что такое физика в играх

Физика в компьютерных играх. Как и с помощью чего реализуется?

Разработка современных компьютерных игр — это довольно сложный процесс. Разработчикам игр приходится постоянно контролировать баланс между физическими и механическими свойствами игровых персонажей. Так как механика и физика в компьютерных играх должны максимально передавать реалистичность всего происходящего, чтобы у геймеров был интерес играть в эту игру.

Реалистичная механика и физика для разработчиков компьютерных игр — это колоссальный труд, который может продолжаться в течение нескольких лет в больших игровых проектах. Это очень важная часть современных игр, которой нужно уделять много времени.

Качественная физика в компьютерных играх сегодня воспринимается как норма. И если что-то отклоняется от реалистичности, то это сразу замечают. Но мало кто осознает, сколько времени нужно потратить программисту, чтобы достичь нужного результата:

чтобы при прыжке персонаж возвращался на землю, а не улетал в небо;

чтобы трава мялась, когда на нее наезжаешь или наступаешь;

чтобы персонаж ходил и бегал естественно;

Все эти моменты — это часы работы на д программным кодом.

Физика в компьютерных играх

Самое интересное, что физика в компьютерной игре не может соответствовать физике из реальной жизни на 100%. Игра — это возможность отдохнуть и приятно провести время. Представьте на секунду, если бы в гонках автомобили вели себя как настоящие и при первой же аварии невозможно было бы продолжать игру, так как многие аварии в игре — это фатальные аварии из реальной жизни. И при каждо й такой аварии приходилось бы начинать играть сначала. Вряд ли бы кто-то играл в такие гонки. Но при этом важно, чтобы автомобиль вел себя как в реальной жизни:

«шлифовал» на старте;

реагировал на переключение коробки передач;

разгонялся и тормозил, как настоящий автомобиль;

Поэтому физика для разработчиков компьютерных игр — это постоянное соблюдение баланса между максимальной реалистичностью и сохранением интереса к игре.

Виды физики в компьютерных играх

Условно физика для разработчиков компьютерных игр разделяется на несколько основных направлени й :

деформация тел в игре.

Физика твердых тел

Когда мы говорим : « Ф изика в компьютерных играх», то чаще всего подразумеваем именно этот раздел физики в играх. Например, поведение описанного выше мяча — это физика твердых тел в компьютерных играх.

Она подразумевает соблюдение у объектов в игре законов:

воздействия других объектов на какой-то объект;

Физика в 3D-проектах

Физика в 3D-проектах намного сложнее физики 2D-игр, при том что и там и там часто используются одни и те же законы поведения игровых объектов. 3Д усложняется тем, что при разработке таких игр добавляется еще одно пространственное измерение — ось Z. В 2D, как мы знаем, только две оси — X и Y. Поэтому 2Д-игры проектировать проще, так как продумывать нужно небольшое количество взаимодействий между объектами.

суставы на руках и ногах,

пальцы на руках и ногах,

температура воздуха при выстреле;

скорость и направление ветра;

угол вхождения пули;

Физика мягких тел

То есть к «мягким телам» относятся все объекты игры, которые могут изменять свое состояние при воздействии на них внешних сил.

Давайте представим, что все объекты в игре состоят из множества точек. В этом случае «точки» «твердого тела» всегда будут располагаться на одинаковом расстоянии друг от друга. А «точки» «мягкого тела» будут то отдаляться, то приближаться, меняя расстояние между собой.

Физика «мягких тел» в компьютерной игре на данный момент сильно упрощена, так как требует серьезных расчетов, чтобы добиться максимально реалистичного эффекта.

Деформация тел в игре

Почему для всех «мягких тел» не применяют такой подход? Потому что расчет такой деформации — это серьезная нагрузка на процессор и видеокарту вашего компьютера, так как это сложные математические вычисления. И если представить, что все «мягкие тела» реализованы в таком подходе, то ваш компьютер просто не выдержит нагрузки.

