Procedural content generation for games

Freiknecht, Jonas

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URL:	https://madoc.bib.uni-mannheim.de/59000
URN:	urn:nbn:de:bsz:180-madoc-590005
Dokumenttyp:	Dissertation
Erscheinungsjahr:	2021
Ort der Veröffentlichung:	Mannheim
Hochschule:	Universität Mannheim
Gutachter:	Effelsberg, Wolfgang
Datum der mündl. Prüfung:	12 Februar 2021
Sprache der Veröffentlichung:	Englisch
Einrichtung:	Fakultät für Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsmathematik > Praktische Informatik IV (Effelsberg 1989-2017)
Fachgebiet:	004 Informatik
Freie Schlagwörter (Deutsch):	Prozedurale Generierung , virtuelle Welten , serious games
Freie Schlagwörter (Englisch):	Procedural content generation , virtual worlds , serious games
Abstract:	Virtual worlds play an increasingly important role in game development today. Whether in the entertainment industry, education, collaboration or data visualization - virtual space offers a freely definable environment that can be adapted to any purpose. Nevertheless, the creation of complex worlds is time-consuming and cost-intensive. A classic example for the use of a virtual world is a driving simulator where learner drivers can test their skills. The goal of the generation process is to model a realistic city that is large enough to move around for a long time without constantly passing places that have already been seen. Streets must be realistically modeled, have intersections, represent highways and country roads and create an image through buildings that create the greatest possible immersion in the virtual world. But there is still a lack of life. Pedestrians have to populate the streets in large numbers, other cars have to take part in the traffic, and a driving instructor has to sit next to the learner driver, commenting on the actions and chatting away on long journeys. In short, the effort to model such a world by hand would be immense. This thesis deals with different approaches to generate digital content for virtual worlds procedurally i.e., algorithmically. In the first part of this thesis, virtual, three-dimensional road networks are generated using a pre-defined network graph. The nodes in the graph can be generated procedurally or randomly or can be imported from open data platforms, e.g., from OpenStreetMaps (OSM). The automatic detection of intersections makes the generation flexible. The textures used for roads and intersections are constructed from prefabricated sprites whenever possible, or, in the case of a very individual construction, are newly generated during generation. The ability to create multi-lane roads gives the virtual cities a higher degree of realism. The interstices of the road network usually contain buildings, industrial areas, common areas or agricultural land. Once these so-called parcels have been identified, they can be populated with precisely these contents. In this dissertation we focus on accessible residential buildings. The second part of this thesis discusses a novel method of building generation that allows to procedurally create walk-in, multi-storey buildings. The proceeding of simple mesh generation as shown in the road network generation is extended by rules and constraints that allow a flexible floor planning and guarantee a connection of all rooms by a common corridor per floor and a staircase. Since a cityscape is usually characterised by different building shapes, the generation can be parameterized with regard to texturing, roof design, number of floors, and window and door layout. In order to ensure performance when rendering the city, each building is generated in three levels of detail. The lowest level only shows the outer walls, the highest level shows the interior rooms including stairs, doors and window frames. Once the environment is created in a way that allows the player a certain immersion, the game world has to be filled with life. Thus, the third part of this thesis discusses the procedural creation of stories for games based on pre-trained language models. The focus here is on an interactive, controlled way of playing, in which the player can interact with the objects, persons and places of the story and influence the plot. Actions generated from the entities of the previous section of the story should give a feeling of a prepared story, but always ensure the greatest possible flexibility of course. The controlled use of places, people and objects in the player's inventory allows a porting to a three-dimensional game world as well as the gameplay in the form of a text adventure. All methods for creating digital content presented in this thesis were fully implemented and evaluated with respect to usability and performance.
