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Authoring Collaborative Multiplayer Games - Game Design Patterns, Structural Verification, Collaborative Balancing and Rapid Prototyping

Reuter, Christian :
Authoring Collaborative Multiplayer Games - Game Design Patterns, Structural Verification, Collaborative Balancing and Rapid Prototyping.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Authoring Collaborative Multiplayer Games - Game Design Patterns, Structural Verification, Collaborative Balancing and Rapid Prototyping
Language: English
Abstract:

Video games are not only a growing business field, but also provide interesting research opportunities. In particular, collaborative multiplayer games have become increasingly popular with players, developers and researchers alike. These games offer players the opportunity to tackle difficult challenges together instead of competing against each other. Collaboration within a game not only increases player interest and developer revenue, research has also shown that it can have positive effects on the players' social skills.

The rise of collaborative games, however, also has a downside. As more developers create this kind of game, instances in which players complain about the collaborative elements being implemented halfheartedly are becoming more and more frequent. At least in part, this can be attributed to the fact that developing collaborative multiplayer games introduces unique challenges to the game development process. The players must not only get enough opportunities to interact with each other in a meaningful way, but it is also essential that their contributions are similar. Moreover, testing the game becomes more difficult due to a higher number of testers required. But even when there are enough testers, the complexity of the state space grows exponentially with each new player. This means that human testers are often unable to test every combination of events. These aspects make it much harder to develop collaborative games, especially for small and inexperienced teams.

Although these issues are well known, the current state of the art is only partially able to solve them. For example, there are guidelines on how to develop collaborative games - but these only give general ideas. Therefore, they are not always directly implementable, especially for developers that are new to multiplayer development.

This thesis aims at supporting those developers by conceptualizing an authoring environment that addresses these issues. Its overall concept consists of three steps or four modules: Game design patterns as player interaction templates (1), a formal analysis concerning structural errors (2a) and collaborative balancing (2b) as well as a rapid prototyping environment (3).

To help developers with the initial design, a number of well-received player interactions, which can be seen as the central element of a collaborative game, is gathered. These interactions are described using the well-known format of game design patterns. In order to make the patterns more user-friendly, the format is extended with properties specific to collaborative interaction. For example, one property describes whether the players must be close to each other in order to trigger the interaction. Following this, a representative selection of the patterns is used to develop a game, in which collaboration can be switched off. This game is evaluated in a user study later. Here, the outcomes have shown that the interactions are well received by the players.

If combined in the wrong way, however, these interactions can cause structural issues such as deadlock situations, i.e. a state from which the game can no longer be completed. In order to detect such problems, verification algorithms can be used. Those require the transformation of the game into a formal model. As such, colored petri nets are chosen, since they can model concurrent actions by multiple players. Since developers cannot usually be expected to create such a model by themselves, an automated transformation approach is devised. For that, rules between each element of the underlying game model and the elements of a colored petri net are defined. Additionally, optimization rules are developed to mitigate the state space explosion when verifying complex games. These rules use knowledge about the game model in order to reduce the complexity of the resulting petri net. Evaluations with both existing games and synthetic examples confirm that such a verification approach is viable for smaller games.

Whether the game involves all players on an equal basis can be checked in tandem to this. However, a novel definition for balancing in collaborative games needs to be created first, as the related work only examines balancing from a competitive perspective. Based on this definition, concrete measurements to indicate disparities between the players are devised. As the games' complexity and the players' influence on the course of the game prevent exact measurements, an approximation approach is instead developed. Similar to the structural verification, an evaluation shows that this approach works for smaller games.

Finally, a rapid prototyping environment is designed, which allows a single developer to test games designed for up to four players. For this, visual and audio information for separate players is made both observable and, at the same time, clearly attributable. Additionally, simultaneous player actions can be simulated by using a record and replay approach.

