复杂系统与涌现
Complex Systems & Emergence
Adams & Dormans 第 3 章把玩法看作游戏这一复杂系统 (Complex System) 的涌现属性:涌现处于有序与混沌之间,只有系统运转起来才会出现,所以只能靠原型与测试。借助复杂性科学,作者提炼出促成涌现的三个结构特征——活跃且相互连接的部件、反馈回路、不同尺度上的行为——并引入 Fromm 的涌现分类,作为 Machinations 框架的出发点。
玩法是涌现属性(第 3 章 Gameplay as an Emergent Property of Games,印刷页约 p.43–45)
- 玩法 (Gameplay) =游戏给玩家的挑战+玩家能执行的动作;与挑战相关的动作由机制管理(实现了跳跃机制,化身才能跳)。
- 可以把每个挑战都配一个唯一解动作(文字冒险),但多数游戏不是这样:《俄罗斯方块》没人去编写所有方块序列,挑战来自随机方块序列与玩家此前应对的组合,每次都不同,玩家对挑战有一定控制;极少的动作应对无限变化的挑战。单人纸牌也一样。
- Harvey Smith(2001 "The Future of Game Design")主张从"为单个预设挑战做特例方案"转向简单、一致、可有趣组合的机制,哪怕会出现奇怪结果。火箭跳 (Rocket Jumping):爆炸对附近物体施力,玩家借此跳得更高更远——Smith 视之为机会而非问题,主张围绕表达性系统 (Expressive Systems) 设计更多游戏。
- 一致性胜于真实 (Consistency over Realism):Steven Poole《Trigger Happy》(2000)——真实的 F1 游戏要练多年才能开,太空射击的武器应像《星球大战》的爆能枪而非光速、不可见的真实激光;玩家玩游戏是为了做现实中不可能或不安全的事。但玩家要求一致:火箭能炸死强敌却炸不开薄木门会让人沮丧。
- 涌现型重玩价值高,每局都是游戏与玩家合作的独特结果;但规则复杂度与行为复杂度的关系不是线性的,加规则不会让游戏更有趣,有时减少规则反而更能得到真正有趣的涌现。
有序与混沌之间(第 3 章 Between Order and Chaos,印刷页约 p.45–48)
"复杂系统"指由许多部件组成的系统,而不是难以理解的系统;部件单独看往往简单,组合后却难以预测——游戏是复杂系统文献中的经典例子。系统行为分四类:
flowchart LR O["有序<br/>Ordered"] --> P["周期<br/>Periodic"] --> EM["涌现<br/>Emergent"] --> C["混沌<br/>Chaotic"]
| 类别 | 特征 | 自然例子 | 游戏中的对应 |
|---|---|---|---|
| 有序 | 易预测 | 关紧的水龙头 | 进程型游戏:所有挑战与动作序列都预设,设计师可确定地推断 |
| 周期 | 按固定阶段循环、易预测 | 四季循环;缓慢均匀滴水 | 桌游的轮流回合;MMORPG 的离散时间单位 (tick) 影响玩家策略 |
| 涌现 | 有稳定模式,但会突然、不可预测地切换模式 | 具体某年的天气(霜冻日期、雪量难预报,只能靠"耶稣受难日种豌豆"之类经验法则) | 《文明》的扩张、巩固、战争、殖民、太空竞赛阶段 |
| 混沌 | 即使完全理解部件也无法预测 | 水龙头快全开前的不规则流 | 骰子、随机数生成器、其他玩家 |
水龙头实验:慢慢拧开→规则滴水(周期)→越滴越快→接近全开前变得不规则(趋向混沌),中间可能出现"两滴快、一停长"之类更复杂的周期,再开大又回到稳定水流(有序)。设计涌现型游戏,就是让上述元素互相平衡,使整体行为落在"涌现"区。
涌现能被设计吗? 涌现只在系统运转后出现,所以游戏设计高度依赖原型与测试。设计涌现系统是悖论式的:设计师不确切知道系统会产生什么终态,却要设计"到达那里"的体验。但某些机制结构倾向于产生特定结果——识别、利用这些结构正是本书的主题。
结构特征一:活跃且相互连接的部件(第 3 章 Active and Interconnected Parts,印刷页约 p.48–51)
