Как современные инструменты разработки видеоигр применяются в образовании
Появление и развитие вычислительной техники во второй половине XX века породило еще одно направление в индустрии развлечений – видеоигры. Сейчас они успешно конкурируют с кино, телевидением и другими развлекательными жанрами, а зачастую побеждают. Можно ли использовать наработки и инструменты современных видеоигр в образовании? Насколько это сложный и трудоемкий процесс? Об этом мы узнали у доцента кафедры инженерной графики и дизайна, члена Союза дизайнеров России Бориса Кулагина.
История видеоигр
Она насчитывает уже более 70 лет. Первой попыткой создания игры, отдаленно похожей на современные видеоигры, считается патент под замысловатым названием «Развлекательное устройство на основе электронно-лучевой трубки» (cathode ray tube amusement device), или «Ракетный симулятор», зарегистрированный в 1947 году Томасом Т. Голдсмит – младшим и Эстл Рэй Манном. Первой действительно «массовой» по меркам того времени игрой стала игра ‘Spacewar!', созданная американским ученым Стивом Расселом на платформе мини-компьютера DEC PDP-1 в Массачусетском технологическом институте в 1962 году. Эта игра стала популярной в 1960-х настолько, что была установлена практически на всех компьютерах DEC PDP-1, которых было изготовлено и продано 50 (пятьдесят) экземпляров. Стоит сказать, что разработка игры заняла примерно 200 человеко-часов.
Игра Spacewar! 1962 год
«Настоящий расцвет индустрии виртуальных развлечений начался с появления массовых игровых приставок, или консолей, примерно в начале 80-х годов прошлого столетия, – рассказывает Борис Кулагин. – Значительный вклад в развитие при этом внесли американская компания ‘Atari' и японская ‘Nintendo', большие корпорации с многомиллионными бюджетами. Также «масла в огонь» подлили и завоевавшие популярность в то же самое время персональные компьютеры. А вот разработка самих игр во многом оставалась уделом одиночек или небольших студий. В качестве примера нужно привести Джордана Мехнера, создателя ‘Karateka' (1984) и легендарной ‘Prince of Persia' (1989). По сути, он был “и швец, и жнец”, совмещая профессии программиста, художника и аниматора».
‘Prince of Persia' Джордана Мехнера
Развитие индустрии
Консоли и компьютеры становились все мощнее, игроки требовали все более и более насыщенных с точки зрения контента игр. Сравните, например, ‘Battlefiled' 1942 (2002) c ‘Battlefield V' (2018).
Battlefield 1942 (2002) (слева) и Battlefield V (2018) (справа)
«Вполне предсказуемо, что при массовом производстве таких сложных продуктов неизбежно появление разделения труда между системными программистами, разработчиками уровней и игровой логики, художниками, создателями трехмерных моделей, аниматорами и прочее, – поясняет Б. Кулагин. – Если последние прекрасно себя чувствуют в своих программных средах, будь то ‘Photoshop', ‘3ds MAX', ‘Maya' или ‘SoundForge', то первым двум категориям просто необходимы инструменты класса фронтенд, которыми, кстати, прекрасно владеют наши студенты профиля «Информационные технологии в дизайне». Первым – чтобы не отвлекаться от решения системных задач на “художества”, вторым – чтобы не вникать в дебри системного программирования, а полностью заняться созданием и настройкой визуальной части и игрового процесса».
Эксперт говорит, что именно эти нюансы привели к появлению так называемых «игровых движков» (Game Engine), сочетающих в себе средства программирования на уровне, адаптированном к пользователю, и визуального представления контента. «Зачастую при этом используется собственный язык скриптов или адаптированная версия языка высокого уровня (“Python', ‘Lua') или средства визуального программирования», – отмечает Кулагин.
«Движки»
Изначально почти все движки использовались исключительно для внутренних нужд студий. Например, популярный несколько лет назад движок ‘Cry Engine' студии ‘Crytek' изначально использовался для игр серии ‘Far Cry', ‘Unreal Engine' от ‘Epic Games' – для ‘Unreal Tournament'. Но есть и исключения, например, ‘Godot' или ‘Unity3d', которые изначально были созданы как инструменты создания игровых приложений.
Хотя многие движки крупных студий до сих пор остаются закрытыми для массового использования, некоторые их них были доведены сначала до уровня коммерческого продукта, а потом стали либо программными продуктами с открытым кодом, либо бесплатными с некоторыми ограничениями. Решение о возможности использования игровых движков бесплатно было принято неспроста – конкуренция на этом рынке сейчас огромная, а большинство движков не могут похвастаться настолько уникальными возможностями, чтобы быть привлекательными при высокой цене, так как возможности программного продукта такого рода ограничиваются возможностями аппаратных средств.
