Современные физические движки симулируют не все физические законы реального мира, а лишь некоторые, причём с течением времени и прогресса в области информационных технологий и вычислительной техники список «поддерживаемых» законов увеличивается. На конец 2010 года физические движки могут симулировать следующие физические явления и состояния:
- динамика абсолютно твёрдого тела ,
- динамика деформируемого тела ,
- динамика жидкостей,
- динамика газов,
- поведение тканей,
- поведение верёвок (тросы, канаты и т. д.).
Все физические движки условно делятся на два типа:
- игровые,
- научные.
Первый тип используется в компьютерных играх как компонент игрового движка. В этом случае он должен работать в режиме реального времени, то есть воспроизводить физические процессы в игре с той же самой скоростью, в которой они проходят в реальном мире. Вместе с тем от игрового физического движка не требуется точности вычислений. Главное требование - визуальная реалистичность, - и для его достижения не обязательно проводить точную симуляцию. Поэтому в играх используются очень сильные аппроксимации, приближенные модели и другие программные «трюки».
Научные физические движки используются в научно-исследовательских расчётах и симуляциях, где крайне важна именно физическая точность вычислений. Вместе с тем скорость вычислений не играет существенной роли.
Использование ОписаниеФизический движок позволяет создать некое виртуальное пространство, которое можно наполнить телами (виртуальными статическими и динамическими объектами), и указать для него некие общие законы взаимодействия тел и среды, в той или иной мере приближенные к физическим, задавая при этом характер и степень взаимодействий (импульсы, силы, и т. д). Собственно расчёт взаимодействия тел движок и берёт на себя. Когда простого набора объектов, взаимодействующих по определённым законам в виртуальном пространстве, недостаточно в силу неполного приближения физической модели к реальной, возможно добавлять (к телам) связи. Рассчитывая взаимодействие тел между собой и со средой, физический движок приближает физическую модель получаемой системы к реальной, передавая уточнённые геометрические данные средству отображения (рендереру).
Тело Известные физические движки Игровые проприетарные Игровые свободные Игровые аппаратные- PhysX - физический процессор ; работает по сути так же, как и графическая карта, но в пользу физики PhysX. То есть, имея такую плату и игру с PhysX, игровая физика будет значительно лучше, нежели без использования адаптера PhysX.
Источник: codingclub
ВОЗМОЖНОСТИ СУЩЕСТВУЮЩИХ ДВИЖКОВ
НЕ ИМЕЕТ СМЫСЛА МНОГО ГОВОРИТЬ О ТОМ, ЧТО В СОВРЕМЕННЫХ ИГРАХ ОЧЕНЬ ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ФИЗИЧЕСКИЕ СИМУЛЯЦИИ РАЗЛИЧНОГО РОДА. ФИЗИКА УЖЕ ДАВНО (И НАДОЛГО) ПРОТОПТАЛА ДОРОЖКУ В СИМУЛЯТОРЫ, В ОСНОВНОМ АВТОМОБИЛЬНЫЕ
Физика используется и как основной элемент геймплея (хардкорные симуляторы), и как средства к получению дополнительных эмоций у игрока (различного рода разрушения). Также есть ряд жанров, в которых массовое применение физики началось сравнительно недавно - это прежде всего шутеры и игры с видом от третьего лица. Спектр использования физических эффектов в них очень широк: от достаточно простых rag-dolls и пинания ящиков до попыток завязать часть геймплея на физику (Half-life 2, Psi-ops и т.д.). Кроме всего перечисленного, существует ряд игровых жанров, в которых физика не нужна в принципе, к примеру в пошаговых глобальных стратегиях. В целом на сегодня физика в играх является важнейшим элементом, но несмотря на это раскручена не так, как графика.
немного терминологии
физический движок (фд)
ФД - библиотека, которая рассчитывает физические взаимодействия между объектами игрового мира (симулируется физика, описываемая законами Ньютона). Физические движки, используемые при разработке игр, как правило, не симулируют физические процессы игрового мира со 100% точностью, а лишь производят достаточно точную аппроксимацию физических законов. Современные игровые физические движки состоят из двух частей: подсистемы определения столкновений и подсистемы расчета физических взаимодействий.
подсистема определения столкновений
Основные два параметра подсистемы определения столкновений: скорость работы и точность определения столкновений. Недостаточная точность приводит к появлению разных артефактов, таких как перекрытие объектов, неопределение столкновений при существенно разных размерах и скоростях объектов и т.д. Для ускорения работы подсистемы столкновений используют различного рода разбиения пространства на подпространства, такие как quadtree (рекурсивное деление пространства на четыре подпространства) или осtree (деление на восемь подпространств), для снижения количества проверок столкновений. Системы столкновений работают дискретно - столкновения рассчитываются через определенные промежутки времени. Итак, такого рода системы могут приводить к тому, что столкновения с участием быстро движущихся объектов не фиксируются - для борьбы с подобного рода артефактами некоторые системы столкновений поддерживают так называемый continuous collision detection (CCD) (системы непрерывного отслеживания столкновений). Суть метода continuous collision detection заключается в том, что проверка столкновений между двумя объектами производится не между ними самими в дискретные моменты времени, а между вытянутыми объемами, которые представляют движение объектов в течение всего временного шага.