- 元胞自动机 (Cellular Automaton):一行或一个网格上的格子,各为黑或白;规则只看格子自身与邻居(一维两个、二维八个)。每次迭代先检查所有格子、标记要变的,再一起改变(每次迭代称一"代 (Generation)")——即双缓冲式同步更新。
- Stephen Wolfram 的一维自动机:每格下一状态由自身与左右邻居决定,2³=8 种组合,从单个黑格开始逐代向下打印,产生带有明显"随机"特征的图案,规则中却没有任何随机。原书图 3.2 的规则与 Wolfram 的规则 30 (Rule 30) 一致:
| 左-中-右 | 111 | 110 | 101 | 100 | 011 | 010 | 001 | 000 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 新中格 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
(1=黑。最左一条即"两侧都黑的黑格变白",第四条即"只有左侧为黑的白格变黑";8 条中有 4 条改变中格颜色,预示系统活跃。)
Wolfram《A New Kind of Science》(2002)总结动态行为系统的三个关键品质:
| 品质 | 含义 | 在自动机中 |
|---|---|---|
| 简单的、局部定义规则的单元 | 部件单独描述容易 | 8 条规则决定每格行为 |
| 长程通信 (Long-Range Communication) | 一处变化能影响空间或时间上遥远的部分,蝴蝶效应由此而来 | 每格影响邻居,邻居又有邻居,于是间接连通所有格子 |
| 活跃度 (Activity) | 活跃单元很少时难有复杂行为 | 格子变色即活跃 |
这些品质部分能从规则"读"出来。复杂性的门槛出奇地低:只要部件、活跃度与连接足够,简单规则就能产生复杂行为;玩家是系统重要的活跃源,但自动机说明没有人的输入也能涌现。
- 塔防:敌人沿预设路径走,有速度、生命值和少数属性;塔在射程内按射速发射弹丸,有的造成伤害、有的减速、有的增益邻塔。元素由局部机制定义、活跃(敌人移动、塔响应敌人)且相互连接(塔射敌、塔互相增益),与元胞自动机同构。
- 活跃度与连接数是区分涌现型与进程型的好指标:进程型中谜题、角色等元素只与玩家化身交互、彼此不交互,只在出现在屏幕上时才活跃,连接少、只能按预设方式交互——设计师控制力强,但更可预测,预设选项探索完就不好玩了。
结构特征二:反馈回路能稳定或破坏系统(第 3 章 Feedback Loops,印刷页约 p.51–53)
- 捕食者-猎物:猎物多→捕食者增加→猎物减少→捕食者挨饿减少→猎物回升。一处变化的效果在之后"回馈"到同一处,称反馈回路 (Feedback Loop)。
- 负反馈 (Negative Feedback) 维持平衡:恒温器、机器的调速器 (Speed Governor,负载突然消失时也不会危险地超速)。游戏例:《文明》城市人口越多需要的粮食越多,于是稳定在地形与当前科技能支撑的规模。
- 正反馈 (Positive Feedback) 强化引起它的变化:话筒-功放-音箱的啸叫,只有挪开话筒才能停。游戏例:国际象棋吃掉对方一子后再吃子更容易。正反馈造成易变、能快速变化的系统。
- 涌现型游戏中常有多个反馈回路同时运作。详见 反馈回路。
结构特征三:不同尺度上涌现不同的行为模式(第 3 章 Different Behavioral Patterns Emerge at Different Scales,印刷页约 p.53–56)
康威生命游戏 (Conway's Game of Life):二维无限网格,每格 8 个邻居,生或死。每次迭代:
| 当前 | 活邻居数 | 结果 |
|---|---|---|
| 活 | < 2 | 死(孤独) |
| 活 | > 3 | 死(拥挤) |
| 活 | 2 或 3 | 继续活 |
| 死 | 恰好 3 | 复活 |
