Techniques and Design Patterns in Game Engine Programming

Abstract

The objective of this thesis was to examine the core structure of a game engine and applications of various design patterns and techniques. While various general-purpose game engines exist for game development teams to use freely, programming a custom base for a game helps to understand the functionality low-level engine systems as well as frees the team of possible licensing costs.

A development approach was taken in implementing the thesis, meaning a complete, yet simple game engine has been programmed from inception while creating this document. The provided engine would be equipped with fundamental features to enable it to work as a base for a video game, while providing reusable and easily interpretable code. Additional goals included creating learning material, refining programming skills and exploring new ways to implement game engine features.

The method used to carry out the study included applying proven design patterns and techniques to implement various subsystems, structures and utilities that comprise a game engine. Different approaches to various problems related to game engine design were considered and their benefits and flaws weighed.

Most of the goals set for this thesis were met, the most important being creating a working game engine providing basic functionality by the end of the project. It was perceived that most of the techniques recommended to be used in game engine programming do not offer complete solutions to issues, and must be used to resolve appropriate problems. However, when these techniques understood by the programmer and applied properly, they are typically proven to be powerful.

The reader of this document is expected to be familiar with the C++ programming language or similar as well as the basic concept of a game engine. Most of the topics do not deal directly with C++ features, but subjects such as pointers, memory layout and templates are discussed with no explicit explanations.

Opinnäytetyön tavoitteena oli tutkia pelimoottorien päärakenteita sekä toimiviksi havaittujen ohjelmointitekniikoiden ja suunnittelumallien soveltamista niihin. Kehittäjillä on tänä päivänä mahdollisuus valita useista saatavilla olevista yleiskäyttöisistä pelimoottoreista mieleisensä, mutta pohjan rakentaminen pelille itse auttaa ymmärtämään pelimoottorien matalan tason rakenteita ja vapauttaa kehittäjäryhmän mahdollisista lisenssimaksuista.

Työssä käytettiin toteutuksellista lähestymistapaa, minkä seurauksena ohjelmoitiin yksinkertainen, mutta täysin toimiva pelimoottori. Toteutetun moottorin tuli sisältää tarvittavat ominaisuudet ollakseen käytettävissä videopelin pohjaksi. Päämääränä oli samalla tuottaa uudelleenkäytettävää ja helposti tulkittavaa ohjelmakoodia. Muita tavoitteita olivat oppimateriaalin tuottaminen, ohjelmointitaitojen kehittäminen ja uusien ratkaisujen löytäminen pelimoottorin rakenteiden luomisessa kohdattuihin ongelmiin.

Työ toteutettiin tutkimalla ja soveltamalla hyväksi havaittuja suunnittelumalleja ja ohjelmointitekniikoita erilaisten alijärjestelmien, rakenteiden ja aputyökalujen luomiseen, joista pelimoottori koostuu. Pelimoottorisuunnitteluun liittyviin ongelmiin kokeiltiin erilaisia ratkaisuja ja niiden hyödyt ja haitat punnittiin.

Suurin osa opinnäytetyön tavoitteista saavutettiin, tärkeimpänä perusominaisuuksilla varustetun toimivan pelimoottorin ohjelmoiminen. Havaittiin, että suositellut tekniikat eivät yleensä tarjoa valmiita ratkaisuja pelimoottoriohjelmoinnissa kohdattaviin ongelmiin, vaan niitä täytyy osata soveltaa oikeisiin kohteisiin. Tarjotut menetelmät ovat kuitenkin erittäin tehokkaita, jos ohjelmoija ymmärtää niiden hyödyt ja haitat.

Tämän dokumentin lukijalla oletetaan olevan ymmärrys C++:sta tai vastaavasta ohjelmointikielestä sekä pelimoottoreihin liittyvistä perusasioista. Suurin osa aihealueista ei käsittele C++-kieltä suoranaisesti, mutta termejä, kuten osoittimia, muistialueita ja malleja (template) käytetään tekstissä ilman erillisiä selityksiä.