подсистема симуляции (пс)
ПС, помимо скорости работы, характеризуется таким параметром, как стабильность симуляции. Этот параметр влияет непосредственно на достоверность самой физической симуляции: если симуляция нестабильна, видны разные артефакты, например подергивающиеся объекты. Симуляция дискретна, то есть программист извне задает шаг времени, который необходимо рассчитать. От размера этого шага и зависит стабильность симуляции. Соответственно, чем больший размер шага позволяет устанавливать движок, тем лучше.
Подавляющее большинство физических движков может (с различным успехом) симулировать физику твердого тела (Rigid body simulation). Твердое тело - это тело, которое не меняет свою форму (к ним можно отнести кирпич, стол, стену и т.д.). На данный момент подавляющее большинство игр использует именно физику твердого тела, главным образом потому, что с приемлемой производительностью может обсчитываться лишь физика твердого тела. Для представления объема твердых тел, в зависимости от движка, могут использоваться как различные примитивные тела (прямоугольники, сферы, цилиндры, конусы и т.д.), так и более сложные (карты высот, выпуклые многогранники или невыпуклые многогранники). Если используются только примитивные тела, более сложные тела описываются с помощью аппроксимации примитивами. Для описания свойств твердых тел используется понятие материала, который описывается параметрами: коэффициент трения (может быть два: коэффициент трения покоя, который показывает, как тяжело сдвинуть тело, и коэффициент трения движения, который показывает, как тяжело удерживать тело в движении), упругость (сколько энергии остается после столкновения с другим телом). Помимо этих параметров, могут быть и другие. Твердое тело также имеет массу. Движение твердых тел описывается при помощи линейной, угловой скорости и ускорения. Хотя движки позволяют устанавливать эти параметры непосредственно, воздействия на тела, как правило, осуществляют при помощи приложения либо физических сил (влияют на ускорения тел), либо импульсов (влияют на скорости).
На базе физики твердого тела реализуется также физическое поведение персонажей и широко известный эффект тряпичной куклы (rag-doll), который заключается в том, что персонаж (чаще всего мертвый) падает вниз, как тряпичная кукла. Для реализации подобного рода поведения только твердых тел недостаточно. Используются так называемые сочленения (joint) или ограничения (constraint).
Джоинт - это точка, которая соединяет два твердых тела (соединение обычно задается относительно точки джоинта) и накладывает ограничения на положение тел в пространстве друг относительно друга или на скорости тел относительно друг друга. Типов джоинтов много (некоторые движки позволяют писать собственные). Для реализации рэгдолов используют ball-joint и hinge-joint. Ball-joint - это шарнирное соединение двух тел, оно ограничивает перемещение тел друг относительно друга и налагает ограничение на то, как повернуты тела относительно друг друга по трем осям (при помощи джоинтов такого типа в регдолле крепится плечо или голова к телу). Hinge-joint - это петельное соединение двух тел, которое ограничивает повороты тел относительно друг друга одной осью. В целом же спектр применения джоинтов очень широк и не ограничивается только созданием rag-dolls.
Помимо физики твердого тела, различные физические движки могут реализовывать дополнительные возможности: специальную поддержку симуляции движения автомобилей, симуляцию воды и прочих жидкостей, симуляцию тканей и одежды, симуляцию частиц, дополнительную поддержку для симуляции персонажей - высокоуровневые контроллеры персонажей, встроенную поддержку rag-dolls, поддержку анимации и т.д.
физика и разработка игры
Наличие физики в игре накладывает отпечаток на весь процесс разработки. В зависимости от того, каков объем и характер физических фич, могут быть затронуты практически все аспекты производственного процесса - от геймплея до контента.
Как делать физику - этот вопрос требует решения. На одном полюсе - решение о том, чтобы писать физику самостоятельно. На другом полюсе - покупка готового решения, которое полностью покроет спектр поставленных задач. Где-то посредине находится такой вариант: модифицировать существующий, но далеко не на 100% подходящий движок. Как и в остальных областях разработки ПО, данное решение зависит от множества факторов: наличия средств, наличия персонала, наличия подходящих решений и т.д.
В зависимости от выбора и требований к физике сложность разработки может значительно колебаться. Если же рассматривать одну и ту же игру с физикой и без нее, при прочих равных, то вариант с физикой (достаточно объемной) затронет всех участников производственного процесса. Наличие физики прежде всего влияет на архитектуру кода игры: введение такой сложной подсистемы влияет и на графику, и на искусственный интеллект, и даже на ввод пользователя.
Помимо архитектурных моментов, в команде разработчиков появляется новая роль - программист физики, который будет вынужден заниматься вопросами реализации воплощения физических фич (эта доля тяжелая и неблагодарная). Наличие физики повлияет и на геймдизайн. С одной стороны, можно будет добавлять различные физические геймлей-фичи, с другой стороны, появится дополнительная забота о том, как физика скажется на остальном геймплее. Также физика затрагивает и производство контента для игры: придется создавать физические модели объектов, настраивать материалы, rag-dolls и джоинты.
Добавление физики в игру усложняет процесс разработки продукта и требует дополнительных ресурсов.