通常先爆发大量活动,再趋于大致稳定、少数振荡。研究者追问"有没有永远扩张的初始构型",发现了滑翔机 (Glider)(5 个活细胞,4 代后在一格外复现自身,像在网格上爬行的小生物)和滑翔机枪 (Glider Gun)(原地不动,每 30 代发射一架新滑翔机)。可用开源的 Golly 体验。
结论:最有趣的行为发生在"部件群"的尺度上,而非单个部件。鸟群:个体在"向群中心靠拢、与邻居对齐速度方向、避免太近"之间平衡,群体却有形状、方向与"目的",规则在两个尺度上同时作用。
《吃豆人》的幽灵:玩家常以为幽灵在合作设陷阱,其实它们互不知晓。游戏在分散 (Scatter)(各回一个角落)与追击 (Chase)(大部分时间)两种状态间切换;追击时在每个路口选择让自己更接近目标的方向,完全无视墙壁:
| 幽灵 | 追击目标 |
|---|---|
| Blinky(红) | 玩家当前位置 |
| Pinky(粉) | 玩家前方 4 格 |
| Inky(蓝) | 综合玩家位置与 Blinky 位置得出 |
| Clyde(橙) | 远时追玩家,近时去迷宫左下角 |
合起来:Blinky 尾随,Pinky 与 Inky 抢到前方,Clyde 添加噪声——简单而互补的策略在群体尺度上看起来像协同围猎。(实现角度看就是每个幽灵一个小型有限状态机,见 状态模式与有限状态机。)
Fromm 的涌现分类(第 3 章 Categorizing Emergence,印刷页约 p.56–57)
Jochen Fromm(2005 "Types and Forms of Emergence")用反馈与尺度构建分类:
| 类别 | 反馈与尺度 | 例子 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 名义/有意涌现 (Nominal / Intentional) | 无反馈,或只在同一组织层级的个体之间 | 多数人造机器;调速器、恒温器 | 确定、可预测,缺乏灵活与适应 |
| 弱涌现 (Weak) | 引入层级间自上而下的反馈 | 鸟群、鱼群:个体对邻居反应(个体-个体),同时感知群体(群体-个体) | 可推广到任何能同时感知周围与群体状态的单位 |
| 多重涌现 (Multiple) | 多重反馈穿越不同组织层级;短程正反馈+长程负反馈 | 股市:涨了有人跟买(短期正反馈),预期见顶而卖出(长期负反馈),反向亦然;生命游戏:诞生规则是正反馈、死亡规则是负反馈,并有细胞与滑翔机两个尺度 | 有趣的涌现常在此出现 |
| 强涌现 (Strong) | 尺度差距极大且有中间尺度,最高层结果可与最低层个体分离 | 生命之于遗传系统、文化之于语言与文字;用生命游戏搭出能做简单计算的"计算机",其行为与生命游戏本身因果依赖极小 | — |
启示:游戏中多层级的涌现行为常同时存在;反馈回路与多尺度等结构特征对产生复杂而有趣的行为至关重要。
驾驭涌现(第 3 章 Harnessing Emergence in Games,印刷页约 p.57–58)
游戏是能产生不可预测结果、却必须交付精心设计的自然体验的复杂系统。三个结构特征(活跃且互连的部件、反馈回路、多尺度)是 Machinations 框架的第一块基石:之后各章先放大到内部经济(内部经济、Machinations 图示语言),再在第 10–11 章缩小到关卡尺度。
原书问题
- 第 2 章(印刷页约 p.26–27)称"不可能让己方两只象在同色格上"作为不可达状态的例子:实际上通过兵升变为象(低升变)可以合法达到同色双象,所以这不是不可达状态;"己方兵不可能在己方底线"一例是正确的。依据:FIDE《国际象棋规则》(Laws of Chess) 第 3.7 条关于兵的升变:兵到达最远一横排时须换成同色的后、车、象或马。
- 第 2 章称 Shannon(1950)估计"国际象棋和围棋的可能状态比地球上的原子还多"。Shannon 的论文 "Programming a Computer for Playing Chess"(Philosophical Magazine 41(314), 1950)只讨论国际象棋,未涉及围棋;他估计的局面数约 ,少于地球原子数(约 );常被引用的 是"博弈树复杂度"(可能对局数,即"香农数"),通常拿来与可观测宇宙原子数(约 )比较。原书的说法把局面数与对局数混在一起了。
