Unity und C#: Einstieg ins Game-Engineering

In diesem Kurs geht es um die Grundlagen der Spielentwicklung in Unity. Dabei lernst Du virtuelle Welten aufzubauen und Programmlogik mit C# zu formulieren. Wir schauen uns Lösungswege und auch typische Probleme an, die bei der Arbeit mit Unity üblicherweise auftreten.

Die einzelnen Funktionen des Programms werden Schritt für Schritt besprochen und direkt innerhalb der Software erklärt. Die jeweiligen Umsetzungsbeispiele und Übungen kannst du sofort mitmachen und so das Gelernte selbst ausprobieren.

Am Ende dieses Kurses hast du einen kompletten Überblick über Unity und kennst alle wichtigen Funktionen die du brauchst um deine Inhalte umzusetzen. Beginnend bei der Frage wie du Modelle von Blender nach Unity exportierst, über die Organisation von Szenen, dem Anlegen von Animationen, Beleuchtung, Kameraeinstellungen und 2D-Grafik bis hin zur Verbindung mit Programmlogik, Physikberechnungen und Interaktionsmöglichkeiten wird der gesamte Workflow abgebildet.

Themengruppen in diesem Kurs:

1. Virtuelle Szenen mit 3D- und 2D-Modellen aufbauen

2. Objekte per C#, Tools und künstlicher Intelligenz erzeugen, verändern und animieren

3. Materialien, Texturen und Shader mit der Universal Renderpipeline darstellen

4. Lichtquellen, indirektes Streulicht, Spiegelungen und Kameratechnik in Szene setzen

5. Spieldaten von der Engine trennen, speichern und laden

Nicht nur Spiele sondern auch viele andere Produkte wie z.B. Simulationen oder Produktvisualisierungen stellen hohe technische Ansprüche, die eine GameEngine erfüllt. Das in diesem Kurs erworbene Wissen lässt sich somit zur Umsetzung von Spielen wie auch zahlreichen weiteren Anwendungsgebieten nutzen.

Die Kursinhalte im Detail: 

Einführung und Setup

• Unitys Lizenzmodell und Installation
  Lizenzen, Versionen und Module in Unity, Unity. Anmeldung & Installation. Aktivierung und Lizenz einrichten. Was ist Unity Hub? Installationprozess durchlaufen.

• Anbindung von Visual Studio
  Visual Studio als Code-Editor installieren, bestehende VS-Installation anbinden. Plattform-Ziele (nach)installieren. Problem: Keine Auto-Vervollständigung in VS.

Unity-Grundlagen

• Elemente von Unity-Projekten
  Struktur eines Unity-Projekts, Projekte in Unity-Hub anlegen, Projekt-Struktur, Projektdarstellung im Editor, Problem: Objekt-Beziehungen gehen verloren, Begriff des „Assets“.

• Ein minimales Programm in Unity
  Code schreiben & ausführen, Hello World, Aufbau eines minimalen Unity-Scripts.

• Unity-Message-Methoden
  Was ist sind Unity-Messages? Welche vordefinierten Messages gibt es? Sichtbarkeitsmodifikatoren. Welchen Schutzgrad brauchen Messages wie z.B. Start()? Aufbau eines minimalen Unity-Scripts.

• Komponenten-Architektur
  Begriff der Komponente. Fehler: "Can‘t add script component […] because the script class cannot be found."

• Felder, Attribute und der Inspector
  Was sind Felder? Feld-Werte über den Inspector steuern. Wie funktionieren Inspector-Werte technisch gesehen? Was sind „Attribute“ und was bewirkt [SerializeField]?

• IMGUI – Einfache grafische Diagnosetools
  Was ist das IMGUI (Immediate Mode GUI)? Funktion von OnGUI().

• Eingabe-Elemente im IMGUI
  Wie unterscheidet sich das IMGUI vom sonst üblichen Programmierstil in Unity? Problem: Die manuelle Angabe der Zeichnen-Koordinaten ist sehr mühsam.

• Interaktives Quiz zu diesem Kapitel

Raum und Input

• Organisation von 3D-Elementen
  Objekte im virtuellen Raum, Game Objects als Grundtyp, GameObject und gameObject, Szenengraph und Hierarchie

• Transform-Eigenschaft
  Objekte im Raum transformieren, Code-Element „transform“: Zugriff auf die Objekt-Position.