Поэтому задумано так: когда «мягкий объект» является центром внимани я — применяют расчет деформации, когда «мягкий объект» является второстепенным планом, то применяют простое зацикливание его движений.

Заключение

Физика в компьютерных играх — это сложное соблюдение баланса и поиск «золотой середины», поэтому требует от разработчиков серьезной подготовки и профессионализма. Только качественный движок для игр и «прямые» руки разработчика могут достичь этого необходимого баланса.

Мы будем очень благодарны

если под понравившемся материалом Вы нажмёте одну из кнопок социальных сетей и поделитесь с друзьями.

Источник

Что такое физика в играх

Физика в компьютерных играх

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

О видеоиграх большинство из нас знают еще с самого детства: мы или наши родители играли в них на компьютерах, телефонах, различных приставках. Качество современных игр изменилось со временем. Во многом серьезного прогресса добились благодаря физике, перенесенной из реального мира в компьютер.

Рассмотреть на некоторых примерах из компьютерных игр случаи, когда физические явления из реального мира проявляются в игре как элементы геймплея или графики, и с помощью законов физики доказать реалистичность или не реалистичность этих процессов.

Найти информацию о игровой физики.

Рассмотреть случаи физических явлений в играх.

Доказать, если это возможно, с помощью физических законов реального мира.

Провести небольшой опрос и составить диаграммы о знании людей о физике в компьютерных играх.

Физика в играх призвана воспроизвести в игре физические законы и возникающие под их воздействием процессы, чтобы заставить игрока поверить в реальность происходящего на экране. Словосочетанием «игровая физика» родилось не в 1962 году, а в 1998 с выходом игры Jurassic Park: Trespasser.

Для моделирование игры: необходимосоздание модели для описания физического явления. Нужно набить руку, для того, чтобы достаточно быстро осознать какие факторы влияют на данный физический процесс. Из них нужно выделить те, которые являются основными, а какими можно и нужно пренебречь. Почему чем-то нужно пренебрегать? Дело в том, что все учесть невозможно и бессмысленно. Например, моделируя падение камня на землю с высоты одного метра, явно можно пренебречь изменением ускорения свободного падения с высотой, а также притяжением луны и другими факторами. Моделируя же приливы и отливы, притяжением луны пренебречь нельзя, так как оно является основным фактором. Кроме того, физика в игре должна подчеркивать какие-то особенности.

Мы провели опрос среди учащихся и вот какие результаты получены (приложение 1). В опросе участвовало 100 чел

Анализируя результаты опроса, мы убедились, что выбранная тема –актуальна.

Физика в играх призвана воспроизвести в игре физические законы и возникающие под их воздействием процессы, чтобы заставить игрока поверить в реальность происходящего на экране.

Законы, которые придумывают для элементов игры, делят на физику твердого и мягкого тела. Первая активно используется в 2D и 3D играх и относится практически ко всем моделям. Вторая максимально упрощается из-за сложности реализации, потому что демонстрирует результат воздействия внешних сил на объект, например, поведение плаща главного героя, который развевается на ветру.

У игровой физики много задач, но самая главная – это сделать игру интуитивно понятной и увлекательной

В сентябре 2011 года в тематическом парке «Window of the World» в Чанше, Китай, открылся нелицензионный аттракцион Angry Birds. Посетители парка должны использовать большую рогатку, чтобы запускать чучела персонажей птиц в зеленые воздушные шары, которые представляют свиней

В июне 2013 года Rovio и НАСА открыли тематический парк Angry Birds Space в Космическом центре Кеннеди под названием «Angry Birds Space Encounter» В нем представлены различные возможности видеоигры Angry Birds Space, такие как создание персонажей и стрельба по свиньям. Аттракцион был открыт также в Космическом центре Хьюстона.

Использую игры можно предложить на уроке в теме «Решение задач на применение законов Ньютона» решить задачу.

