Дизайн трасс в автосимуляторах

Игры – это всегда новые возможности. Мы можем достигать чего-то, чего нельзя достичь лёгкими (или законными) способами в реальной жизни. Прекрасный тому пример – гоночные игры, особенно аркадные. Навыки, необходимые для участия в соревнованиях F1, недостижимы для 99,9999% людей.

Финансовый вопрос тут тоже играет не последнюю роль – чтобы кататься по гоночным трассам, вам не только понадобится достойный автомобиль, придётся ещё и платить все взносы, связанные с «легальными» гонками. Но в первую очередь всё упирается в возрастные ограничения – каждый мальчишка мечтает водить спортивное авто, но в реальности такому не бывать.

И тут на сцену выходят скромные аркадные автоматы. Аркадная гонка с грамотным дизайном способна предоставить человеку без опыта вождения новые и, главное, легко доступные возможности.

Но как же гейм-дизайнерам сделать вождение «на пределе» доступным, увлекательным и, что важнее, заставляющим игроков гордиться собой? В поисках ответов мы проанализируем дизайн трасс в двух аркадных гонках – Initial D: Arcade Stage и Maximum Tune.

Любой, кто в последнее время играл на автоматах, заметит, что эти две игры доминируют на своём рынке и что в них почти всегда простые игроки на уровне профессиональных гонщиков управляются с монстрами мощностью 820+ л.с.

Есть две причины, по которым люди без реального опыта вождения сразу же проявляют нечеловеческие навыки управления суперкарами в игре – это динамика автомобилей и дизайн трасс. В этой статье будут описаны рациональные показатели, которые затем будут применены для анализа дизайна трасс Mt. Akina из Initial D: Arcade Stage 4 и Hanshin Express Line из Maximum Tune 3.

Пять основных показателей

Для рационального подхода к дизайну трасс необходимо определиться с набором измеряемых параметров. Эти показатели обеспечивают поддержку всех элементов дизайна трасс и могут применяться во множестве различных сценариев:

• Идеальная траектория
• Точки срезки (и сопутствующие параметры)
• Ширина трассы
• Поперечный уклон трассы
• Перепады высоты

Перед началом нашего анализа стоит подробнее рассмотреть каждый из показателей в отдельности и их связь друг с другом.

Показатели 1 и 2: Траектория и точки срезки

Это самые важные показатели рационального дизайна трасс. Однако, для понимания их работы вначале следует ознакомиться с динамикой автомобиля. Согласно стандартной модели Сообщества автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers, SAE), у автомобиля имеется предопределённый набор осей, которые и используются во всех гоночных играх. На рисунке 1 показан пример системы координат по стандарту SAE.

Движение по продольной оси зависит от ускорения и торможения. На вертикальную и поперечную ось влияют повороты руля и последующее смещение центра тяжести. В гоночных играх от игрока требуется прикладывать максимум возможной силы в направлении продольной оси (поступательная сила). Торможение и боковая сила не только замедляют автомобиль, но и делают его поведение менее предсказуемым. Держа всё это в уме, переходим к концепциям траектории и точек срезки.

Представленные в статье показатели подразумевают эффект, оказываемый на автомобиль, а не водителя. Трасса всегда непосредственно влияет на машину и лишь косвенно на водителя. Поездка по той же самой трассе на другом автомобиле вызовет у водителя уже другие ощущения.

Автомобиль – это своего рода транслятор, важный посредник между игроком и дизайном трассы. Динамика автомобиля – тема довольно обширная и будет рассмотрена в отдельной статье, но описанная выше система координат достаточно ёмкая для понимания и применения на практике наших пяти показателей.

Каждый поворот на гоночной трассе имеет идеальную точку входа, идеальную точку срезки и затем идеальную точку выхода. Точка срезки – это точка на краю дороги, в которую нужно метить игроку в поисках кратчайшей траектории и для минимизации боковой силы (рис. 2).

В некоторых случаях точка срезки отображает кратчайший путь прохождения поворота, однако при этом может потребовать приложения большого количества боковой силы. Эти идеальные точки позволяют игроку применять максимум доступной поступательной силы, не растрачиваясь на лишнюю боковую.