Übersetzung des Abstracts:	Virtuelle Welten spielen in der heutigen Zeit der Spieleentwicklung eine immer wichtigere Rolle. Sei es in der Unterhaltungsbranche, in der Ausbildung, der Kollaboration oder der Datenvisualisierung - der virtuelle Raum bietet eine frei definierbaren Umgebung, die jedem Zweck beliebig angepasst werden kann. Dennoch ist die Erzeugung komplexer Welten zeitaufwendig und kostenintensiv. Ein klassisches Beispiel für die Verwendung einer virtuellen Welt ist ein Fahrsimulator, an dem Fahrschüler ihre Fähigkeiten testen können. Dafür gilt es, eine realistische Stadt zu modellieren, die groß genug ist, um längere Zeit darin herumzufahren, ohne andauernd auf bereits gesehenen Orten zu stoßen. Straßen-züge müssen realistisch modelliert werden, Kreuzungen, Autobahnen und Landstraßen auf-weisen und durch Gebäude ein Bild vermitteln, das eine größtmögliche Immersion in die virtuelle Welt zulässt. Doch fehlt es nun immer noch an Leben. Passanten müssen in großer Zahl die Straßen bevölkern, andere Autos am Verkehr teilnehmen, und neben dem Fahrschüler muss ein Fahrlehrer sitzen, der das Fahrverhalten seines Schülers kommentiert und bei langen Strecken aus dem Nähkästchen plaudert. Kurzum, der Aufwand eine solche Welt händisch zu modellieren wäre immens. Um diesen Herausforderungen entgegen zu treten, werden in der vorliegenden Arbeit Methoden aus der prozeduralen (algorithmischen) Generierung virtueller Welten vorgestellt. Im ersten Teil werden virtuelle, dreidimensionale Straßennetze anhand fester Knotenpunkte erzeugt. Diese Knotenpunkte können wiederum prozedural oder zufällig erzeugt oder aber aus bestehendem Kartenmaterial, z.B. aus OpenStreetMaps (OSM) importiert werden. Durch eine automatische Erkennung von Kreuzungen ist die Erzeugung flexibel auf beliebige vordefinierte Netze anwendbar. Die Texturen, die für Straßen und Kreuzungen verwendet werden, werden, sofern möglich, aus einfachen Sprites konstruiert oder im Falle eines sehr individuellen Konstrukts während der Erzeugung generiert. Die Möglichkeit, mehrspurige Straßen zu erzeugen, verleiht den virtuellen Städten einen erhöhten Grad an Realismus. In den Zwischenräumen des Straßennetzes finden sich häufig Wohngebäude, Industriegebiete, Gemeinschaftsplätze oder Agrarland. Sind diese sogenannten Parzellen erst einmal identifiziert, können sie mit eben diesen Objekten versehen werden. In dieser Arbeit fokussieren wir uns auf die Erzeugung von Wohngebäuden. Im zweiten Teil der Arbeit werden begehbare, mehrstöckige Gebäude erzeugt, die sich in das Stadtbild einfügen. Neben dem flexiblen Grundriss wird insbesondere Wert auf eine möglichst glaubhafte Gestaltung der Innenräume gelegt, sowie auf eine Verbindung über einen gemeinsamen Flur oder ein Treppenhaus. Da ein Stadtbild in der Regel unterschiedliche Bauformen aufweist, kann die Generierung hinsichtlich Texturierung, Dachgestaltung, Höhe der Gebäude, sowie Fenster- und Türlayout parametrisiert werden. Um die Performance beim Rendering der Stadt zu gewährleisten, hat jedes Gebäude bei Fertigstellung drei Detailstufen. Die niedrigste Stufe bildet lediglich die Außenmauern ab, die höchste die Innenräume samt Treppen, Tür und Fensterrahmen. Ist die Umgebung in einer Ausprägung geschaffen, die dem Spieler eine gewisse Immersion ermöglicht, gilt es, die Spielwelt mit Leben zu füllen. Im dritten Teil dieser Arbeit wird die prozedurale Erzeugung von Geschichten für Spiele auf Basis von vortrainierten Language Models besprochen. Dabei liegt der Fokus auf einer interaktiven, kontrollierten Spielweise, in der der Spieler mit den Gegenständen, Personen und Orten der Geschichte interagieren und auf die Handlung Einfluss nehmen kann. Aktionen, die unter Verwendung aus vorherigen Abschnitten extrahierten Entitäten generiert werden, sollen das Gefühl vermitteln, dass die Geschichte sorgfältig vorbereitet wurde, und doch die größtmögliche Flexibilität für den Handlungsverlauf ermöglichen. Die kontrollierte Verwendung von Orten, Personen und Gegenständen im Inventar des Spielers erlauben eine Portierung auf eine dreidimensionale Spielwelt sowie das Gameplay in Form eines Textadventures. Alle Methoden zur Erzeugung digitaler Inhalte, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, wurden in vollem Umfang implementiert und hinsichtlich Nutzbarkeit und Performance evaluiert. (Deutsch)