Game Development 2

Question 1

Welche Faktoren beeinflussen Performance bei Spielen?

Answer 1

Hardware
Software Architektur (Code, Datenstrukturen, Algorithmen)
Grafikqualität (Auflösung, Texturen, Shader…)
Physikkomplexität (Kollisionserkennung, Rigid Body Dynamiken, Partikel)
AI Komplexität (Pathfinding, Decision Making, Behaviour Trees)
Netzwerklatenz (Ping, packet loss, Bandbreite)

Question 2

Was sind übliche Performance Bottlenecks bei Spielen?

Answer 2

CPU
GPU
Memory / Speicher
Netzwerk

Question 3

Was ist Instrumentation?

Answer 3

Instrumentation ist das Hinzufügen von Code zu einem Programm, um Daten über die Exekution zu sammeln

Question 4

Was ist Profiling?

Answer 4

Profiling ist die Analyse von Daten, die gesammelt worden sind durch Instrumentation

Question 5

Was ist Scripting?

Answer 5

Beim Scripting wird “externer” Code entgegengenommen von der Engine (meist in einer anderen Programmiersprache - Lua) - der geschriebene Core liegt außerhalb vom “Core” - wir haben extern C verwendet, damit der Compiler versteht, dass der “externe” Code dann C-Code sein soll

Teile des Codes werden ausgelagert in eine Sprache, die nicht kompiliert werden muss (erleichtert Workflow)

Question 6

Was sind Vorteile von Scripting?

Answer 6

Interpretation passiert durch virtuelle Maschine und Code muss nicht kompiliert werden
Schnelle Iterationen (Script Updates “on the fly”)
Lightweight

Question 7

Was sind Nachteile von Scripting?

Answer 7

Ressourcen Ineffizienz - langsamer Speicherzugang
Laufzeit Geschwindigkeit - Laufzeit ist langsam, Wechsel zwischen nativem Code und Scripting ebenso langsam
Daten Verifizierung - kein Compiler oder Linker um auf Fehler zu prüfen, bedeutet, dass Fehler nur bei Laufzeit sichtbar sind

Question 8

Wie kann man Scripting am besten debuggen?

Answer 8

Caveman Debugging
Konsolenoutput
IDE der Scripting Sprache kann helfen
Externer Debugger

Question 9

Wie viele Threads sollte man verwenden?

Answer 9

Regel: Nicht mehr als einen CPU-intensiven Thread pro Core
3 - 6 bei Xbox
1 - 16 am PC (je nach Hardware)

Question 10

Was ist der Current State-of-the-Art bei Multithreading?

Answer 10

Job-Systeme
Diese arbeiten mit Pools von Threads - man kann Jobs queuen (worker threads) und Threads lassen Jobs gleichzeitig laufen

Question 11

Welche Kriterien müssen Jobs erfüllen?

Answer 11

1) Müssen in Isolation ausgeführt werden können - wenig Daten sharing und unabhängig von anderen Jobs sein
2) Jobs müssen self-contained sein - selbst hinter sich aufräumen
3) Jobs können sehr klein sein - hunderte Jobs pro Frame

Question 12

Was ist Frame-centric Design?

Answer 12

Beim Frame-zentrierten Design läuft jede Stage unabhängig von den andere (keine Synchronisation notwendig), eine Stage kann die nächste Frame sofort verarbeiten –> Komplexität in Engine Design ist simplifiziert

Question 13

Was sind typsiche Multithreading Probleme? Erkläre diese.

Answer 13

Deadlock - Threads warten aufeinander und deadlocken sich

Livelock - Beide Threads versuchen zu arbeiten (die States der Threads wechseln ihren State als Antwort auf andere Prozesse - dadurch sind die Threads nicht gelocked, aber sie machen keinen Fortschritt)

Race Condition - Zwei Threads greifen auf gleiche geteilte Daten zu und verändern diese (undefiniertes Verhalten)

Starvation - Lange Wartezeiten auf andere Threads (Scheduler nimmt diesen Thread nie dran)

Question 14

Wie können Threads im Multithreading synchronisiert werden?

Answer 14

Durch Events, Mutex und Semaphore

Question 15

Was ist eine einfache und schnelle Möglichkeit, die Geschwindigkeit von Zugriffen auf Daten in Matrizen / Vektoren zu verschnellern?

Answer 15

Cache-Lines ausnutzen - Daten werden aus dem Cache in Linien ausgelesen, Arrays beispielsweise liegen hintereinander im Speicher und können deswegen viel schneller gelesen werden - man sollte deswegen auch schauen immer im Row Major zu rechnen, da dies den Zugriff verschnellert auf Daten

Question 16

Was ist False Sharing?