Ведро висит на верёвке привязанной к гвоздю, вбитому в стенку, и угол между верёвкой и стенкой 15 градусов. Определите силу натяжения верёвки и силу, с которой ведро действует на стенку, если масса ведра 12кг. Массой верёвки и трением между ведром и стенкой пренебречь.

Условие равновесия для ведра

Спроектируем это уравнения на оси координат

На ось OY : Tcos α- mg =0

N-Tsin α =0 => N= sin α

Ответ: Т=123,7Н, N =32,2Н

Тема «Решение задач по теме «Законы сохранения механической энергии».

Несколько камней скатываются с наклонной плоскости из состояния покоя.

Последний Камень движется по деревянной поверхности. Высота наклонной плоскости H =1,2м и длина l =4м.Определите скорость камня в конце наклонной плоскости, если коэффициент трения μ=0,2. На каком расстоянии от основания обрыва упадёт камень, если высота обрыва h =3м? g =10м/с². При рассмотрении движения последнего камня, принять условие, что остальные камни не мешают его движению

Дальность полёта камня:

l = Vcos α t =2,97×0,95×0,69=1,9м

Ответ: v =2,97м/с; l =1,9м.

Что такое паркур в реальной жизни? Парку?р (от фр. parcours) — искусство рационального перемещения и преодоления препятствий с использованием прыжковых элементов, как правило, в городских условиях. Что такое паркур в Mirror’s Edge? Ну, тоже самое. Насколько же он достоверен?

Балансировка и подтягивания выглядят правдоподобно, использую фрагмент игры можно предложить на уроке в теме «Равновесие сил» решить задачу.

Балка массой 100кг и длиной 5м лежит на двух опорах. Определите силы давления на каждую из опор, когда человек массой 60 кг находится на расстоянии 3м от одного из концов.

По условию равновесия тел векторная сумма сил действующих на тело равны нулю.

В проекции на ось OY

Запишем правило моментов сил относительно точкиО

Ответ : N?=740 Н N? = 860 Н.

До какой скорости нужно разбежаться человеку чтобы перепрыгнуть с одного здания на другое, если расстояние между ними 2м, а второе здание ниже на 2,5м чем здание на котором находится человек.

Ответ: скорость человека должна быть больше чем 2,86м/с

На сегодняшний день в игре World Of Tanks зарегистрировано порядка 80 миллионов человек, а 19 декабря 2014 года был поставлен очередной рекорд — 1 114 000 игроков онлайн.

Интерес к игре обусловлен

Разработчики очертили временные рамки: в игре должны появляться машины, выпущенные с 1930 по 1950 год. На первом уровне игрок получает самый простой легкий танк в древе СССР – это МС-1.«Танки» – не банальный шутинг, в игре есть место тактике и стратегии, важно создать сплоченную команду и действовать заодно.Чтобы соблюсти исторические факты и сделать игру по законам физики и баллистики, разработчики привлекли экспертов.

Проверим выполняются ли законы физики на задачах взятых из игры.

На тему «Движение под действием силы тяжести в случае, когда начальная скорость направлена под углом у горизонту»

Из танка Т-34-85 делают выстрел в горизонтальном направлении ВЫСОТА ПУШКИ ОТ ЗЕМЛИ 2,5м скорость вылета снаряда 800м/с. Определите дальность полета снаряда. Сопротивлением воздуха пренебречь.

Источник

Как работает симуляция физики в играх на примере Bullet Physics

Многие современные игры используют физическую симуляцию. Первое знакомство с физическим движком обычно многообещающее. Мячик отпрыгивает от куба и катится в низ по наклонной, но в процессе работы, когда проект уже почти готов, оказывается, кое-что работает не так как хотелось. Тут можно угробить уйму времени.

И если с Nvidia Physix (привет Unity3D) ничего не поделаешь кроме пары параметров, то Bullet Physics и Box2D доступны в исходных кодах, и от безысходности начинаешь разбираться с тем как что устроено и работает.