обзор существующих решений
До недавнего времени ситуация на рынке физических движков была довольно стабильна. Существовало несколько бесплатных физических движков (разного качества), а также ряд коммерческих физических движков. Однако в ушедшем 2005 году компания AGEIA анонсировала первый в истории игровой индустрии ускоритель физики, который снимает с центрального процессора задачу расчета физики. Ускоритель пока еще не появился в продаже, но его создатели утверждают, что их продукт будет способен обсчитывать порядка 40 000 объектов (на данный момент количество физических объектов, обсчитываемых на ПК, составляет десятки).
Ниже рассмотрим основные физические движки, которые существуют на сегодня. Помимо чисто физических движков, существует масса игровых движков, которые содержат физические подсистемы, написанные поверх одной из библиотек (на www.devmaster.net/engines можно ознакомиться с игровыми движками).
PhysX (www. ageia.com, коммерческий)
Эта физическая технология предоставляется компанией AGEIA и как физический движок, и как АПИ для работы с их физическим ускорителем. На данный момент ряд игровых компаний заявили о поддержке этой технологии в своих продуктах (в том числе Unreal Engine).
Возможности PhysX:
СИМУЛЯЦИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, В КАЧЕСТВЕ ФИЗИЧЕСКОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ МОГУТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ ПРИМИТИВЫ (ПЛОСКОСТИ, БОКСЫ, КАПСУЛЫ) И ВЫПУКЛЫЕ МНОГОУГОЛЬНИКИ, А ТАКЖЕ ИХ КОМБИНАЦИИ;
ПОЛНОСТЬЮ НАСТРАИВАЕМЫЕ ДЖОИНТЫ С ШЕСТЬЮ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ;
СИМУЛЯЦИЯ ЖИДКОСТЕЙ;
ФИЗИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ ЖИДКОСТЯМИ И ТВЕРДЫМИ ТЕЛАМИ;
КОНТРОЛЛЕРЫ ПЕРСОНАЖЕЙ (ПЕРСОНАЖ МОЖЕТ СОСТОЯТЬ ИЗ БОКСОВ И КАПСУЛ), ПОЗВОЛЯЮЩИЕ АВТОМАТИЧЕСКИ ПЕРЕМЕЩАТЬСЯ ПО ЛЕСТНИЦАМ;
АВТОМОБИЛИ НА ОСНОВЕ ТРЕЙСИНГА ЛУЧА;
ПОДДЕРЖКА НЕСКОЛЬКИХ СЦЕН;
СИСТЕМА СТОЛКНОВЕНИЯ ПОДДЕРЖИВАЕТ НЕПРЕРЫВНОЕ ОТСЛЕЖИВАНИЕ СТОЛКНОВЕНИЙ;
МУЛЬТИПЛАТФОРМЕННОСТЬ;
МНОГОПОТОЧНОСТЬ.
Havok (www.havok.com, коммерческий)
Один из старейших физических движков. На нем сделаны десятки игр (посмотреть их список можно по адресу www.havok.com/content/blogcategory/29/73). Недавно Havok анонсировал новую технологию расчета физики Havok FX, которая производит расчеты физики на видеокартах используя шейдеры 3.0.
Возможности Havok:
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА;
ДЖОИНТЫ;
КОНТРОЛЛЕРЫ ПЕРСОНАЖЕЙ (ПОЗВОЛЯЮТ ПЕРСОНАЖАМ ПЕРЕМЕЩАТЬСЯ ПО ЛЕСТНИЦАМ);
МУЛЬТИПЛАТФОРМЕННОСТЬ;
МНОГОПОТОЧНОСТЬ.
Trueaxis (www.trueaxis.com)
Бесплатный для некоммерческого использования. Исходники закрыты.
Возможности:
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА;
СИСТЕМА СТОЛКНОВЕНИЯ ПОДДЕРЖИВАЕТ НЕПРЕРЫВНОЕ ОТСЛЕЖИВАНИЕ СТОЛКНОВЕНИЙ;
В КАЧЕСТВЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ МОГУТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ ВЫПУКЛЫЕ МНОГОУГОЛЬНИКИ, КАПСУЛЫ, ЦИЛИНДРЫ И СФЕРЫ;
ПОДДЕРЖКА СИМУЛЯЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ;
ДЖОИНТЫ.
ODE (www.ode.org, BSD, исходники открыты)
Единственный в списке движок с открытыми исходниками, что позволяет ему служить в качестве базы для построения собственного физического движка (небезызвестный проект S.T.A.L.K.E.R. использует модифицированный ODE), а также просто для изучения того, как оно все внутри устроено. ODE очень часто используется различными игровыми движками в качестве физической подсистемы.
Возможности:
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА;
ДЖОИНТЫ;
СИСТЕМА СТОЛКНОВЕНИЙ ОТДЕЛЕНА ОТ ФИЗИЧЕСКОЙ СИМУЛЯЦИИ, ЧТО ПОЗВОЛЯЕТ ИНТЕГРИРОВАТЬ ODE С РАЗНЫМИ СИСТЕМАМИ СТОЛКНОВЕНИЙ.
Tokamak (www.tokamakphysics.com, беcплатный, исходники закрыты)
Возможности:
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА;
ДЖОИНТЫ (ВСЕГО ДВА ВИДА: BALL И HINGE - ДОСТАТОЧНО ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ RAG-DOLLS).