Answer 16

Beispiel: Core 0 schreibt in die Variable x im eigenen L2 Cache rein - x ist aber in Core 1’s L2 Cache und Core 1 liest die Daten aus x nun aus - die Cache Line von Core 1 wird somit invalidiert und dies sorgt für große Performanceprobleme - Lösung: Hardware muss Caches synchronisieren

Question 17

Wie funktionieren Object Pools?

Answer 17

Es wird zu Beginn vom Programm viel Speicher allokiert und beim Ende vom Programm wieder freigegeben - im Pool befinden sich schon angelegte, wiederverwendbare Instanzen von Objekten (oft auch mit einer isAlive flag), die jederzeit verwendet werden können - wird zum Beispiel bei Bullets in Spielen verwendet

Question 18

Welche Tools enthält eine Asset Pipeline?

Answer 18

Exporter - konvertiert native Formate (.psd, .wav) in intermediate Formate (.jpg, .mp3) für die Engine um

Conversion Tools - diese optimieren die Assets für die jeweilige Plattform (Texturen runterskalieren, wav zu ogg konvertieren…)

Packing Tools - Diese packagen das Projekt in eine einzige File, um das Öffnen mehrfacher Files zu verhindern (.zip, .cab, .dat)

Question 19

Wie wird ein Level geladen und gespeichert?

Answer 19

Der gesamte Content in einem Level (GameObjects) und Konfigurationen werden in einer Liste festgehalten - diese wird serialisiert (XML, JSON, Binär)

Question 20

Welche Arten von Editor gibt es?

Answer 20

Level-Editor, Welt-Editor, Map-Editor

Question 21

Welche Voraussetzungen müssen Editor / Tools erfüllen?

Answer 21

Graphisches User Interface
Erforderliche Komponenten (Game Daten, Visualisierung von Game Daten, Interaktion mit Game Daten)
Model-View-Controller (MVC)

Question 22

Was ist ein MVC? Welche Rolle spielen Editor bei MVCs?

Answer 22

Model-View-Controller

Model: Repräsentieren Wissen
View: Visuelle Repräsentation des Models (Präsentation)
Controller: verbindet User und System

Editor verbinden Controller und View (Special Controller)

Question 23

GUI: Was ist Retained Mode?

Answer 23

Graphisches User Interface wird geupdated, wenn Interaktionen (Callbacks) stattfinden

Question 24

GUI: Was ist Immediate Mode?

Answer 24

Graphisches User Interface wird jede Frame neu gerendered (direkter Zugriff auf State)

Question 25

Was sind die Unterschiede zwischen Retained und Immediate Mode bei GUI? Nenne auch je einen Repräsentanten pro Modus.

Answer 25

Retained Mode (TGUI) vs. Immediate Mode (IMGUI)
Sehr Performance effizient vs. Performance ineffizient (polling)
Hauptsächlich statisch vs. Sehr dynamisch
Long-term Design vs. schnelle Prototypen
Use case: Apps vs. Use case: real-time Simulationen und debugging Tools
Große Lernkurve / große Bibliotheken (nur Retained Mode)
Daten caching / Duplikation von Daten (nur Retained Mode)

Question 26

Was ist eine statische Bibliothek? Nenne Vor- und Nachteile.

Answer 26

Windows .lib, Mac .a
Bibliothek wird durch den Linker in die Executable kopiert

+ nur erforderlicher Code der Bibliothek wird kopiert
+ Keine Versionskonflikte
+ Schneller Startup der Executable
+ Weniger Dateien für Deployment
- Speicherplatzverschwendung
- Updaten der Bibliothek erfordert Kompilierung und das vollständige Ersetzen der Executable
- Problematisch für Internet Downloads

Question 27

Was ist eine dynamische Bibliothek? Nenne Vor- und Nachteile.

Answer 27

Windows .dll, Mac .dynlib
Bibliothek wird bei Runtime der Executable reingeladen

+ Nur Einstiegspunkte werden ins Programm kopiert
+ Code kann bei Runtime geladen werden und nur wenn gebraucht
+ Erweitert Programm ohne Zugang zu Source Code
+ Bibliothek kann updated werden ohne neu zu kompilieren
- Programm besteht aus mehreren Dateien
- Funktionen müssen für Export markiert werden
- Konflikt bei verschiedenen Bibliotheksversionen
- Langsamere Ausführung (Funktionsadressen Lookup)

Question 28

Was sind DLLs? Was enthalten diese?