Разобраться с тем, как все работает очень полезно. Все игровые физические движки очень похожи. Они все impulse base, что означает то, что в каждый фрейм симуляции все (силы) переводяться в импульсы, импульсы складываются, делятся на массу и прибавляются к скоростям (линейной и вращaтельной) объекта, скорость же определяет насколько объект сдвинется в текущем фрейме симуляции.

И тут встает вопрос, если все так просто, как получается, что можно выложить в столбик кубики и они себе спокойно стоят и не разлетаются?

Я покажу, что за всю эту магию отвечает маленький кусочек кода!

Я предполагаю, что читатель уже знает, что в физическом движке, есть два основных вида симулируемых тел: rigid body (упругое тело, двигается и обладает масой) и static body (неподвижное тело, неподвижно и массой не обладает). Kinematic и soft body не стоят внимания.

Collision Detection

Вся магия начинается когда два тела касаются друг друга. В Bullet Physics используется термин collision.

Система должна определить все тела, которые касаются друг друга в данный фрейм симуляции. В каждом касании (коллизии) может участвовать 2 и больше тел. Поиск всех возможных касаний может быть очень ресурсоёмким.

Broadphase Collision Detection

Первый этап — это найти пересечение AABB коробок. AABB — это две точки, которые описывают коробку внутри которой лежит объект. Идея такая, что если два объекта пересекаются, то и их AABB коробки пересекаются.

Эту проблему в BulletPhysics решает один из трёх алгоритмов. Они реализованы в виде классов, реализующих btBroadphaseInterface.

1. Самый очевидный и неэффективный это btSimpleBroadphase, это простой перебор всех пар O(n^2).

2. btAxisSweep3 работает в ограниченном пространстве. Вы задаёте AABB коробку, внутри которой предполагается будут находиться все объекты. Это может показаться неудобным, но из- за того, что числа с плавающей точкой с увеличением значения теряют точность, вы все равно не сможете симулировать что-либо на расстоянии миллиона единиц так, как если бы вы это делали на расстоянии 10 единиц от центра координат (единица обычно считается метром).

3. btDbvtBroadphase организует все объекты в двух древовидных структурах, одно для статических объектов, другое для динамических (rigid, kinematic) тел.

Narrowphase Collision Detection

После того, как найдены группы объектов, чьи AABB коробки пересеклись, происходит проверка, есть ли пересечение в действительности.

Тут следует вспомнить, что у всех объектов задаётся форма (shape), может быть шар, цилиндр, коробка, выпуклый многогранник для rigid body или просто многогранник для static body. Так же есть составная форма из форм, перечисленных предыдущем предложении.

Для каждой пары определён алгоритм нахождения точек и перпендикуляров пересечения.

Решение

Отлично, все пересечения найдены, что делать дальше? Раз движок у нас impulse based, то следует рассчитать такой импульс, которым пихнуть два коснувшихся объекта, чтобы все выглядело реалистично.

Тут я обещала, что будет маленький кусочек кода. Мне кажется года два назад он был вообще тремя строками, но теперь он выглядит так.

На входе имеем два коснувшихся тела, точку касания с перпендикуляром касания и как результат у нас два импульса, которые должны разрешить коллизию, заставить коробки спокойно и неподвижно лежать одну на другой, а цилиндр и шар, плавно и реалистично катиться по наклонной.

Полезный совет вместо прощания

Трогать этот код не стоит. Например, если вы будете разрабатывать игру с гоночным авто, и машина будет биться о бордюр или стену, и она будет вести себя непредсказуемо и не играбельно, то стоит обратить внимание на перпендикуляр в точке касания. Именно непостоянство и не предсказуемость перпендикуляра в точке касания часто определяет не предсказуемость симуляции.

Вы заглянули в душу современного физического движка и теперь обязаны на нем жениться.