• Objekte per Code im Raum verschieben
  Vector3 und Vector2. Positionen zuweisen. Problem: Der Rückgabewert von Transform.position ist keine Variable und kann nicht geändert werden.“ [CS1612]

• Objekte per Code skalieren

• Objekte per Code rotieren
  Zugriff auf die Rotation, Besonderheiten der Rotation, Objekt per C# um die eigene Y-Achse um 45° drehen.

• Wie wird ein Objekt nach vorne bewegt?

• Objekte hierarchisch organisieren
  Zugriff auf die Hierarchie und Elternobjekte.

• Reflektion: Erkenntnisse zum „Transform“

• Zeitliche Verläufe mit Update und deltaTime realisieren
  Eingaben per Input erfassen. Wie wird ein Tastendruck abgefragt?

• Eingabeachsen
  Spiel-Eingaben erfassen, Input-Axes einrichten, Wie wird ein Achsensignal abgefragt?

• Interaktives Quiz zu diesem Kapitel

Assets und Instanzen

• Klickereignisse auf 3D-Objekten
  Grundlagen Mausinteraktionen, Wie reagiert ein Objekt auf konkrete Mausinteraktionen? OnMouseUpAsButton(). Problem: Rechte Maustaste nicht identifizierbar.

• Modelle von Blender nach Unity portieren
  Modell von Blender nach Unity exportieren, Welches Dateiformat für Exporte verwenden? Export-Import-Ablauf

• Problemlösungen beim Portieren: Objektursprung und Größenverhältnisse
  Wo soll der Objektursprung in Blender liegen? Probleme: Größenverhältnisse zwischen Blender und Unity stimmen nicht. Unterschiedliche Koordinatensysteme. Importierte Modelle sind in Unity gedreht und skaliert.

• Austauschen eines lückenhaft erscheinenden Modells
  Problem: Das Modell ist in Unity irgendwie löchrig.

• Arbeitsfluss bei der Asset-Produktion
  Asset-Pipeline: Was wird wo gebaut? Allgemeine Entscheidungshilfe: Dynamik & Interaktivität. Wie sieht die Produktionspipeline für ein Maisfeld im Spiel aus?

• Modell-Instanzen per Code ansteuern
  Mit Assets und Instanzen programmieren, Game Object – Instanzen, Duplikate, Instantiate(originalGO), Destroy(gameObject), DestroyImmediate(gameObject)

• Aktivieren und Deaktivieren von Objekten und Komponenten
  SetActive(zustand) vs. enabled-Eigenschaft. Problem: Meine Komponente hat kein Häkchen.

• Objekte suchen und finden
  Wie findet ein GameObject ein anderes? Wie findet eine Komponente eine andere? Häufige Suchläufe. Objekte explizit koppeln.

• Objektkomposition per Prefab
  Wie lassen sich Objektkompositionen wiederverwenden? Was sind Prefabs? Wie wird ein Prefab erzeugt? Eigenschaften und Verhalten von Prefab-Instanzen. Eigenschaften und Verhalten von Prefab-Assets

• Interaktives Quiz zu diesem Kapitel

Material, Textur und Shader

• Unterscheidung Materialien, Shader & Texturen
  Begriffsunterscheidung. Material in Unity. Welche Rolle spielen Shader?

• Render-Pipelines
  Was ist die Render-Pipeline (RP)? Render-Pipelines in Unity. Wie wird die Universal Render Pipeline (URP) in neuem Projekt aktiviert? Was ist der Package Manager? Umstellung auf Universal Render Pipeline. Problem: Nach Umstellung auf URP erscheinen die Szenen-Objekte pink.

• Shader Graph-Editor
  Installation des Shader Graph per Package Manager, Wie funktioniert der Shader-Graph-Editor?

• Portierung von Materialien
  Wie wird ein Blender-Material nach Unity überführt? Texturemaps als Materialfundament

• Arbeiten mit Material-Assets
  Wie ändert man das Material eines importierten Modells in Unity? Wie werden Material-Assets erzeugt? Wie ändert man das Material eines einzelnen Modells in der Szene? Wie ändert man ein Material per C#?

