new gameObject
Mientras que para realizar una baja, el lenguaje incluye el operador delete. Con esto, el sistema eliminara del modelo de datos el objeto que se le indique.
delete gameObject
Como cualquier otro lenguaje, las consultas a las propiedades se realiza mediante la llamada a las variables que representan la informacion del juego. Mientras que el caso de las modi caciones se realiza a partir de la asignacion del resultado de la evaluacion de una expresion a una variable que representa una propiedad del juego o de uno de sus elementos.
x1 := x1 + 1
Donde x1 es una variable que representa una propiedad y x1 +1 una expresion aritmetica.
Por otro lado, con el objetivo de elevar el nivel de abstraccion del lenguaje, es posible generar conjuntos de comandos con propositos espec cos para el desarrollo de juegos. Por ejemplo para cambiar las propiedades de los objetos del juego, o para determinar si se ha producido una colision entre dos objetos.
Del analisis de las expresiones y sus combinaciones se obtienen dos categor as: de accion y de condicion. La primera derivada de las estructuras de asignacion o modi caciones, y la segunda de las estructuras de seleccion. Los comandos de accion son aquellos que realizan acciones sobre los datos del juego. Los comandos de condicion son aquellos que evaluan la relacion entre parametros. Un ejemplo de una expresion de accion es el siguiente: x1 + n1 + abs(n2 + sqrt(x2)) Mientras que una expresion de condicion podr a tener la siguiente apariencia:
A partir de estas operaciones, el lenguaje presenta una semantica que se organiza en base a dos estructuras: las secuencias y las condiciones. { Secuencias: de la forma S1; S2; S3; Donde primero se ejecuta el comando
S1, despues el S2 y as sucesivamente. { Condicion, si la expresion b es cierta entonces se ejecuta S1, s es falsa se ejecuta S2.
Con esta estructura, el ujo de la evaluacion de los comandos se puede de nir como una estructura secuencial de arboles binarios. Donde un comando puede contener un nodo condicion que dirija el ujo sobre los comandos situados en una de sus dos ramas. En la Figura 2 se puede ver un ejemplo de esta construccion.
Donde el conjunto mas a la izquierda que contiene los comandos S1 y S2 representa los scripts de un objeto del juego, el del centro con la condicion b1 representa los de otro, y el bloque de la derecha representa los scripts del otro objeto diferente, el cual contiene el comando S8. 5
Con el objetivo de mostrar las caracter sticas y las capacidades del lenguaje, a continuacion se exponen los resultados obtenidos en la implementacion de juegos.
Para probar la expresividad del lenguaje se ha implementado una gran
cantidad de juegos entre los que destacan t tulos arcade clasicos tales como Asteroids,
Blocks, Frogger, Street Racer, PacMan, Mario Bros o el Space Invaders. El
motivo tras la utilizacion de juegos arcade como demostradores y casos de uso
reside en estudios que a rman que la programacion de juegos presenta un
contexto favorable para el aprendizaje de metodos genericos de programacion [
Durante el desarrollo de estos juegos a modo de demostradores, se ha pulido la especi cacion del lenguaje, llegando a agregar elementos necesarios y eliminando otros redundantes o innecesarios. Finalmente, el metodo ha demostrado ser robusto, ya que ha permitido completar con exito la programacion de todos los juegos propuestos hasta la fecha. En la Figura 3 se muestran algunos de los juegos arcade desarrollados.
A continuacion, se expone como caso de uso el desarrollo del juego arcade Asteroids publicado por Atari en 1976. Un juego de disparos en el que se atraviesa un cinturon de asteroides con una nave espacial. El objetivo es destruir tantos asteroides como sea posible, evitando colisionar con ellos. La seleccion de este juego se debe a que incluye mecanicas muy comunes en juegos. En la Figura 4 se puede observar una captura del juego durante su ejecucion. La de nicion del juego se va a centrar en cuatro objetos del juego: Nave, Laser, Asteroide y Generador de Asteroides.
El elemento principal del juego es la Nave, controlada por el jugador. Puede desplazarse hacia delante en funcion de la orientacion de su morro. A continuacion, se muestra el script que controla el movimiento de la Nave con tres eventos que permiten la rotacion a la izquierda y a la derecha, y el empuje de la nave. if keyLeft then Me.angle := Me.angle + 0.1; if keyRight then Me.angle := Me.angle - 0.1; if keyUp then
Me.x := Me.x + 100 * cos(Me.angle);
Me.y := Me.y + 100 * sin(Me.angle);
Donde las variables keyLeft, keyRight y keyUp corresponden a eventos del teclado que forman parte del estado social del juego. Por otro lado, la variables Me.x, Me.y y Me.angle hacen referencia a las propiedades de posicion y rotacion de la nave. Ademas en el script tambien se utilizan las funciones trigonometricas seno y coseno que permiten crear expresiones aritmeticas.