Игра в образовании
С самого начала появления вычислительной техники и до нынешних времен разрабатывались и выходили в свет различные аппаратно-программные комплексы, предназначенные для имитации тех или иных реальных процессов и подготовки на их базе специалистов. Яркий пример – авиационные симуляторы, один из которых представлен на иллюстрации. Это ничто иное, как полностью функциональная кабина пилота с той лишь разницей, что полет является имитацией, и окружающий «мир» воссоздан компьютерной программой и проецируется на мониторы за лобовыми стеклами.
Кабина тренажера лайнера ТУ-154
Конечно, такие симуляторы не могут быть массовыми, и не предназначены для использования в домашних условиях. Но были и есть не менее правдоподобные и подробные симуляторы, не требующие специальных аппаратных средств, например, ‘Microsoft Flight Simulator', отмечающий в этом году сорокалетний юбилей. Невероятно, но для получения прав на управление легкомоторным самолетом в США в свое время учитывался «стаж» в MSFS, так как программа имела все возможности для проверки инструктором выполнения полетного задания!
Microsoft Flight Simulator 4.0 (1989) и 2020
Вполне естественно, что разрабатывались и разрабатываются приложения для различных областей знаний, а также инструментарий для их создания. На рынке сейчас можно найти большое количество решений для создания интерактивных приложений, в том числе и с применением технологии виртуальной и дополненной реальности. Эти программные продукты вполне справляются со своими задачами, и зачастую оправдывают затраты на их приобретение, так как большинство этих программных продуктов распространяется на коммерческой основе.
В качестве примера можно привести пакет ‘Varwin Education', который позиционируется как «конструктор VR проектов, для работы в котором не требуется навыков программирования». Но при возникновении задачи, выходящей за рамки возможностей программы, пользователь встречается с весьма большими трудностями, так как решить их можно, лишь написав нужный модуль либо самостоятельно или заказав за дополнительную плату у производителя этого программного обеспечения.
Рабочее окно ‘Varwin Education'
«Создание того или иного интерактивного приложения в универсальном игровом движке, как правило, требует больше времени и на изучение самого движка, и на реализацию того или иного сценария, – говорит Борис Кулагин. – Но при этом вы не ограничены в возможностях, и можете реализовать большинство ваших идей. При этом большим подспорьем в работе является визуальное программирование, представленное в некоторых движках реального времени. А огромное количество учебного контента от сообщества и большое количество готовых решений делает процесс не настолько трудоемким, как может показаться с первого взгляда».
Пример визуального скрипта в Unreal Engine
В качестве примера реализованного проекта эксперт привел Виртуальную экскурсию по участку производства микроэлектромеханических систем, выполненную специалистами кафедры ИГД НИУ МИЭТ в сотрудничестве с детским технопарком «СМАРТ-ПАРК МИЭТ» и Зеленоградским инновационно-технологическим центром (ЗИТЦ).
«Данный продукт предназначен для ознакомления школьников старших классов с процессом производства МЭМС. В ходе экскурсии имеется возможность не только понаблюдать за работой установок, но и принять участие в «производстве» партии изделий. Данное приложение работает как с применением устройств виртуальной реальности, так и на обычном мониторе с управлением мышкой и клавиатурой», – говорит Кулагин.
Модель установки нанесения фоторезиста с редактором анимации
Цифровой двойник
В условиях пандемии при организации учебного процесса остро встала еще одна проблема – невозможность прямого доступа к лабораторному оборудованию. Любая математическая модель обладает определенными недостатками, и прежде всего ограниченной точностью, которая обратно пропорциональна времени расчета, что не дает получение абсолютно достоверных результатов в реальном времени. Эту проблему можно решить при помощи создания полноценного цифрового двойника с возможностью передачи управляющих команд удаленному устройству и получения от него необходимых данных, считает Борис Кулагин. Пример – модель лабораторного комплекса по изучению характеристик асинхронного двигателя, разрабатываемая специалистами кафедры ИГД НИУ МИЭТ совместно с Чувашским государственным университетом. Приложение, кроме работы в автономном режиме на компьютере пользователя в режиме симуляции, должно позволять управлять реальным лабораторным стендом удаленно. Игровой движок, на котором построен данное приложение, позволяет сделать это без особых дополнительных усилий.
Имитационная модель учебного стенда в окне редактора Unreal Engine
Конечно, область применения интерактивных приложений в образовании не ограничивается симуляторами и демонстрацией работы реальных процессов и устройств, но именно этот класс задач является наиболее трудоемким для реализации, и применение готовых решений и широких возможностей, предоставляемых игровыми движками, позволяет значительно сократить время разработки и затраты и решать задачи любой сложности.