Newton (www.physicsengine.com, беcплатный, исходники закрыты)
Возможности:
СИСТЕМА СТОЛКНОВЕНИЯ ПОДДЕРЖИВАЕТ НЕПРЕРЫВНОЕ ОТСЛЕЖИВАНИЕ СТОЛКНОВЕНИЙ;
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА;
ПОДДЕРЖКА СИМУЛЯЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ.
физика на примере
Для практического примера возьмем демонстрационную программу из OPAL (open physics abstraction layer: http://ox.slug.louisville.edu/opal/wiki) - это открытый физический движок, предоставляющий единый высокоуровневый интерфейс для работы с другими физическими движками. На данный момент существует единственная реализация поверх ODE, в разработке находится оболочка над TrueAxis. Для работы необходимо скачать сам движок - ?download.
Нас интересует дема, которая находится в папке opal-0.3.1-srcsamplessimple и показывает базовые аспекты работы с физическим движком OPAL, демонстрируя работу с твердыми телами. В качестве визуализатора используется библиотека SDL (www.libsdl.org/index.php). Приложение состоит из единственного файла main.cpp и нескольких h-ков. При старте появляется статический бокс. При нажатии клавиши «пробел» на этот бокс падают твердые тела, представляемые при помощи различных примитивов. Рассмотрю файл main.cpp и прокомментирую те его части, которые относятся к физической симуляции.
набор глобальных переменных
std::vector gEntities;
opal::Simulator* gSimulator = NULL;
Переменная gSimulator типа opal::Simulator указывает на экземпляр физического движка OPAL. Тип opal::Simulator - собственно, и есть сам физический движок. Он инкапсулирует внутри систему расчета столкновений и подсистему расчета физики. Как правило, в приложении достаточно одного экземпляра физического движка. Подобного рода архитектура, при которой существует некий объект, содержащий информацию обо всех физических объектах игрового мира, и производит обсчет физики и используется практически во всех высокоуровневых физических движках.
Переменная gEntities содержит список сущностей типа opalSamples::Entity, которые имеют физическое представление. Сам класс и его наследники мало интересны, так как они в данной программе служат для отрисовки симулируемых объектов. В самом классе opalSamples::Entity интересует нас одно поле - opal::Solid* mSolid. Тип opal::Solid представляет твердое тело в физическом движке OPAL. Твердое тело обладает позицией, скоростью, ускорением и является базовой единицей симуляции - такого рода сущность есть в любом физическом движке. В данной программе для рисования сущности необходимо знать позицию твердого тела - эта информация получается путем вызова метода getTransform у mSolid.
содержимое функции main
gSimulator = opal::createSimulator();
gSimulator->setGravity(opal::Vec3r(0, (opal::real)-9.81, 0));
В первой строчке создаем экземпляр симулятора при помощи функции opal::createSimulator(). Во второй строчке устанавливаем силу гравитации для этого симулятора при помощи метода setGravity и передачи в качестве параметра вектора силы тяжести. Заметь, что можно задать гравитацию, отличную от земной, или установить ее равной нулю. С точки зрения физической симуляции, гравитация - это всего лишь одна из сил, действующих на тело, подобного рода метод применяют из соображений удобства и эффективности, так как, как правило, в симулируемом мире гравитация присутствует.
1. opal::Solid* platformSolid = gSimulator->createSolid();
2. platformSolid->setStatic(true);
3. opal::BoxShapeData boxShape;
4. boxShape.dimensions = gGroundDimensions;
5. platformSolid->addShape(boxShape);
В приведенном куске кода создаем объект в виде прямоугольной коробки, который служит в качестве земли. В первой строчке создаем твердое тело в нашем симуляторе (это твердое тело будет обрабатываться именно данным симулятором и никаким другим).
Во второй строчке делаем тело статическим, то есть таким, которое не может менять свою позицию (обладает бесконечной массой), но может взаимодействовать с другими физическими телами. Как правило, в играх такие статические тела используются для симуляции неподвижных объектов локаций, таких как земля, стены и т.д.
В третьей строчке создаем экземпляр структуры boxShape, которая описывает трехмерный прямоугольник (бокс).
В четвертой строчке устанавливаем его размеры по трем осям, а в пятой - устанавливаем этот прямоугольник в качестве объема для нашей земли, вызвав метод addShape. Заметь, что можно добавлять сколько угодно разных фигур (Shapes), описывая таким образом сложный объем. В OPAL, помимо боксов, в качестве объема можно использовать сферы, цилиндры, плоскости и многоугольники, причем и выпуклые, и невыпуклые. Все фигуры имеют, помимо специфичных для каждой фигуры параметров (как dimensions в нашем примере), ряд общих полей:
Matrix44r offset;
Material material;
Поле offset задает смещение фигуры относительно центра твердого тела, поле material задает свойства материала фигуры. В OPAL"е материал имеет следующие свойства:
hardness - от 0 до 1. Показывает, насколько допустимо перекрытие объемов тел.
friction - от 0 до 1, трение движения. Чем больше это значение, тем быстрее будет останавливаться движущееся тело.
bounciness - от 0 до 1, упругость. Чем больше значение, тем больше энергии будет поглощаться при соударении.
density - плотность материала. На основании этого параметра и объема фигуры вычисляется масса фигуры.