与 Schell 的视角并列
| 主题 | Schell | Adams & Dormans |
|---|---|---|
| 涌现的来源 | 增加动词、让动词作用于多对象、多种达成目标方式、副作用等五条建议 | 部件活跃度与连接、反馈回路、多尺度;借用复杂性科学 |
| 复杂度 | 固有复杂度 vs 涌现复杂度、自然平衡 vs 人工平衡(游戏平衡) | 复杂度壁垒、规则复杂度与行为复杂度非线性,减少规则有时更好 |
| 真实与一致 | — | 一致性胜于真实(Poole) |
两者都认为简单规则更容易得到优质涌现;Schell 给的是启发式问题清单,Adams & Dormans 给的是可建模的结构语言。
Rogers 的视角:"涌现,涌个头!"(Level Up! 第 3 版 Level 19 The Play's the Thing,第 493–495 页;第 1 版在 Level 17)
第 3 版把这段放进讲试玩的章节,并加入了"遮蔽 (obfuscation)"的概念:游戏越大、系统越多,设计师越难"看清"全貌;设计师也可以刻意用遮蔽隐藏系统的运作(如《暗黑破坏神 IV》随机生成的宝物表),玩家终于拿到"好东西"时会很高兴。遮蔽带来涌现——玩家没料到的事发生时的惊喜,这是设计师追求的感受之一:系统复杂或隐蔽到玩家看不出交互,对玩家来说像意外,但其实都可预测。
Rogers 批评"涌现式游戏设计"——相信只要给玩家一套工具和玩耍的机会,玩法就会"自然发生"——是"愚蠢的工作方式":它叫"设计"是有原因的,游戏里的一切都是有人做出来的,游戏里没有随机,随机系统也是设计出来的;把一堆机制扔在一起指望玩家"找到乐趣",做出来的是玩具而不是游戏。他的核心命题:"涌现是设计师设计、玩家体验的东西;对设计师而言涌现不存在,只对玩家存在。"他认识一位做有 64,000 个系统的游戏的设计师,被问是否知道每个交互的结果时答:知道每个系统做什么、如何与其他系统交互,就能预测结果。设计师没追踪好系统、系统大到不可预测时,bug 就出现了——意外的交互是坏的就是 bug,碰巧是好的就是"特性"。
他自己的例子:在《GTA3》里偷车狂飙,通缉星越多警车越多,他知道某条街上有个大坑、开进去的车出不来,于是把几十辆警车引过去,自己跳车看警车越堆越高——坑是特性、车会卡住是特性、通缉引来警车是系统,三者结合产生了乐趣:"可预测但被遮蔽"。所以"找到乐趣"可以在试玩中发生,但别依赖它来设计核心玩法——"随机只是快乐的意外"(试玩方法见 游戏测试)。
版本差异:第 1 版(Level 17,PDF 页 607)只有短短一段,结论是"别依赖涌现玩法让游戏好玩,所有好设计都是预先规划的";第 3 版移到 Level 19,新增遮蔽、"涌现对设计师不存在"、"玩具而非游戏"、64,000 个系统的设计师和《GTA3》大坑的例子,立场更强硬。
分歧并列:
| 主题 | Adams & Dormans(本页上文)/ Schell | Rogers |
|---|---|---|
| 涌现能否预测 | 玩法是涌现属性;规则复杂度与行为复杂度的关系不是线性的,涌现行为难以仅凭规则预测,需要靠原型、模拟与试玩(见 模拟试玩与人工玩家) | 只要思考透元素之间的关系,结果就可以预测;涌现只对玩家存在,对设计师不存在;设计应预先规划 |
| 意外行为 | 火箭跳等意外策略可以被拥抱,成为游戏的一部分(Harvey Smith) | 意外的东西没弄坏游戏就保留("是特性"),但不应以此为设计依据;"给工具让玩家找乐趣"做出的是玩具而非游戏 |
两者的共同点是都反对"放任不管":Adams & Dormans 主张有意识地构建能产生涌现的结构并反复测试,Rogers 反对的正是不做这种功课。差异在于对"可预测性"的信心——在系统复杂的游戏中,Adams & Dormans 的立场更符合本 wiki 其他页面的论述;在 Rogers 主要讨论的关卡式动作游戏中,预先规划的比重确实更大。