Источник

Мотор! или Что такое игровая физика

Разработчикам при создании игры приходится искать баланс не только в механиках, но и в физике. Реализм или аркада? В общем-то, кому что нравится. Главное — фан и удовольствие. Нужно создать фундаментальные законы своего мира, и объяснить, что возможность ходить по потолку — механика, а не баг.

Насколько сложной должна быть игровая физика, какие виды бывают и на какие хитрости идут разработчики при ее реализации — в переводе под катом.

Физика в видеоиграх часто воспринимается как должное. Если персонаж прыгает, он обязан приземлиться, а не улететь в космос (хотя при достаточно долгой игре в Skyrim, подобное все равно может случиться). Мы ждем, что объекты в игре будут вести себе как в жизни (баги в расчет не берем).

Программирование физики может сводиться к одному-двум методам с парой строчек кода. А может и к сложной системе с отдельным физическим движком (например, Havok или PhysX) с миллионами строк кода. Независимо от сложности игровая физика делится на две категории: физика твердого тела и физика мягкого тела.

Физика твердого тела необходима в большинстве 2D- и 3D-игр. Физика мягкого тела описывает действие сил на объект, который принимает различные формы (например, флаг). Отобразить мягкое тело намного сложнее, поэтому такой подход используют гораздо реже.

Важная роль игровой физики

Игровая физика служит разным целям, но самые главные — интуитивность и веселье. Если объект ведет себя непредсказуемо, будет сложно понять правила игры.

Если бы мяч в FIFA 20 каждый раз отскакивал в случайном направлении, было бы невозможно забить гол. Разработчики стараются воссоздать отскок мяча в зависимости от его траектории, скорости и других факторов, действующих в реальном мире. Чтобы игрок интуитивно понимал, как обращаться с мячом или другими объектами. К слову, у FIFA 20 куча плохих отзывов именно потому, что ее физика работает не так, как того ожидали фанаты.

При этом игры не обязаны строго соблюдать естественные законы природы. Главное — игра должна приносить удовольствие, а реализация реальных физических законов может уничтожить весь экспириенс. Представьте Grand Theft Auto V с суровой земной физикой (но если очень хочется, то можно поставить специальный мод). Даже легкая авария на высокой скорости закончилось бы фатально, убило бы темп и атмосферу. Не очень-то весело.

Разработчик должен найти нужный баланс между веселой игрой и игрой с реалистичной физикой. И он часто зависит от целевой аудитории. Хороший пример — гонки.

Многим нравятся аркадные гонки (Need For Speed), в которых касание отбойника или резкий поворот слабо сказываются на управлении машиной. Другие предпочитают реалистичные гоночные симуляторы (Gran Turismo).

Но даже создавая симуляторы, разработчики пытаются привлечь новую аудиторию — Gran Turismo делала ставку на фотореализм (и в какой-то мере это сработало). Но в итоге Polyphony Digital добавила аркадный режим, чтобы захватить рынок побольше.

Физика твердого тела

Говоря об игровой физике, мы обычно имеем в виду физику твердого тела (rigid body physics, RBP). Она описывает и воспроизводит физические законы, применимые к твердым массам вещества. Мяч в FIFA 20 — твердое тело, которым управляет физика игры.

Неважно рассматриваем мы 2D-тайтлы типа Pong или 3D типа Skyrim — в большинстве игр есть линейная физика твердого тела.

Физика 2D-игр

Возьмем Pong в качестве примера. Два твердых тела (мяч и ракетка) снова и снова сталкиваются друг другом. Звучит не слишком воодушевляюще. У дедушки видеоигр не было реалистичной физики.

Во-первых, программисты проигнорировали гравитацию, трение и инерцию. Был просто мяч, перемещающийся туда-сюда с постоянной скоростью.
Во-вторых, угол отскока мяча от ракетки был рассчитан неточно. Мяч полностью игнорирует закон отражения: если не учитывать вращение и прочие факторы, угол падения мяча на поверхность равен углу его отскока от нее. В Pong угол отражения определялся тем, насколько близко мяч был к центру ракетки в момент соприкосновения. Изначальная траектория не имела значения. Игроки могли полностью изменить инерцию мяча, несмотря на вектор его движения.