основной цикл программы (вернее, те его части, которые представляют интерес в контексте рассматриваемого вопроса)
opal::real dt = (opal::real)timer.getElapsedSeconds();
gQuit = processInput();
gSimulator->simulate(dt);
Нам интереснее всего вот эта строчка:
gSimulator->simulate(dt);
В метод simulate передаем единственный параметр - время, которое прошло в «физическом мире». Именно внутри этого вызова происходит расчет столкновений и расчет взаимодействия физических объектов, происходит обновление позиций, скоростей и т.д.
gSimulator->destroy();
Заключительная строчка программы вызывает метод destroy объекта-симулятора, тем самым освобождая все ресурсы, занятые им, и уничтожая все физические объекты, созданные через методы симулятора, подобные createSolid.
В примере я рассмотрел весьма простое приложение. В реальной игре больше задач, эти задачи сложнее. Тем не менее, даже если судить по этому приложению, можно сказать, что на сегодня не нужно быть специалистом по высшей математике и физике только для того, чтобы писать приложения, включающие в себя физические симуляции.
Используются не как отдельные самостоятельные программные продукты , а как составные компоненты (подпрограммы) других программ.
Все физические движки условно делятся на два типа: игровые и научные .
- Первый тип используется в компьютерных играх как компонент игрового движка . В этом случае он должен работать в режиме реального времени , то есть воспроизводить физические процессы в игре с той же самой скоростью, в которой они происходят в реальном мире. Вместе с тем от игрового физического движка не требуется точности вычислений. Главное требование - визуальная реалистичность, и для его достижения не обязательно проводить точную симуляцию. Поэтому в играх используются очень сильные аппроксимации, приближенные модели и другие приёмы.
- Научные физические движки используются в научно-исследовательских расчётах и симуляциях , где крайне важна именно физическая точность вычислений. Вместе с тем скорость вычислений не играет существенной роли.
Современные физические движки симулируют не все физические законы реального мира, а лишь некоторые, причём с течением времени и прогресса в области информационных технологий и вычислительной техники список «поддерживаемых» законов увеличивается. На начало 2010 года физические движки могут симулировать следующие физические явления и состояния:
- динамика абсолютно твёрдого тела
- динамика деформируемого тела
- динамика газов
- поведение верёвок (тросы, канаты и т.д.)
В августе 2009 года англоязычный журнал Game Developer (англ. ), посвящённый разработке компьютерных игр, опубликовал статью о современных игровых движках и их использовании. Согласно данным журнала, наиболее популярным среди разработчиков является движок nVidia PhysX , который занимает 26,8% рынка. На втором месте находится Havok , который занимает 22,7% рынка. Третье место принадлежит движку Bullet Physics Library (10,3%), а четвёртое - Open Dynamics Engine (4,1%).
Использование ОписаниеФизический движок позволяет создать некое виртуальное пространство, которое можно наполнить телами (виртуальными статическими и динамическими объектами), и указать для него некие общие законы взаимодействия тел и среды, в той или иной мере приближенные к физическим, задавая при этом характер и степень взаимодействий (импульсы, силы и т. д). Собственно расчёт взаимодействия тел движок и берёт на себя. Когда простого набора объектов, взаимодействующих по определённым законам в виртуальном пространстве, недостаточно в силу неполного приближения физической модели к реальной, возможно добавлять (к телам) связи. Рассчитывая взаимодействие тел между собой и со средой, физический движок приближает физическую модель получаемой системы к реальной, передавая уточнённые геометрические данные средству отображения (рендереру).
ТелоТело (англ. body ) - объект игровой физики, который определяется:
- его формой (есть простые формы: шар, куб, цилиндр; есть сложные формы, набор которых в разных движках может различаться);
- неким набором параметров (масса, упругость, коэффициент трения, инертность по осям).
Связь (соединение; англ. joint ) - ограничения объектов игровой физики, каждое из которых может накладываться на одно или два тела.
ВзаимодействиеКак правило, физический движок и решает проблему взаимодействия тел. Тем не менее, может появиться необходимость использования собственного алгоритма взаимодействия, и, как правило, движки предоставляют такую возможность.
Известные физические движки Игровые проприетарные Игровые свободные Ныне несуществующие- NovodeX - физический движок, приобретённый компанией Ageia и преобразованный в PhysX.
- Meqon - физический движок, приобретённый компанией Ageia и интегрированный в состав её движка PhysX.
- Ipion Virtual Physics - физический движок, приобретённый компанией Havok и интегрированный в состав её движка Havok Physics;
- Karma - коммерческий движок от ныне закрытой компании MathEngine , интегрирован в Unreal Engine 2.0/2.5 .
- Open Physics Initiative - проект, инициированный компаниями AMD и Pixelux Entertainment по объединению Bullet Physics Library и Digital Molecular Matter , добавлении в новообразованный продукт поддержки OpenCL и DirectCompute и оптимизации результирующего движка для выполнения на графических процессорах Radeon .
- - общая информация о физических движках на сайте GameDev.ru
- - список терминов и понятий, относящихся к программированию физических движков на сайте GameDev.ru
- Lentyay. . gamesector.org (23 октября 2006 года). Проверено 7 июля 2009. .