Answer 28

DLL sind exportierte Tabellen, die den Namen jeder Funktion / Klasse beinhalten
Bei Runtime werden dann die Funktionsadressen in der DLL-Tabelle nachgelesen und die jeweilige Funktion ausgeführt

Question 29

Was ist ein Szenengraph?

Answer 29

Definiert eine Datenstruktur, die alle Informationen einer Szene beinhaltet - kann “aggressive” Optimierungen durchführen, Szenengraphen haben eine hierarchische Baum-ähnliche Struktur und der Basisblock des Szenengraphen ist eine Scene node (kann alles mögliche sein)

Question 30

Was sind typsiche Szenengraph Knoten?

Answer 30

Transformation, Geometrie, Gruppen, Kamera, Lichter, Shader, Animationen und Trigger

Question 31

Wieso werden Szenengraphen verwendet?

Answer 31

1) Produktivität - reduzieren workload durch Kompositionen
2) Portability - können “lower level” tasks vom Grafik Rendering
3) Scalability - komplexere Hardware Konfigurationen sind leichter zu handhaben
4) Performance - Sortieren von Texturen, Materialien, kümmert sich auch um Culling

Question 32

Wie können Szenengraphen dargestellt werden?

Answer 32

Als Baum-ähnliche Szenengraphen (States werden nur geupdated, wenn notwendig - dirty flags) oder als Directed Acyclic Graphen (Nodes können mehrere Parents haben)

Question 33

Was ist Object Level Culling?

Answer 33

Der Szenengraph gibt Wissen über Szene, um auf Object Level zu cullen - es werden Bounding Volumes für Geometrie erstellt und wenn diese nicht im View Frustum sind, werden die Objekte geculled

Question 34

Was sind Bounding Volumes?

Answer 34

Bounding Volumes dienen als “Sichtbarkeitsfaktoren” für Geometrie, um zu wissen, ob diese im View Frustum sind - die Volumes werden als PreProcessor step berechnet und müssen zur Runtime neu berechnet werden - wenn sich das Objekt bewegt, müssen diese neu berechnet werden (AABB)

Question 35

Was ist hierarchisches View Frustum Culling?

Answer 35

Es wird eine Bounding Volume Hierarchie (BVH) erstellt, um Objekte zu gruppieren - es werden zuerst die Gruppen getestet, bevor die einzelnen Bounding Volumes auf einen View-Check getestet werden –> performance Optimierung

Question 36

Welche Spatial Datenstrukturen gibt es?

Answer 36

Objekt-Hierarchien - Bounding Volumes Hierarchie (BVH)

Spatial-Hierarchien - Grids, Quad / Oct-Trees, Kd-Trees, Binary Space Partitioning (BSP)

Question 37

Was ist ein Grid? Benenne Vor- und Nachteile.

Answer 37

Bei einem Grid wird der Spielwelt in einzelne Grids unterteilt und alle Objekte in einem Grid werden der Zelle zugewiesen - so kann schnell nach Objekten für z.B. Visibility Culling gecheckt werden

+ Simpel
+ Direkte Addressierung

• Nur effizient, wenn Nummer der Objekt pro Zelle limitiert ist
• Größe und Anzahl der Zellen muss richtig gewählt werden (zu viele Zellen: hoher Speicherverbrauch, zu wenig Zellen - zu viele Objekte zu checken)

Question 38

Was ist Hierarchical Space Partitioning?

Answer 38

Probleme beim normalen Grid ist, dass eine inhomogene Distribution von Objekte (alle Objekte in einer Zelle) nicht optimal gehandled wird - deswegen wird beim Hierarchical Space Partitioning der verfügbare Space nochmal aufgeteilt in Subdivisionen

Question 39

Was ist ein Quadtree?

Answer 39

= Rekursive Hierachische Subdivision (wenn Objekte in einer Zelle > n, dann unterteile diese Zelle erneut)
Stop-Kriterium für einen Quad Tree ist eine maximale Tiefe bzw. minimum Cell Size
Wenn ein Objekt in mehreren Zellen liegt, dann wird eine Elternzelle bestimmt

Question 40

Was ist ein Octree?

Answer 40

Wie ein Quadtree, nur, dass dieser im 3D-Space ist (Würfel), also wenn mehrere Objekte in einem Bereich sind, wird eine neue Zelle gebildet (wenn Objekte in Zelle > n)

Question 41

Was ist ein Binary Space Partitioning Tree (BSP)? Benenne Vor- und Nachteile.