Траекторию мяча стали больше учитывать в поздних версиях и в других подобных играх. Например, в Breakout. Но даже там нет реализма, иначе веселая игра превращается в скучную и сложную.

Игры с артиллерией первыми стали учитывать гравитацию и сопротивление в своих механиках. Пользователи по очереди стреляли пушечными ядрами, стрелами и ракетами, чтобы уничтожить базу противника. Такие игры учитывали полуреалистичную баллистику, то есть — угол запуска, гравитацию, сопротивление ветра и изначальную скорость. Но опять-таки дизайнеры не стремились сделать все как в реальном мире. Их целевой аудиторией были обычные люди, а не баллистические эксперты.

Поведение твердых тел (в первую очередь снарядов) зависело от нескольких сил. В соответствии с ними менялись анимации. Стрелы и ракеты — отличный пример анимации твердых тел в подобных играх. Плоскость снаряда могла измениться во время полета, а стрела так и оставалась прямой. Две точки на объекте в системе твердых тел всегда будут на одинаковом расстоянии друг от друга.

Игры типа Donkey Kong и Mario Bros. сильно повлияли на физику 3D-проектов. Марио подружился с основными физическими законами — гравитацией, импульсом и инерцией. Прыжок стал основной механикой и остался в игровой индустрии навсегда.

Подпрыгнувший объект должен упасть обратно. Вопрос только в том, насколько высоко он поднимется и насколько быстро упадет? И насколько реалистичной должна быть гравитация в игре?

Если бы Марио подчинялся реальным законам физики, он бы никогда не прошел первый уровень. Баланс пришлось менять в угоду веселого геймплея и ожиданий игроков.

Дальнейшие игры серии расширили эти границы — появился двойной прыжок. В этой франшизе его впервые добавили в Super Mario 64, но ранее его уже использовали в Dragon Buster в 1984 году.

Двойной прыжок стали активно использовать в платформерах (иногда даже слишком). И он до сих пор есть во многих современных проектах, включая 3D. Например, Devil May Cry и Unreal Tournament.

Физика 3D-игр

Физика в 3D-играх не сильно отличается от физики в 2D-проектах. Вычисления усложняются за счет третьего измерения (оси Z) и того, что объекты состоят из нескольких твердых тел.

В большинстве 2D-игр разработчикам нужно единовременно обрабатывать данные всего нескольких столкновений твердых тел. Например: Марио прыгает на Купу. Марио может дотронуться до любой части Купы. В зависимости от точки соприкосновения либо Купа прячется в панцирь, либо Марио теряет жизнь. В любом случае речь идет о единственном касании.

В 3D-играх одновременно сталкиваются сразу несколько твердых объектов. В Uncharted, когда Дрейк взбирается по скале, программа следит как минимум за его руками и ногами — отдельными твердыми телами. Он может подпрыгнуть и схватиться за лестницу одной рукой или двумя, и анимация будет разной.

В 3D-играх (и некоторых 2D) конечности персонажей разбиты на несколько твердых тел, которые соединены суставами. То есть модель человеческой руки состоит из предплечья и кисти, которые соединены запястьем и крепятся к плечу локтевым суставом. Это описывает рэгдолл-физика (от англ. ragdoll — тряпичная кукла).

Изображение: University of California, Riverside

Соединения твердых тел (суставы) создаются в системе скелетной анимации игрового движка. Каждое твердое тело должно двигаться по определенным правилам, чтобы выглядеть реалистично. Для просчета движений программисты используют различные техники. Самая известная — алгоритм Физерстоуна, ограничительный подход, который не дает конечностям болтаться как попало.