- Lentyay. . gamesector.org (2 ноября 2006 года). Проверено 7 июля 2009. .
- Lentyay. . gamesector.org (16 мая 2007 года). Проверено 7 июля 2009. .
- Andretti. . ITC.ua (3 декабря 2007 года). - Подборка скриншотов из компьютерных игр, которая демонстрирует развитие визуализации воды. Проверено 2 августа 2009. .
- Zogrim. (англ.) . (7 декабря 2009 года). Проверено 11 марта 2010. .
- Наталья Зайцева. . Intel Software Network (6 октября 2009 года). Проверено 21 марта 2010. .
Лицо стало утешать ее; Элен же сквозь слезы говорила (как бы забывшись), что ничто не может мешать ей выйти замуж, что есть примеры (тогда еще мало было примеров, но она назвала Наполеона и других высоких особ), что она никогда не была женою своего мужа, что она была принесена в жертву.
– Но законы, религия… – уже сдаваясь, говорило лицо.
– Законы, религия… На что бы они были выдуманы, ежели бы они не могли сделать этого! – сказала Элен.
Важное лицо было удивлено тем, что такое простое рассуждение могло не приходить ему в голову, и обратилось за советом к святым братьям Общества Иисусова, с которыми оно находилось в близких отношениях.
Через несколько дней после этого, на одном из обворожительных праздников, который давала Элен на своей даче на Каменном острову, ей был представлен немолодой, с белыми как снег волосами и черными блестящими глазами, обворожительный m r de Jobert, un jesuite a robe courte, [г н Жобер, иезуит в коротком платье,] который долго в саду, при свете иллюминации и при звуках музыки, беседовал с Элен о любви к богу, к Христу, к сердцу божьей матери и об утешениях, доставляемых в этой и в будущей жизни единою истинною католическою религией. Элен была тронута, и несколько раз у нее и у m r Jobert в глазах стояли слезы и дрожал голос. Танец, на который кавалер пришел звать Элен, расстроил ее беседу с ее будущим directeur de conscience [блюстителем совести]; но на другой день m r de Jobert пришел один вечером к Элен и с того времени часто стал бывать у нее.
В один день он сводил графиню в католический храм, где она стала на колени перед алтарем, к которому она была подведена. Немолодой обворожительный француз положил ей на голову руки, и, как она сама потом рассказывала, она почувствовала что то вроде дуновения свежего ветра, которое сошло ей в душу. Ей объяснили, что это была la grace [благодать].
Потом ей привели аббата a robe longue [в длинном платье], он исповедовал ее и отпустил ей грехи ее. На другой день ей принесли ящик, в котором было причастие, и оставили ей на дому для употребления. После нескольких дней Элен, к удовольствию своему, узнала, что она теперь вступила в истинную католическую церковь и что на днях сам папа узнает о ней и пришлет ей какую то бумагу.
Все, что делалось за это время вокруг нее и с нею, все это внимание, обращенное на нее столькими умными людьми и выражающееся в таких приятных, утонченных формах, и голубиная чистота, в которой она теперь находилась (она носила все это время белые платья с белыми лентами), – все это доставляло ей удовольствие; но из за этого удовольствия она ни на минуту не упускала своей цели. И как всегда бывает, что в деле хитрости глупый человек проводит более умных, она, поняв, что цель всех этих слов и хлопот состояла преимущественно в том, чтобы, обратив ее в католичество, взять с нее денег в пользу иезуитских учреждений {о чем ей делали намеки), Элен, прежде чем давать деньги, настаивала на том, чтобы над нею произвели те различные операции, которые бы освободили ее от мужа. В ее понятиях значение всякой религии состояло только в том, чтобы при удовлетворении человеческих желаний соблюдать известные приличия. И с этою целью она в одной из своих бесед с духовником настоятельно потребовала от него ответа на вопрос о том, в какой мере ее брак связывает ее.
Они сидели в гостиной у окна. Были сумерки. Из окна пахло цветами. Элен была в белом платье, просвечивающем на плечах и груди. Аббат, хорошо откормленный, а пухлой, гладко бритой бородой, приятным крепким ртом и белыми руками, сложенными кротко на коленях, сидел близко к Элен и с тонкой улыбкой на губах, мирно – восхищенным ее красотою взглядом смотрел изредка на ее лицо и излагал свой взгляд на занимавший их вопрос. Элен беспокойно улыбалась, глядела на его вьющиеся волоса, гладко выбритые чернеющие полные щеки и всякую минуту ждала нового оборота разговора. Но аббат, хотя, очевидно, и наслаждаясь красотой и близостью своей собеседницы, был увлечен мастерством своего дела.
Ход рассуждения руководителя совести был следующий. В неведении значения того, что вы предпринимали, вы дали обет брачной верности человеку, который, с своей стороны, вступив в брак и не веря в религиозное значение брака, совершил кощунство. Брак этот не имел двоякого значения, которое должен он иметь. Но несмотря на то, обет ваш связывал вас. Вы отступили от него. Что вы совершили этим? Peche veniel или peche mortel? [Грех простительный или грех смертный?] Peche veniel, потому что вы без дурного умысла совершили поступок. Ежели вы теперь, с целью иметь детей, вступили бы в новый брак, то грех ваш мог бы быть прощен. Но вопрос опять распадается надвое: первое…
– Но я думаю, – сказала вдруг соскучившаяся Элен с своей обворожительной улыбкой, – что я, вступив в истинную религию, не могу быть связана тем, что наложила на меня ложная религия.