• Problem: Material-Änderung per Code wirkt nicht.
  Typische Textur-Probleme, Ausgangssituation. Probleme: Pixel tauchen auf, die in der Textur garnicht vorkommen, Texturkanten zeigen einen Farbschimmer. Wie wird eine Textur gekachelt? Pixel und Kanten werden immer geglättet. Die Textur wird verzerrt importiert.

• Mapping-Koordinaten
  UV-Koordinaten in Unity, Wie erreicht Code die UV-Koordinaten? Beispiel: 2D-Gesichter bei Klick ändern.

• Videotexturen

• Interaktives Quiz zu diesem Kapitel

Animation und Bewegung

• Animationsprogrammierung
  Wie fährt ein Objekt von A nach B? Lerp(von, bis, prozent). Version mit Kopplung über öffentliches Feld.

• Bewegungsprogrammierung mittels iTween.
  Installation der iTween-Bibliothek per Package Manager. Bewegung mit iTween. iTween: Easing (Bewegungsabschwächung). Wie werden Parameter an iTween übergeben? Welche Parameter unterstützt iTween.Hash?

• Pfadanimation
  Installation des iTween-Pfadeditors per Download. Wie wird eine Pfadanimation in Unity mittels iTween realisiert? Beim Loop springt die Animation.

• Hierarchische Animation
  Bones & Rigging. Produktions-Pipeline einer Bones-Animation.

• Clips
  Wie wird ein Clip-Asset abgespielt? Animation als Zustandsvisualisierung. Clips auf Zustände (States) abbilden. Zustandsübergänge (Transitions).

• Typische Probleme im Animator
  Wie wird ein Clip im Animator wiederholt? Der Clip wirkt abgeschnitten. Eine dem FBX hinzugefügte Animation erscheint nicht als Clip.

• Übergänge und Parameter im Animator
  Zustandswerte (Parameter). Wie löst C# den Animation-State-Wechsel aus? Fehler: Pro State einen Parameter anlegen. Was bedeuten die Standard-Zustände im Animator?

• Ebenen und Gewichte
  Animator-Layer

• Weitere Animationstechnik: Vertex- Animation

• Interaktives Quiz zu diesem Kapitel

KI und Physik

• Überblick KI / AI in Games

• Unitys Physik-System
  Collider: Typische Funktionen. Wann simuliert Unity Physik auf Objekten?

• Physiksimulation gezielt beeinflussen
  Problem: Explizite Transformation & Physik stören sich. isKinematic-Eigenschaft.

• Kollisionen
  OnCollisionEnter und Typische Collider-Funktionen

• Physik-bezogener Code
  Was gehört in Update bzw. FixedUpdate? Wie werden Objekte gezielt per Physik bewegt?

• Kollisionsabfrage per Strahlverfolgung (Raycast)
  Raycast(strahl, …) und grafische Diagnose eines Raycast.

• Pfadfindung in Unity
  Navigationsprobleme in der Praxis. Was sind statische Game-Objects?

• Bewegung per NavMesh-System
  Was sind NavMeshes und NavAgents? Wie wird ein NavMesh in Unity erstellt? Wie wird ein NavAgent in Unity erstellt? Das Navmesh geht nicht bis zum Rand. Wie verhindert ein NavAgent dynamische Objekte?

• Feinderkennung durch NPCs
  Wie sieht ein NPC ein anderes Objekt? Welche Objekte liegen im Sichtfeld des NPC?

• Interaktives Quiz zu diesem Kapitel

Kamera-Steuerung

• Second-Person-Perspektive
  Modell der „Gott“-Kamera bzw. Vogelperspektive. Blickweite vs. Clipping, Linienverkürzung

• Panning-Bewegung der Kamera
  Wie wird ein Panning im 3D-Raum realisiert?

• Third-Person-Perspektive
  Modell der „Cinematic“-Kamera in Beobachterperspektive. Verfolgerkamera per Parenting umsetzen.

• Constraints
  Was sind Constraints? Wann Constraints und wann z.B. transform.LookAt?

• Mehrere Kameras einsetzen
  Wie wird ein Kamerawechsel programmiert?