Размещение точек входа, выхода и срезки частично зависит от выбора кратчайшей траектории с учётом максимального использования дорожной поверхности. Дорожная поверхность важна оттого, что чем шире дорога, тем меньше необходимая боковая сила (не забываем, что она мешает ускорению и делает поведение автомобиля менее предсказуемым).

Забегая немного вперёд, отметим, что на рисунке 3 пунктиром обозначена траектория движения, то есть оптимальный маршрут прохождения поворота. При увеличении ширины дороги, траектория выпрямляется, а необходимая боковая сила снижается. Возможность увеличить поступательную силу всегда остаётся самой востребованной для любого игрока.

Сложно говорить об этих показателях в отдельности, поскольку они являются производными друг друга. Если смотреть со стороны водителя, траектория движения будет вырисовываться в его голове в соответствии с наблюдением за поведением машины и точками срезки. Для дизайнера же место траектории может занимать схема трассы, или наоборот – в зависимости от избранного подхода.

Вне зависимости от того, какой из этих подходов выбран для дизайна, траектория должна обеспечивать минимальную боковую силу. Оба подхода продемонстрированы на рисунках 4 и 5 соответственно.

Рисунок 4 – это простая линия, отражающая вашу трассу. Взяв за основу такой подход, дизайнеру далее следует продумать точки срезки и уже с их учётом создавать трассу.

Рисунок 5 – это противоположный подход, где дизайнеру нужно обозначить точки срезки на трассе и затем провести траекторию движения. В любом случае в итоге получится результат, показанный на рисунке 6 – простая трасса в стиле картинговых.

Хоть это и итоговый результат, он не отражает всей совокупности знаний, необходимых для создания идеальной трассы. Следующий вопрос – это сложность поворотов, совмещающая в себе траекторию и точки срезки.

Как видно по сравнению рисунков 7 и 8, сложность поворота повышается при уменьшении угла между этими тремя точками и/или при сокращении расстояния между входом и выходом.

В повороте могут быть и дополнительные точки срезки, однако, в нём всегда будут отчётливые точки входа и выхода. Игроку нужны эти явные точки в качестве отметок, помогающих запоминать трассу.

Дизайнер может остановить свой выбор на трассе, комбинирующей повороты и длинные прямые. В зависимости от системы динамики автомобилей, такой подход помогает сохранять баланс, предоставляя равные шансы машинам с разными особенностями.

Повороты с несколькими точками срезки называют «составными» (рис. 9). Сложность составных поворотов определяется по аналогии с простыми. Расстояние между точками срезки и необходимая корректировка машины (рассматриваем угол между тремя точками) остаются пригодными параметрами для вычисления сложности.

Следует помнить, что в разных играх используется разная динамика автомобилей, которая в итоге будет диктовать способ использования точек срезки. Мы разберём это подробнее, когда перейдём к изучению Initial D и Maximum Tune.

Понимание точек срезки и их последующего влияния на создание траектории движения – самый важный элемент паззла в рациональном подходе к дизайну трасс. Важно учитывать, что гоночная игра во многом похожа на сборку паззла.

Это значит, что игрок должен подобрать наиболее подходящее решение пространственной задачи, по минимуму используя руль, тормоза и акселератор. И несмотря на то, что мы обсудили динамику автомобиля, система динамики, выбранная для игры, во многом предопределит подход дизайнеров к построению точек срезки и идеальной траектории.

Показатель 3: Ширина трассы

Ширина трассы – один из самых логичных показателей, она относительно проста в понимании и реализации. Чем шире трасса, тем проще проходить повороты – благодаря притуплённому углу точки срезки – плюс, это несколько облегчает дизайн в целом (как было видно на рис. 3).

Согласно общепринятому правилу для игр с видом от третьего лица, окружение нужно увеличивать на 33%, и применительно к гоночным трассам это правило тоже работает. Таким образом создаётся место для движения камеры и дополнительные возможности для обгона.