Directeur de conscience [Блюститель совести] был изумлен этим постановленным перед ним с такою простотою Колумбовым яйцом. Он восхищен был неожиданной быстротой успехов своей ученицы, но не мог отказаться от своего трудами умственными построенного здания аргументов.
– Entendons nous, comtesse, [Разберем дело, графиня,] – сказал он с улыбкой и стал опровергать рассуждения своей духовной дочери.
Элен понимала, что дело было очень просто и легко с духовной точки зрения, но что ее руководители делали затруднения только потому, что они опасались, каким образом светская власть посмотрит на это дело.
И вследствие этого Элен решила, что надо было в обществе подготовить это дело. Она вызвала ревность старика вельможи и сказала ему то же, что первому искателю, то есть поставила вопрос так, что единственное средство получить права на нее состояло в том, чтобы жениться на ней. Старое важное лицо первую минуту было так же поражено этим предложением выйти замуж от живого мужа, как и первое молодое лицо; но непоколебимая уверенность Элен в том, что это так же просто и естественно, как и выход девушки замуж, подействовала и на него. Ежели бы заметны были хоть малейшие признаки колебания, стыда или скрытности в самой Элен, то дело бы ее, несомненно, было проиграно; но не только не было этих признаков скрытности и стыда, но, напротив, она с простотой и добродушной наивностью рассказывала своим близким друзьям (а это был весь Петербург), что ей сделали предложение и принц и вельможа и что она любит обоих и боится огорчить того и другого.
По Петербургу мгновенно распространился слух не о том, что Элен хочет развестись с своим мужем (ежели бы распространился этот слух, очень многие восстали бы против такого незаконного намерения), но прямо распространился слух о том, что несчастная, интересная Элен находится в недоуменье о том, за кого из двух ей выйти замуж. Вопрос уже не состоял в том, в какой степени это возможно, а только в том, какая партия выгоднее и как двор посмотрит на это. Были действительно некоторые закоснелые люди, не умевшие подняться на высоту вопроса и видевшие в этом замысле поругание таинства брака; но таких было мало, и они молчали, большинство же интересовалось вопросами о счастии, которое постигло Элен, и какой выбор лучше. О том же, хорошо ли или дурно выходить от живого мужа замуж, не говорили, потому что вопрос этот, очевидно, был уже решенный для людей поумнее нас с вами (как говорили) и усомниться в правильности решения вопроса значило рисковать выказать свою глупость и неумение жить в свете.
На сегодняшний день компьютерные игры развиваются невероятно быстрыми темпами - во многом это происходит благодаря тому, что процесс разработки стал гораздо более доступным. С появлением платформы «Стим» каждый человек получил возможность создать собственную игру и представить ее вниманию огромной общественности, а ведь раньше сделать это без помощи компании-издателя было попросту невозможно. Поэтому многие люди, у которых были идеи и способности для сотворения отличной игры, просто не имели возможности - теперь же все изменилось. И если вы хотите разработать собственный проект, для вас это не будет проблемой, но для начала вам нужно обратить внимание на физический движок. Конечно, никто не запрещает вам писать свою игру с нуля, программируя собственный уникальный движок. Но гораздо проще пользоваться уже готовым, так как он будет гарантированно отлажен и станет работать без проблем. Физический движок - это основа любой компьютерной игры, это базовый слой, на который вы будете наращивать контент своего проекта. Существует большое количество разнообразных движков, у каждого из которых имеются свои плюсы и минусы. В данной статье вы узнаете о нескольких лучших движках, существующих на сегодняшний день.
Cry Engine 3В первую очередь обратите внимание на то, что далеко не каждый физический движок доступен всем пользователям. Некоторые разработчики игр создают собственный, для личного использования, после чего не дают к нему доступ никому другому. Такие движки рассматриваться не будут - здесь речь пойдет о том, что вы можете использовать для создания игры, будучи так называемой третьей стороной. Первый вариант, который будет у всех на слуху в первую очередь - это Cry Engine 3. Это очень мощный физический движок, который позволит вам создать невероятную игру, однако при этом существуют различные варианты использования. Если вы не хотите тратиться, то вы можете использовать бесплатную версию - в ней будут доступны все функции, однако при этом вы не сможете распространять или продавать свою игру, то есть такой вариант подходит для домашнего использования. Существует и два платных варианта - один подразумевает выдачу двадцати процентов прибыли с игр разработчикам движка, а второй - покупку лицензии. И именно поэтому данный вариант не так популярен, как многие другие - он очень дорогой.