By implementing and evaluating these modules, this work is able to show how development issues that are specific to collaborative multiplayer games can be addressed. Using these modules can therefore reduce the effort involved in developing collaborative multiplayer games.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Videospiele repräsentieren nicht nur einen kommerziell wachsenden Markt, sondern stellen auch ein interessantes Forschungsfeld dar. Insbesondere kollaborative Mehrspieler-Spiele werden immer beliebter, sowohl bei Spielern und Entwicklern als auch in der Forschung. Diese Art von Spielen ermöglicht es den Spielern, Herausforderungen zusammen mit ihren Freunden zu bewältigen anstatt sich mit diesen im Duell zu messen. Kollaboration in Spielen kann dabei nicht nur das Interesse der Spieler und die Absatzszahlen der Entwickler erhöhen. Wissenschaftliche Studien haben außerdem gezeigt, dass diese Zusammenarbeit positive Auswirkungen auf die sozialen Fähigkeiten der Spieler haben kann. Die wachsende Beliebtheit von kollaborativen Spielen hat aber auch eine Kehrseite. Während immer mehr Entwickler diese Art von Spielen erstellen, mehren sich gleichzeitig die Fälle, in denen sich Spieler über nur halbherzig umgesetzte Kollaborationselemente beschweren. Zumindest partiell kann dies damit erklärt werden, dass die Entwicklung dieser Art von Spielen besondere Herausforderungen beinhaltet. Beispielsweise sollten die Spieler nicht nur sinnvoll miteinander interagieren können, sie sollten auch vergleichbare Beiträge zur Lösung des Spiels liefern. Auch das Testen des Spieles wird alleine dadurch schwieriger, dass eine größere Anzahl von Spielern benötigt wird. Selbst wenn genug Testspieler zur Verfügung stehen, steigt jedoch die Komplexität des Zustandsraumes durch jeden weiteren Spieler. Daher ist es menschlichen Testspielern oft nicht möglich alle denkbaren Varianten des Spiels zu durchlaufen. All diese Aspekte erschweren die Entwicklung von kollaborativen Spielen, insbesondere für kleine und unerfahrene Entwicklerstudios. Obwohl diese Herausforderungen bekannt sind, gibt es aktuell nur teilweise Lösungsansätze. Beispielsweise gibt es Empfehlungen für die Entwicklung von kollaborativen Spielen - jedoch beinhalten diese meist nur grundsätzliche Aspekte. Sie sind daher oft nicht direkt umsetzbar, insbesondere wenn die Entwickler vorher noch keine Erfahrungen mit Mehrspieler-Spielen gesammelt haben. Um genau diese Entwickler zu unterstützen, wird im Rahmen dieser Dissertation eine Autorenumgebung konzipiert, die diese Probleme gezielt adressiert. Das Konzept hierfür gliedert sich in drei Stufen beziehungsweise vier Module: Game Design Patterns als Vorlagen für Spieler-Interaktionen (1), eine formale Analyse bezüglich struktureller Fehler (2a) und kollaborativem Balancing (2b) sowie eine Umgebung die das Testen des Spiels vereinfacht (3). Um den Entwicklern einen Einstieg zu bieten, wird eine Menge von beliebten Spielerinteraktionen identifiziert, die als das zentrale Element eines kollaborativen Spieles gesehen werden können. Diese werden anschließend im bekannten Format der Game Design Patterns beschrieben. Um deren Nutzung zu vereinfachen, wird das Format vorher um zusätzliche, Interaktions-spezifische Eigenschaften erweitert. Beispielsweise wird so beschrieben, ob sich die Spieler am gleichen Ort befinden müssen, um die Interaktion ausführen zu können. Danach wird eine repräsentative Auswahl der Interaktionsmuster zur Entwicklung eines Beispiel-Spiels eingesetzt, in dem die Kollaboration auch ausgeschaltet werden kann. Dieses Spiel wird anschließend mit Hilfe einer Benutzerstudie evaluiert. Diese zeigt, dass die Interaktionen von den Spielern positiv bewertet werden. Bei ungünstiger Kombination dieser Interaktionen können strukturelle Probleme wie Zustände, in denen ein Spiel nicht mehr regulär beendet werden kann, entstehen. Zur Erkennung derartiger Probleme können Verifikationsalgorithmen eingesetzt werden. Für diese muss das Spiel in ein formales Model überführt werden. Hierfür werden farbige Petri Netze gewählt, da diese parallele Aktionen von mehreren Spielern abbilden können. Da man von einem Entwickler nicht erwarten kann, dass dieser selbst ein entsprechendes Model erstellt, wird zudem eine automatische übersetzung entworfen. Diese beinhaltet übersetzungsregeln für jedes Element des zugrundeliegenden Spiel-Models in Petri Netz Elemente. Um der Zustandsexplosion bei der Verifikation von komplexen Spielen entgegenzuwirken, werden zusätzliche Optimierungsregeln entwickelt. Die Regeln nutzen dabei Wissen über das Spielmodell um die Größe des entstehenden Petri Netzes von vornherein zu reduzieren. Eine Evaluation mit realen und synthetischen Beispielen zeigt, dass eine derartige Verifikation für kleinere Spiele möglich ist. Gleichzeitig sollte geprüft werden, ob das Spiel alle Spieler gleichermaßen fordert. Hierfür muss zunächst eine neue Definition für Balancing in kollaborativen Spielen entwickelt werden, da die verwandten Arbeiten lediglich eine kompetitive Perspektive einnehmen. Basierend auf dieser Definition werden konkrete Metriken entwickelt, die Ungleichheiten zwischen den Spielern aufzeigen können. Da die Komplexität der Spiele und der Einfluss der Spieler auf den Spielablauf jedoch eine exakte Berechnung unmöglich machen, wird stattdessen eine Abschätzung entwickelt. Analog zur strukturellen Verifikation kann per Evaluation gezeigt werden, dass dieser Ansatz für kleinere Spiele funktioniert. Zuletzt wird eine Umgebung für schnelle Tests entwickelt, die es sogar einzelnen Autoren, ein Spiel für bis zu vier Spieler zu testen. Dazu werden optische und akustische Informationen für verschiedene Spieler so vermittelt, dass sie gleichzeitig verfügbar und trotzdem klar zuordenbar sind. Simultane Aktionen mehrerer Spieler können zudem per Aufzeichnung von Eingaben simuliert werden. Durch die Implementierung und Evaluation dieser Module kann diese Arbeit zeigen, dass dadurch Probleme angegangen werden können, die für kollaborative Mehrspieler-Spiele spezifisch sind. Die Nutzung der Module bietet daher das Potential den Erstellungsaufwand für kollaborative Mehrspieler-Spiele zu reduzieren.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics > t Multimedia Communications
Date Deposited: 05 Aug 2016 10:19
Last Modified: 09 Dec 2016 10:39
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-56167
Referees: Steinmetz, Prof. Dr. Ralf and Effelsberg, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 25 July 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5616
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