Каждая полоса должна составлять 1,6 ширины машины, чтобы три автомобиля могли ехать по двум полосам на минимальном расстоянии друг от друга (рис. 10). Вдобавок, обочина должна составлять 50-75% ширины машины (рис. 11).

Это заставит игрока идти на риск при занятии этой стратегически выгодной позиции – особенно в поворотах, где боковая сила будет давить на машину против воли игрока. Расширенный участок трассы на повороте позволит сократить вероятность ошибок. Также широкие повороты позволят опытным игрокам применять больше поступательной силы благодаря более плавной траектории.

Показатель 4: Поперечный уклон трассы

Этот показатель связан с тем, как наклон плоскости дороги влияет на поворачиваемость автомобиля (рис. 12). Избыточная и недостаточная поворачиваемость – термины, описывающие динамику автомобиля, а уклон и обратный уклон – относящиеся к дизайну трасс (рис. 13).

Daytona USA знаменита частым использованием больших уклонов, позволяющих проходить повороты на немыслимых скоростях и требующих меньшего мастерства от игроков. С другой стороны, более реалистичные игры, как Gran Turismo, комбинируют обычные уклоны с обратными, тестируя возможности игроков и их болидов. Такая модель требует гораздо больше практики и поэтому не подходит для аркадных автоматов.

В идеале, все повороты в аркадных гонках должны быть с обычным уклоном, чтобы их можно было проходить смелее. Учитывая аудиторию подобных игр, это наилучший подход.

Показатель 5: Перепады высоты

Перепады высоты добавляются на трассу по двум разным причинам. Во-первых, для создания асимметричного баланса, уравнивающего разные типы машин. Во-вторых, для нарастания/снятия напряжения и «открывающихся видов». Вторая причина – сама по себе отдельная тема, так что кратко подытожим, что первая играет свою роль в гейм-дизайне, используя преимущества и недостатки разных автомобилей, исходя из их массы и мощности.

Перефразируя второе применение перепадов высоты, будем считать их сугубо эмоциональным компонентом дизайна трасс и дизайна уровней в целом. Недостаток видимости заставит игрока поволноваться, ведь у него меньше возможностей планировать свои действия наперёд. Когда же игрок видит трассу далеко впереди, он набирается уверенности в себе и может просчитать движение на несколько ходов вперёд.

Таким образом, перепады высоты делают трассу интереснее, если они не слишком резкие. «Открывающиеся виды» добавляют ещё один вау-фактор окружению и игровому опыту – как правило, это достигается долгим предварительным подъёмом в гору.

На вершине подъёма игрок сразу же видит гораздо больше пространства и может рассмотреть схему трассы и её оформление.

Объединяем все показатели

Познакомившись со всеми важными параметрами трассы, мы можем применить новые знания на подготовленных примерах. Но динамика автомобиля играет очень весомую роль в понимании дизайна гоночных игр, так что сперва нужно определить её тип в Initial D и Maximum Tune. Maximum Tune благоволит к технике вождения «скандинавский флик», а в Initial D применяется система «наказание за выбор траектории».

Скандинавский флик

На рисунке 14 показано, как работает этот приём. Игрок входит в идеальную точку входа и затем направляет машину в сторону идеальной точки срезки.

Когда автомобиль направлен в эту точку, игрок разворачивает руль в сторону идеальной точки выхода, противодействуя инерции и перемещая центр тяжести, комбинируя поступательную силу, боковую силу и рыскание. Применение излишней поступательной силы и отличает скандинавский флик от исключительно «устойчивого» вождения.

Ранее мы говорили, что боковая сила нежелательна, однако динамика Maximum Tune требует её небольшого применения для движения по идеальной траектории.

В Maximum Tune машина теряет скорость при вхождении в поворот, но набирает её при выруливании. Это значит, что на выруливание лучше тратить побольше времени, поэтому в Maximum Tune большинство точек срезки расположено не далее середины поворота.

Таким образом Maximum Tune борется с нежелательностью боковой силы – ранние точки срезки позволяют дольше выруливать, прикладывая больше поступательной силы, чем боковой. Точки срезки удаётся разместить ближе ко входу в поворот за счёт расширенного выхода.