Есть и другие подходы к работе с рэгдоллом: интегрирование Верле (Hitman: Codename 47), инверсная кинематика (Halo: Combat Evolved и Half-Life), смешанный рэгдолл (Uncharted: Drakes Fortune и многие другие) и процедурная анимация (серия Medal of Honor).

Все эти техники направлены на то, чтобы тело не обмякло слишком быстро и не падало на землю, как тряпичная кукла. Движение твердых тел, объединенных в модель, ограничено, поэтому они ведут себя предсказуемо.

Напомню, всегда нужно искать баланс между реализмом и весельем. Даже если игра будет немного «читерить».

Возьмем серию Sniper Elite. В реальном мире стрелок должен принимать в расчет кучу переменных: скорость ветра, направление ветра, диапазон, перемещение цели, мираж, источник света, температура, давление и эффект Кориолиса.

Если бы Rebellion создавала аутентичный снайперский симулятор с учетом всех переменных, игра стала бы очень сложной. Их игнорирование обусловлено не только возможностями современных процессоров. Среднестатистический пользователь не просто не хочет просчитывать все эти факторы во время игры, он не хочет даже знать о них. Выгоднее позволить игроку использовать прицел и показывать полет пули в слоу-мо.

В Call of Duty: Modern Warfare есть уровень, где нужно поразить цель с дальнего расстояния. Игрок должен учесть эффект Кориолиса, а также скорость и направление ветра. Некоторым нравится такой челлендж, но я ее забросил.

Гонки — еще один жанр, в котором требуется много вычислений по твердым телам и действующим на них силам. Колеса контактируют с дорожным покрытием, подвеска соприкасается с колесами, машины сталкиваются друг с другом. Еще другие объекты прямо или косвенно участвуют в столкновениях.

Физические силы, действующие на машины при повороте, обычно упрощены. Дрифтинг в них простой, но при этом достаточно сложный — игроки должны чувствовать удовлетворение.

В симуляторах Gran Turismo и Assetto Corsa действуют более реалистичные силы. Например, Assetto Corsa Competizione (версия 1.0.7) использует пятиточечную модель шин. Она включает две точки на передней кромке шины, две на задней и одну посередине — все вместе действуют как объединенное твердое тело. Точки могут двигаться и изгибаться в трех измерениях, независимо реагируя на внешние силы и контакт с поверхностью. Дополнительные точки значительно увеличивают количество вычислений, которые выполняет движок.

Физические модели в 3D-тайтлах намного сложнее, чем в 2D. Приходится отслеживать больше переменных и точек соприкосновения. Но большинство вычислений линейные, поэтому такие модели гораздо проще, чем модели мягкого тела.

Физика мягкого тела

Физика мягкого тела (soft body physics, SBP) описывает деформируемые объекты. Она используется реже и сильно урезана в видеоиграх из-за огромного количества вычислений.

Мягкие тела — это одежда, волосы, скопления частиц типа дыма или тумана. Точки твердого тела всегда остаются на одном и том же расстоянии друг от друга. А мягкое тело может деформироваться и двигаться так, что расстояние между его точками будет меняться.

Деформируемые твердые тела

Движение мягкого тела может быть ограничено. Все точки флага всегда будут оставаться на флаге, они не могут отделиться. Диапазон отклонения точек друг от друга зависит от расстояния между ними на разглаженном флаге.

Смежные точки всегда остаются смежными. Удаленные точки могут приближаться, но при этом не могут удалиться друг от друга дальше расстояния, на котором они зафиксированы на расправленном флаге.

Количество вычислений для мягкого тела превосходят возможности CPU и GPU. Поэтому разработчики упрощают и хитрят. Например, используют зацикленную анимацию. Но такая картинка покажется неестественной через какое-то время. Лучше к такому лайфхаку не прибегать, если объект находится в центре внимания.