Answer 41

Spalte den Space anhand einer willkürlich orientierten Plane - via Rekursion wird dann weiter aufgeteilt, bis eine gewisse Anzahl an Objekten bei einem Leaf (Blatt) enthalten ist (Binary Tree)
Dabei wird der Space so aufgeteilt, dass jeweils die Hälfte der Objekte pro Seite der Aufteilung rauskommt

+ Schnelles Traversieren
+ Szene ist balanciert
+ Gut für balancierte Szenen
- Teuer zu bauen

Question 42

Was sind Kd-Trees?

Answer 42

Eine Mischform aus einem Spatial Grid und einem BSP - diesmal werden die Planes nicht willkürlich, sondern axis-aligned aufgeteilt (an Hand vom Median)
Also es wird eine Achse ausgewählt und dann wird der Median von allen Centroiden der Objekte entlang dieser Achse genommen (Median Split)

Question 43

Was sind Vor- und Nachteile von Bounding Volume Hierarchy (BVH)?

Answer 43

+ Kann jederzeit updated werden, auch bei dynamischen Szenen
+ Natürlich für hierarchische Objekte und wenn ein Szenengraph verfügbar ist
- Schlechter beim Durchgehen von Objekten (nearest neighbour)

Question 44

Wie wird die richtige LOD ausgewählt?

Answer 44

Distance LOD - LODs werden basierend auf der Distanz zur Kamera gewählt
Pixel-count LOD - LODs werden an Hand vom sichtbaren Pixel-count ausgewählt

Question 45

Wie werden LODs ausgetauscht? Welcher Effekt kann beim Austauschen von LODs auftreten?

Answer 45

Diskreter Austausch - LODs werden einfach ausgetauscht (simple und effizient, aber popping Effekt)
LOD Blending - LODs werden gefaded mit einer smoothen Transition (simpel und kein popping Effekt, allerdings Kosten vom Rendern von zwei LODs gleichzeitig)

Popping-Effekt - direkter Austausch von LODs kann manchmal weird aussehen, als würden die LODs einfach “reinspawnen”

Question 46

Was sind Continuous LODs?

Answer 46

Idee: Objekte werden zur Runtime simplifiziert angezeigt (das höchste Level der Mesh ist gespeichert und wird progressiv “abgearbeitet” über progressive Mesh Dezimation)

Question 47

Was ist das OSI-Modell? Wie ist dieses aufgebaut?

Answer 47

Das OSI Modell wird für die Netzwerkkommunikation verwendet und besteht aus folgenden Layern (von oben nach unten hin)

Application Layer - das Programm selbst, das die Daten dem User präsentiert
Presentation Layer - übersetzt Daten zwischen dem Application und Network Layer
Session Layer - verwaltet Session-Informationen zwischen Applikationen
Transport Layer - kontrolliert den Fluss von Paketen
Network Layer - sendet Pakete von A nach B
Data Link Layer - kümmert sich um Fehlerhandling beim Datentransfer
Physical Layer - Physische Verbindung zwischen Hardware

Question 48

Wie sieht eine Netzwerkkommunikation üblicherweise aus?

Answer 48

Person A schreibt in den Outgoing Buffer, schreibt in den Stream und sendet diesen an Socket A -> Socket A schickt diese Daten übers Netzwerk an Socket B, wo die Daten wieder aus dem Stream gelesen und in einen Buffer gespeichert werden, wo Person B dann die Daten erhält

Question 49

Was ist der Unterschied zwischen TCP und UDP?

Answer 49

TCP ist verbindungsorientiert, UDP garantiert nicht, dass es eine Verbindung gibt
TCP versichert, dass die Daten auch ankommen, das ist bei UDP nicht so
Leicht zu verwenden, aber langsam vs. schneller wegen weniger overheads

Question 50

Was ist Network Address Translation (NAT)?

Answer 50

Computer haben eine private Adresse im lokalen Netzwerk - aber private IP-Adressen sind nicht zugänglich vom Internet
Die Lösung: Private Adressen werden zu öffentlichen Adressen übersetzt (NAT)

Question 51

Welche Netzwerk Architekturen gibt es für Multiplayer in Spielen?

Answer 51

Peer to Peer - Klienten kommunizieren miteinander (ein Klient ist der Host)
Listening Server - der Host ist Server mit Authorität und alle Klienten kommunizieren mit dem Host
Dedicated Server - Server managed nur das Spiel und hat keine eigenen Spieler - dadurch kann der Server Simulationen und Datenbankberechnungen machen

Question 52

Was sind Remote Procedure Calls (RPC)? Wie unterscheiden sich reliable und unrelieable RPC’s?