Неверные точки срезки

В обеих играх неверные точки срезки используются для наказания игроков и дополнительной возможности обгона. На рисунке 15 показано, как игрок неверно выбрал точку срезки. Чтобы удержаться на траектории (и перекрыть самый быстрый путь), ему нужно прибегать к дополнительным корректировкам, что приводит к потере скорости.

Машине не нравится неожиданное воздействие лишних сил. Любая корректировка – это новая сила, которая замедляет авто или делает его менее предсказуемым. Во всех гонках игроки стремятся к наивысшей скорости прохождения поворотов. Мы продолжим рассматривать такие примеры и далее.

Наказание за выбор траектории

Initial D использует динамику, комбинирующую дрифтовые и устойчивые машины, создавая асимметрию между всеми автомобилями – им не нужна искусственная симметрия, ведь связка из трассы и игрока приводит к асимметрии сама по себе.

Кто-то будет ездить скандинавским фликом, а остальные будут просто придерживаться эффективной траектории. Это подразумевает, что главной механикой в Initial D значится наказание за выбор траектории.

На рисунке 16 приведён пример покадрового прохождения поворота двумя машинами. Серебряная машина выбрала менее опасную траекторию, но открылась для обгона по более рискованной, но, соответственно, более эффективной внутренней траектории. Правильно выбрав точку входа, красная машина может выйти из поворота на большей скорости. Значения CX (показывают, сколько энергии поглощается автомобилем в случае столкновения) подразумевают, что в Initial D у красной машины будет преимущество, поскольку её масса сдвинет серебряную машину с идеальной траектории.

В обеих играх игрокам нужно принимать взвешенное решение по поводу входа в поворот. На рисунке 17 показан пример водителя, выбравшего безопасную траекторию с большим простором для коррекции с обеих сторон. При таком подходе менее вероятно, что машина заденет край трассы (и, следовательно, сбросит скорость), но при этом она позволяет обогнать себя по идеальной траектории.

Если занимать рискованную позицию, как на рисунке 18, игрок получит максимальный прирост скорости, при попадании в точку срезки, но в случае неудачи его ждут максимальные потери вследствие отсутствия пространства для корректировки.

Как правило, машины при столкновении друг с другом имеют дело с меньшими инерционными силами, чем при столкновении с ограждением. Выгоднее врезаться в соперника, чем в любое другое препятствие, потому что в конечном счёте машина будет устойчивее. Чем стабильнее автомобиль, тем быстрее можно будет использовать акселератор и тем проще будет проходить поворот при отсутствии других сил, влияющих на динамику.

Initial D против Maximum Tune

Итак, мы знаем, что обе игры используют разные подходы к дизайну трасс и динамике автомобилей. Однако, они обе весьма интересны для людей без опыта вождения. Игры предлагают разный игровой опыт и отличаются в плане атмосферы, так что мы проанализируем их специфические моменты, чтобы определить язык дизайна, который будет полезен в рациональном подходе к дизайну трасс.

Особенности динамики автомобилей и дизайна трасс:

Maximum Tune

• Трассы шире, потому что рассчитаны на четырёх игроков вместо двух-трёх в Initial D
• Скорости намного выше, поэтому повороты проще
• Наличие автомобилей NPC на дорогах во время игры
• Возможность выбора альтернативного маршрута
• Намного меньше крутых поворотов

Initial D

• Игра на двоих против компьютерных или реальных противников, что делает соперничество более тесным
• Трассы уже и скорости ниже
• Наказание за выбор траектории
• Нет помех в виде трафика

Hanshin Express Line: Maximum Tune 3

Это популярная в Maximum Tune 3 трасса, и её дизайн во многом схож с Daytona USA, особенно отрезок для новичков. Трасса широкая, со множеством размашистых поворотов с уклоном. Как и Mt. Akina из Initial D, это приукрашенная версия реальной дороги – в данном случае из города Осака.

В основе Maximum Tune лежат незаконные гонки по автострадам, описанные в манге Wangan Midnight, так что игрокам приходится постоянно, хоть и плавно, маневрировать в транспортном потоке на высокой скорости.