У одежды почти такие же свойства мягкого тела, как и у флага, но ее физика еще сложнее. Во-первых, потому что игрок точно обратит на нее внимание. Во-вторых, потому что она зачастую более динамична: игрок оказывает на нее собственное влияние. Отличный пример — плащ Бэтмена в серии Arkham.

Дизайнеры не могут использовать зацикленную анимацию на плаще, потому что его движение зависит от действий игрока. Если игрок направит персонажа влево, плащ должен сместиться вправо, чтобы реалистично отобразить инерцию и сопротивление воздуха.

Тут в дело вступают физические движки. В Batman: Arkham Knight студия Rocksteady использовала APEX Cloth PhysX. Этот инструмент позволяет создавать маску для тел, отображающих одежду, и настраивать параметры их движения. В зависимости от конфигурации можно отобразить все от шелка до мешковины.

Для улучшения производительности можно ограничить воздействие естественных сил на ткань. Например, Wind Method (Отображение ветра) можно установить на Accurate (Точное) или Legacy (Частичное). Частичное отображение игнорирует мелкие колебания, производится меньше вычислений.

Не все точки на ткани нужно учитывать — они могут действовать группами. Это сокращает количество вершин, данные о которых нужно обрабатывать. При этом не все эти группы взаимодействуют друг с другом как в реальном мягком теле. Они в основном влияют только на ближайшие точки, поэтому число математических вычислений сводится к приемлемому уровню.

Системы частиц мягкого тела

Отобразить дым или облака еще сложнее. Точки таких объектов могут перемещаться нелинейно относительно друг друга. Какие-то точки могут перемещаться за пределы образной границы объекта и даже формировать другие мягкие тела.

Физические движки значительно улучшили системы частиц за последние годы. Посмотрите на приветственный экран из Skyrim и насколько там реалистично выглядит дым.

У каждой частицы в системе мягкого тела статическая продолжительность жизни. Это период с момента ее возникновения до момента ее исчезновения (через какое-то время источник частиц создаст ее снова). В течение этого периода точка перемещается с учетом заданных параметров.

Рассмотрим дым от костра в качестве примера. Каждая частица перемещается вверх от источника: нелинейно, кружась и случайным образом меняя свое положение в пространстве. Так и поднимаются, пока не закончится их продолжительность жизни, а затем удаляются.

Продолжительность жизни влияет на то, насколько естественно выглядит система частиц. При долгой продолжительности можно создать довольно реалистичный дым от костра, но это сильно нагрузит процессор. Короткая — сокращает количество вычислений, но частицы успеют лишь слегка подняться до исчезновения.

Дым в заставке Skyrim выглядит круто, просто потому что на экране больше ничего не происходит. Всю мощность процессора и видеокарты можно направить на симуляцию частиц дыма с очень длинной продолжительностью жизни.

В самой игре дым от огня выглядит уже не так реалистично. Он все еще довольно убедителен, но стал проще: разработчики сократили время отображения частиц в симуляции. Есть и другие уловки. Например, наложение нескольких статических слоев дыма

Физику мягкого тела очень аккуратно добавляют в игры. Во-первых, нет необходимости полной симуляции физики мягкого тела — как правило, она нужна только для эстетики. Во-вторых, точное воспроизведение системы мягкого тела требует слишком большого количества вычислений.

Подытожим

Физика видеоигр — сложная область, в которой разработчики ищут баланс между реализмом и ограничениями вычислительных мощностей. Хитрости, упрощения и физические движки позволяют быстро создать довольно реалистичную физику, чтобы главное внимание уделить более важным аспектам игры.

Игра должна быть интересной. Реализм не так важен по сравнению с захватывающим геймплеем. Игровая физика по-прежнему важна — нужны интуитивно понятные правила. При этом их можно менять, чтобы обогатить геймплей (вспоминаем двойной прыжок).

Если хотите лучше разобраться в физике видеоигр, то посмотрите соответствующие разделы в руководстве Unity или руководстве Lumberyard.

Источник