Answer 52

Remote Procedure Calls sind interprozess Kommunikationen, wo Maschine A einen gewissen Code auf Maschine B aufrufen möchte

Reliable RPC: Garantieren, dass der Code bei Maschine B auch wirklich ausgeführt worden ist (wird verwendet für wichtige Gameplay Events)
Unreliable RPC: Es gibt keine Garantie, dass Code bei Maschine B wirklich ausgeführt wird, falls Netzwerkfehler oder sonstiges auftreten (wird für unwichtigere Sachen wie VFX Effekte verwendet)

Question 53

Welche Arten von RPC-Calls gibt es?

Answer 53

Client Call - Server ruft Funktion beim Klient auf
Server Call - Klient ruft Funktion beim Server auf
Broadcast - Server ruft eine Funktion bei allen Klienten auf

Question 54

Network Architecture: Was ist Replikation?

Answer 54

Bei Replikation wird der Game State bei allen Klienten repliziert (gleich gehalten) - Replikation muss stets schnell und smooth laufen und so wenig Bandbreite wie möglich verwenden

Question 55

Network Architecture: Was ist Ownership?

Answer 55

Jeder GameObject wird von einem Klient oder Server geowned - dies muss ebenso bei der Replikation vom Game State beachtet werden

Question 56

Wie funktioniert Peer To Peer?

Answer 56

Jeder Klient updated die eigenen GameObjects und sendet diese periodisch (10 - 20 mal pro Sekunde) an andere Klienten

Question 57

Was ist ein GameObject Snapshot?

Answer 57

Beim Snapshot wird das GameObject mit seinem jetzigen Zustand serialisiert, um an andere Klienten / Server gesendet werden zu können - dabei wird nur die wichtige Data gesendet und die Delta Kompression angewandt - also das nur Daten gesendet werden, falls sich diese verändert haben

Question 58

Wie funktioniert eine Client / Server Verbindung?

Answer 58

Client sendet updated GameObjects an Server und der Server broadcasted das GameObject an alle anderen Klienten

Question 59

Was ist ein autoritativer Server?

Answer 59

Der autoritative Server empfängt von den Klienten nur Inputs, updated dann die GameObjects bei sich und überschreibt die Game States bei den Klienten. Dies wird gemacht, damit es nicht zu verfälschten Daten / Cheating kommt - Problem: Latenz

Question 60

Was ist Lag Kompensierung? Welche Elemente beinhaltet es?

Answer 60

Bei der Lag Kompensierung wird geschaut, dass Klienten so wenig vom Lag wie möglich spüren.

Interpolation und Extrapolation: Der Klient speichert sich Snapshots vom Game States von den letzten paar Ticks - beim Rendern wird mit zwischen aktuellem State und vergangenen States interpoliert - falls Snapshots fehlen sollten, kann extrapoliert werden; Interpolation sorgt für Latenz, während Extrapolation zu Prediction Errors führt (sollte vermieden werden)

Input Prediction (Client Side Prediction): Der Klient updated die eigenen GameObjekte und die neue Position wird beim Eingeben des Inputs sofort gerendered - falls der Server dann den richtigen GameState sendet und dieser nicht mit dem lokalen Stand des Spielers übereinstimmt, müssen die lokalen Daten überschrieben werden - Server Reconciliation or Rollback

Question 61

Wie können Prediction Fehler vermieden werden?

Answer 61

Mit deterministischem Game-Update - dadurch kann es zu keinen Fehler mehr kommen (bzw. werden diese reduziert) - Game Updates sollten nur in fixen Zeitschritten geschehen - bei einem Prediction Fehler kann dann der Fehler über eine gewisse Zeit behoben werden, damit dieser nicht so schlimm auffällt

Question 62

Wie löst der Server Probleme, wenn zwei Clients verschiedene Sachen behaupten?

Answer 62

1) Server rewind zu einem Game State, wo der Konflikt passiert ist
2) Server schätzt Client Prediction
3) Falls Klient recht hat, kann der Server diesem recht geben

Question 63

Welche Möglichkeiten gibt es, dass zwei Spieler miteinander in einem Online-Spiel connecten?

Answer 63

1) Direkte Einladung
2) Lobby System
3) Matchmaking

Question 64

Wie funktioniert ein Dedicated Server? Welche Aufgaben erfüllt dieser?

Answer 64

Ein dedicated Server läuft normalerweise mit dem gleichen Code wie ein Klient, nur, dass dieser nicht rendern muss (Server muss gehosted werden)

Tasks:
Cheating Schutz
Speichert Spiel in Datenbank
Statistiken