Totten 的视角:涌现空间(第 10 章,p.436–438)
- Venturi:系统相邻或叠加会产生越来越令人满意的复杂性;Salen & Zimmerman 借 Jeremy Campbell《语法人》说复杂性让系统"做出我们没想到的事"。游戏的独特之处在于性格迥异的人类玩家本身就是系统的一部分,所以把玩家放进奖励不同行为的多种空间,是制造复杂性的好办法。
- 康威 1970 年的生命游戏:读规则无法预测出现的图案。建筑也一样:圣索菲亚大教堂因文化与地理因素成为征服者争夺的象征,这在建筑结构系统之外,却同样是它历史的一部分。
- 桌游设计师 Jason Morningstar 的丰饶虚空 (fruitful void):游戏规则与玩家性格的交集。两个玩家讲述打败同一只怪物的故事往往很不一样。具体方法见 微缩庭园与日本庭园设计 与 塑形、不确定节点与银河恶魔城。
分歧:Rogers(本页上文)"涌现,涌个头!"警告不要指望涌现代替设计;Totten 把涌现当作玩家依恋和重玩的来源,但他的方法(塑形、边界、符号)同样是设计师预先控制的——两人的差别更多在于强调点。
原书问题(Totten 第 10 章)
- p.437 说圣索菲亚的中央穹顶"坍塌过两次"。穹顶在 558 年地震中完全坍塌,又在 989 年和 1346 年两次部分坍塌(见 Wikipedia "Hagia Sophia" 条目),共三次。同页把生命游戏称为 "cellular automation",应为 cellular automaton(元胞自动机)。
出处
- Game_Mechanics_Advanced_Game_Design_-_Ernest_Adams.pdf
- Ernest Adams & Joris Dormans《Game Mechanics: Advanced Game Design》第 1 版(New Riders, 2012, ISBN 978-0-321-82027-3)第 3 章 Complex Systems and the Structure of Emergence(PDF p.75–93,印刷页约 p.43–58)
- Level Up The Guide to Great Video Game Design (Scott A. Rogers).epub
- Scott Rogers《Level Up! The Guide to Great Video Game Design》第 3 版(Wiley, 2024 年 12 月出版,版权页 ©2025;ISBN 978-1-394-29876-1) Level 19
- Level_Up_The_Guide_to_Great_Video_Game_Design_-_Scott_Rogers.pdf
- Scott Rogers《Level Up! The Guide to Great Video Game Design》第 1 版(Wiley, 2010;ISBN 978-0-470-68867-0),仅用于版本差异
- Scott Rogers《Level Up! The Guide to Great Video Game Design》第 1 版(Wiley, 2010) Level 17 And Now the Hard Part(PDF 页 598–614)
- Architectural_Approach_to_Level_Design_-_Christopher_Totten.pdf
- Christopher W. Totten《An Architectural Approach to Level Design: Processes and Experiences》第 2 版(CRC Press, 2019, ISBN 978-0-8153-6136-7)第 10 章 Possibility Spaces and Worldbuilding(印刷页 p.429–473)