Por otro lado, se contempla un script adicional que controla el comportamiento de la Nave al alcanzar los l mites del escenario del juego. En ese caso, se reposiciona el objeto en el punto contrario del escenario en funcion del taman~o del mismo y de sus propias dimensiones.
if Me.x > screenWidth - Me.width then Me.x := Me.width; if Me.x < Me.width then Me.x := screenWidth - Me.width; if Me.y > screenHeight - Me.height then Me.y := Me.height; if Me.y < Me.height then Me.y := screenHeight - Me.height;
Para completar el objetivo del juego, la Nave debe ser capaz de disparar objetos de tipo Laser hacia los Asteroides. Esta mecanica produce nuevos objetos Laser bajo la Nave y los desplaza en funcion de la orientacion de la Nave en el momento de su creacion y de un parametro de velocidad prede nido. El codigo que controla esta mecanica se compondr a de la siguiente manera: if keySpace then new Laser(params);
Donde new Laser(params) genera un nuevo objeto Laser con la posicion y la rotacion de la Nave como parametros.
Por otro lado, el jugador debe evitar que la Nave colisione con los Asteroides. S este evento ocurriera, el sistema detectara el evento de colision y procedera a destruir el objeto Nave y a activar la condicion de salida del juego. if Me.collisionWithAsteroid then destroy Me; exit := true; Me.x := Me.x + 300 * cos(Me.angle);
Me.y := Me.y + 300 * sin(Me.angle);
Tras su creacion el Laser tiene dos scripts que controlan su comportamiento. El primero controla el desplazamiento. En funcion de su rotacion, establecida por la Nave al crear el objeto Laser, y de un parametro de velocidad arbitrario, el objeto se desplaza continuamente por el escenario.
El segundo script gestiona la colision del Laser contra un Asteroide. Cuando el sistema detecta la colision, se procede a la destruccion del Laser.
if Me.collisionWithAsteroid then delete Me;
Los asteroides son los objetos del juego que realizan el papel de antagonista. Son creados por un elemento auxiliar encargado de generar arbitrariamente en el escenario nuevos objetos Asteroide mediante un script que controla su creacion en funcion del tiempo.
if spawnTimer then
1 else new Asteroide(params); spawnTimer := 0; spawnTimer := spawnTimer + deltaTime;
Por ultimo, el Asteroide se desplaza arbitrariamente por el escenario y unicamente actua cuando colisiona con un objeto Laser. En este momento, segun el juego original, aumenta la puntuacion de la partida, procede a dividirse en dos nuevos objetos Asteroide de menor taman~o, y por ultimo se destruye. if Me.collisionWithLaser then score := score + 1; new Asteroide(params); new Asteroide(params); delete Me; 6
En este trabajo se presenta un lenguaje que permite de nir logicas de juegos a partir de una semantica que contiene un conjunto reducido de acciones y condiciones. Los ejemplos de juegos elegidos se corresponden con mecanicas implementadas en base al desarrollo de juegos clasicos. El lenguaje se ha demostrado e caz en la tarea de especi car juegos, ya que ha sido capaz de completar todas las mecanicas que se han propuesto hasta la fecha.
La simplicidad del lenguaje se fundamenta en los teoremas de la programacion estructurada y sus derivaciones, como el teorema Folk. Se ha demostrado que es posible crear un lenguaje para la creacion de juegos donde solo existen estructuras condicionales y comandos compuestos por expresiones, sin bucles. La evaluacion de esta semantica se fundamenta en la iteracion continua del juego a traves del ciclo de juego. Ademas, se ha observado que operadores logicos como AND y OR no son necesarios. Del mismo modo que tampoco es necesario el uso de estructuras de datos complejas como vectores o matrices, aunque esto deriva del modelo de datos basado en el paradigma de los sistemas multiagente.
Como trabajo futuro, se pretende el desarrollo de este modelo de lenguaje aplicado a algoritmos t picos en logica de juegos y en la aplicacion del lenguaje a un contexto programacion concurrente.
Este trabajo ha sido nanciado por el Ministerio de Ciencia, Innovacion y Universidades (PID2019-106426RB-C32, RTI2018-098651-B-C54) y por proyectos de investigacion de la Universidad Jaume I (UJI-B2018-56, UJI-B2018-44). Ademas, este trabajo ha sido posible gracias a los recursos gra cos creados por Kenney.nl.