• First-Person-Perspektive
  Modell der „Ego“-Kamera in Normalsicht. Wie ist ein MouseLook aufgebaut? Wie wird ein MouseLook umgesetzt?

• Essentielle Kamera-Eigenschaften
  Kamera-Eigenschaften, Brennweite, Zoom und Dolly

• Explizites Rendern
  Wie wird ein echter Spiegel realisiert?

• Interaktives Quiz zu diesem Kapitel

Beleuchtungseffekte in der Universal Render Pipeline

• Einführung Beleuchtung
  Rolle der Beleuchtung, Beleuchtungsarten in Unity

• Indirektes Licht
  Wie wird indirektes Licht in Unity aufgesetzt?

• Probleme beim indirekten Licht
  Mein Mesh empfängt kein indirektes Licht. Lightmaps ignorieren dynamische Objekte. Wie werden bewegliche Objekte indirekt beleuchtet?

• Spiegelungen
  Spiegelungen per Lichtsystem, Performance von Reflexionen verbessern.

• Gerichtetes Licht

• Umgebungslicht
  Licht der Skybox

• Punkt- und Kegellicht

• Flächen-Licht

• Material-Emissionen

• Schatten
  Schattenwurf konfigurieren, komplexe Schatten simulieren: Ambient Occlusion

• Transparenz
  Alpha-Transparenz

• Programmierung eines Flackerlichts

• Interaktives Quiz zu diesem Kapitel

2D-Grafik und GUI

• Wie unterscheidet sich 2D von 3D in Unity?
  Ist mein Projekt 2D oder 3D?

• Sprites
  Was sind Sprites? Sprites in der (3D-)Szene rendern

• Animation von Sprites
  Unity-Keyframe-Animation aufsetzen

• 2D-Physik und Kollisionen
  Canvas-Layout-System (UGUI), Bild-Eigenschaften von Spielszenen, Bild-Eigenschaften von GUI-Elementen, Kernbestandteile von Unitys GUI-System. Wie wird das UI-Layout-System angelegt?

• Grundlagen des Canvas
  RectTransform, Werkzeuge für UI-Bearbeitung, RectTransform: Pivotpunkt und Anker.

• Dynamische Layouts
  Problem: Elemente überlappen sich bei wenig Platz. RectTransform: Anker-Streckung. Ergebnis bei Änderung der Bildschirmgröße. Wie wird eine Vignette oder ein Bloodscreen realisiert?

• UI-Skalierung aufgrund der Bildschirmgröße
  Problem bei Größenänderung mit Inhaltsblöcken, Canvas Scaler, Prinzip von Scale With Screen Size.

• Skalierbare Sprites
  Unterschied Skalierung und Größenänderung. Was ist ein 9-Slice oder 9-Grid?

• Autolayouts
  Wie werden GUI-Elemente als Liste angeordnet?

• Event System
  Wie wird eine Methode an einen GUI-Button gebunden?

• Interaktives Quiz zu diesem Kapitel

Daten und Persistenz

• Hintergrund zur Notwendigkeit der Datentrennung
  Das Spiel als Zustandssammlung persistente und transiente Informationen. Spielmechaniken nach J. Schell (Wh. Game Design) Objekte, Attribute, Status. Inspiration: Endlicher Automat.

• Daten vom Szenengraph trennen
  Wie werden Spielinhalt und Darstellung getrennt? Warum ist die strenge Trennung von Daten und Darstellung wichtig? Fehler: Datenobjekte und Engineobjekte mischen

• Spielobjekt durch Spieldaten steuern
  Sonnenlichtwinkel durch Uhrzeit steuern

• Speichern und Laden von Daten
  „Serialisierung“ und „Deserialisierung“. Wie wird ein Daten-Objekt in einen String konvertiert?

• Daten/Dateien schreiben und lesen
  Wohin werden Savegames gespeichert? Woraus entsteht Application.persistentDataPath?

• Scriptable Objects
  Serialisierungsformen in Unity. Wie wird ein Scriptable Object erzeugt und benutzt?

• Szenenmanagement
  Wie wird zu einer anderen Szene gewechselt?

• Wie bleiben Daten über Szenenwechsel hinweg erhalten?
  Laden und Mischen mehrerer Szenen. DontDestroyOnLoad.

• Interaktives Quiz zu diesem Kapitel

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