Как мы уже упоминали, точки срезки в Maximum Tune расположены ближе ко входу в поворот, что позволяет выходить из него на высокой скорости. Это достигается за счёт расширения трассы на выходе из поворота. Возможно, это звучит как нечто скучное, но дизайнеры схитрили и заставили игроков думать, будто их действия требуют большого мастерства. Эта концепция известна как игольное ушко.

Игольное ушко: Maximum Tune

Hanshin Express Line содержит повороты с игольным ушком. Проще говоря, в таком повороте очень широкий вход, одна идеальная точка срезки и очень узкий выход (рис. 19).

Игольное ушко оказывает существенное эмоциональное влияние на игроков, давая ощущение высокого мастерства тем, у кого получаются такие повороты. Как и почти всё в гейм-дизайне, тут главное, чтобы действия игрока выглядели сложнее, чем на самом деле. В «вуайеристской» обстановке аркадных залов это особенно важный момент.

Рисунок 20 показывает, за счёт чего создаётся это чувство серьёзного достижения. Продолжая корректировку в сторону идеальной точки выхода, машина всё ещё движется вбок и проходит сквозь игольное ушко очень близко к ограждению. Камера расположена так, чтобы во всей красе запечатлеть этот опаснейший манёвр, который в реальной ситуации скорее всего привёл бы к аварии, особенно с учётом игровых скоростей.

При добавлении игольного ушка изначальный дизайн должен выполняться без узкого выхода из поворота. Если убрать ограждение с рисунка 20, то сразу видно дизайнерскую методику в действии. На рисунке 21 видно, как расширяется выход из поворота, позволяя расположить точку срезки ближе ко входу. Ограждение вселяет в игрока иллюзорное чувство, будто этот поворот намного сложнее, и в итоге он больше гордится собой.

Асимметричный баланс: Initial D

Комбинация разных автомобилей и типов геймплея подразумевает, что дизайну трасс нужно уделять первостепенное значение, стараясь преподнести игрокам сбалансированный игровой опыт. Ни одна трасса не воплощает эту мантру так, как Mt. Akina – приукрашенная версия дороги Mt. Akina из префектуры Гумма. На рисунке 22 показана схема трассы. Гонка может идти в любом направлении, но обычно начинается в секторе 1 – самой высокой точке – и затем постепенно спускается к 10 сектору.

Машина, которую игрок выберет в начале игры, во многом повлияет на выбор наиболее подходящей трассы.

Тяжёлый Nissan GTR лучше подойдёт для трасс с подъёмом, где из его мощности можно извлечь преимущество. Toyota AE86 за счёт своего малого веса лучше подходит для спусков, где на ней проще выходить из поворотов.

Mt. Akina содержит умело сбалансированную комбинацию поворотов, приводящую к тесному соперничеству даже без существенного раббербэндинга. На трассе есть уникальный выравнивающий отрезок в восьмом секторе. Если вы знакомы с франшизой Initial D, то сразу узнаете три последовательных поворота (рис. 23).

Разметка на дороге играет очень важную роль в восприятии скорости, и мы сохранили её на рисунке, чтобы продемонстрировать чувство спешки, передающееся игроку.

Для понимания всей важности этого поворота нужно рассмотреть несколько особых показателей. В Initial D (и в большинстве других гоночных игр) усложняющийся составной поворот выгоднее для лёгких машин, а упрощающийся для тяжёлых и мощных (рис. 24 и 25).

Ещё один важный параметр составных поворотов – корректировочная дистанция между точками срезки. В значительной степени этот показатель сложности можно определить углом, описанным ранее. Однако, рисунок 26 демонстрирует показатель, связанный именно с расстоянием между точками.

Причина особой важности этого расстояния кроется в динамике автомобиля и первом законе Ньютона. Объект в состоянии прямолинейного движения остаётся в этом состоянии, пока на него не действуют никакие внешние силы. Рисунок 27 сочетает динамику автомобиля, расстояние между точками срезки и первый закон Ньютона. Точка критического смещения центра тяжести в Initial D используется как недостаток одних и преимущество других машин.

Использование прямых: ID4 против MT3 против GT5

Мы ещё не затрагивали тему использования прямых отрезков. Они важны во всех гоночных играх, но слишком долгие прямые оказывают обратный эффект на игрока – он разочаровывается в своих способностях.

На первый взгляд, это весело, ведь можно от души разогнаться, но при неправильном применении прямых могут возникнуть серьёзные проблемы – особенно в аркадных играх. Чтобы разобраться в различиях между аркадными и более реалистичными прямыми, мы обратимся к базовой статистике из Initial D, Maximum Tune и Gran Turismo.

Рисунок 28 демонстрирует телеметрические данные по скорости опытных игроков на быстрых машинах на трассах Hanshin Line из Maximum Tune 3, Mt. Akina из Initial D Arcade Stage 4 и Trial Mountain из Gran Turismo 5. В Maximum Tune 3 и Initial D отмечается низкое стандартное отклонение, а в Gran Turismo при этом самый большой разброс между минимальной и максимальной скоростями.

Скорость замерялась каждые пять секунд и сравнивалась с предыдущим показателем. Единица означает, что скорость осталась прежней, значения выше единицы показывают увеличение скорости и наоборот.

График демонстрирует, что в более реалистичных играх прямые позволяют разгоняться так, что становится сложно попадать в идеальную точку входа, поэтому перед поворотом нужно значительно сбрасывать скорость. От игрока требуется хорошее знание трассы и ему прощается меньше ошибок.

Консольные и компьютерные игры могут позволить себе не церемониться с игроком. В них игроки не платят за каждую игру, так что у них полно времени для оттачивания навыков. К тому же, дома играется намного спокойнее – без чужих взглядов из-за спины – и игрок сам выбирает, когда приходит время показать свой уровень в онлайне.

Но аркадные автоматы должны ублажать эго игроков. Люди платят за каждую игру, при этом на них внимательно смотрят другие. Чтобы удовлетворять игроков без опыта вождения, прямые не должны позволять им развивать скорость, слишком высокую для входа в поворот. Если прямая подводит к крутому повороту, перед ним нужно сделать несколько поворотов попроще, чтобы избавиться от лишней скорости.

Заключение

Изначальной целью этой статьи было изучение способов вселять в простых игроков чувство мастерского вождения в гонках. Обе представленных игры прекрасно с этим справляются, и, проанализировав их, мы можем составить набор дизайнерских эвристик, основанных на наших пяти показателях:

• Прямые должны быть реализованы таким образом, чтобы игрок не промахивался мимо входа в поворот. Любое торможение нужно сводить к минимуму.
• Повороты должны усложняться постепенно, давая игроку возможность попасть в идеальную точку входа.
• Стандартное отклонение скорости в идеале не должно превышать 30%.
• Дорожная разметка очень важна для ощущения скорости.
• Повороты с игольным ушком должны визуально усложнять необходимые действия игрока, чтобы он гордился собой.
• В аркадных гонках все повороты должны иметь обычный уклон.
• Перепады высоты всегда должны использоваться в дизайне трассы для эмоционального разнообразия. Но нужно избегать слишком резких перепадов.
• Используйте прямые, чтобы создавать отметки для игроков. С той же целью выделяйте повороты с помощью приметных ориентиров.

Есть и другие важные моменты, выходящие за пределы этой статьи. Нужно чётко разграничивать реальную и воспринимаемую сложность. Наилучшим образом это показывает сравнение перепадов скорости в Initial D и Gran Turismo. Initial D вызывает у игрока ощущение высокой сложности, хотя делает для этого гораздо меньше, чем понадобилось бы при работе над трассой из Gran Turismo.

Следующая важная область – динамика автомобиля. Важно отметить, что динамика не преуменьшает значение пяти показателей дизайна, а скорее предоставляет игроку совершенно новые впечатления, особенно с учётом различия в подходах к реализации сложности.

A Rational Approach To Racing Game Track Design, Gamasutra.