Если же вам не хочется тратить большие деньги на предыдущий вариант, то вам стоит обратить внимание на этот. Unreal Engine 3 - это лучший на данный момент движок по соотношению цены и качества. Вы можете приобрести права на его использование относительно недорого, при этом с его помощью вы сможете создавать полномасштабные компьютерные игры, как это делают крупные компании-разработчики, известные во всем мире. У этого движка имеются самые различные достоинства, такие как мультиплатформенность, отличная поддержка, простота и понятность. Таким образом, каждый человек, который приобретает данный движок, сможет без проблем разработать прекрасную игру, если у него для этого есть способности. Великолепную базу для этого предоставит вам Unreal Engine 3.
Havok
Если говорить о крупных проектах, то обязательно стоит затронуть еще и Havok - движок, который своим появлением сильно изменил Сейчас на нем создано уже около 200 компьютерных игр крупных студий, а инди-разработок было еще больше. Данный движок чаще всего используется для шутеров от первого или третьего лица, но иногда можно встретить и крупные проекты других жанров, например, «Старкрафт 2» среди стратегий, Super Smash Bros. среди платформеров и так далее. Естественно, приобретение его будет стоить достаточно внушительной суммы, но возможности, которые он перед вами открывает, - просто огромны. Так что если вы не являетесь независимым разработчиком с низким бюджетом, то вы можете приобрести этот движок - он сделает вашу игру просто великолепной.
Unity 3D
Что ж, пришло время перейти от крупных движков к чему-то не такому масштабному. Существует большое количество недорогих решений для двухмерных игр, но вот третье измерение по приемлемой цене спешат добавить не все. Именно поэтому движок Unity 3D на сегодняшний день является крайне популярным, так как предлагает недорогой доступ к трехмерному миру. Уже с 2009 года этот проект является ведущим среди тех, которые были разработаны не крупнейшими корпорациями для таких же крупных проектов. Поэтому вам стоит обязательно обратить внимание на данный движок, если вы хотите разрабатывать именно трехмерный проект - покупка лицензии обойдется вам недорого, а за эти деньги вы получите просто огромный объем материалов, простой доступ к публикации готовых проектов и многое другое.
DMM
Современные движки очень часто уделяют серьезное внимание реалистичности повреждений, которые наносятся миру, персонажу, средству передвижения и так далее. Однако если вы ищете недорогое решение для игры, в которой основной составляющей будет именно динамика деформируемого тела, то вам стоит обратить внимание на данный движок. Он называется DMM, и с его помощью вы сможете воспроизводить крайне реалистичную модель повреждений, независимо от того, каким будет их характер. Полное название движка - Digital Molecular Matter, и из него люди, знающие английский язык, могут уже понять, что именно деформации и будут является его главной фишкой. Если у вас нет денег на крайне дорогой современный движок, который предложит вам деформацию как одну из многих составляющих, или же вы хотите создать проект, в котором основное внимание будет уделено именно повреждениям и их реалистичности, то этот движок идеально для вас подойдет.
GameMakerНу и в завершение стоит обратить внимание на движок, который сильно отличается от всех остальных Дело в том, что на нем вам вообще не нужно будет программировать, так как все основные команды здесь заменены конкретными заранее прописанными действиями. Естественно, этих действий имеется ограниченное количество, но их все же довольно много, так что вы сможете создавать игры, вообще не задумываясь о том, что вам стоило бы выучить язык программирования. Вы прекрасно справитесь и без него, а если приобретете лицензию, то сможете использовать больше возможностей, а также публиковать свои собственные игры независимо.
Вас интересуют игры? Хотите создать игру но не знаете с чего начать? Тогда вам сюда. В этой статье я рассмотрю простейший физический движок, с построения которого можно начать свой путь в GameDev’e. И да, движок будем писать с нуля.
Несколько раз мои друзья интересовались, как же я пишу игры / игровые движки. После очередного такого вопроса и ответа я решил сделать статью, раз эта тема так интересна.
В качестве языка программирования был выбран javascript, потому что возможности скачать IDE и компилятор у подопытного знакомого не было. Рисовать будем на canvas.
Постановка задачиНеобходимо для нескольких объектов на плоскости реализовать взаимодействие с помощью фундаментальной силы гравитации.
Т.е. сделать что-то подобное притяжению звёзд в космосе.
Для начала нужно уяснить отличие компьютерной физики от реальной. Реальная физика действует непрерывно (во всяком случае обратное не доказать на текущий момент). Компьютерная физика, как и компьютер действуют дискретно, т.е. мы не можем вычислять её непрерывно, поэтому разбиваем её вычисление на шаги с определённым интервалом (я предпочитаю интервал 25 мс). Координаты объектов меняются после каждого шага и объекты выводятся на экран.
Теперь приступим к самой гравитации.
Закон всемирного тяготения (Ньютонова гравитация) гласит:
F = G * m1 * m2 / R^2 (1)
F [Н]- сила притяжения между двумя объектами G = 6.67*10^-11 [м^3/(кг * с^2)]- гравитационная постоянная m1, m2 [кг] - массы 1 и 2 объектов R [м] - расстояние между центрами масс объектов
Как это нам поможет в определении новых координат? А мы эту силу будем прикладывать к этим объектам, используя второй закон Ньютона:
F = m * a (2)
F [Н] - сила, приложенная к текущему объекту m [кг] - масса текущего объекта a [м/с^2] - ускорение текущего объекта
Забудем на время то, что в (1) сила - скаляр, а в (2) сила - вектор. И во 2 случае будем считать силу и ускорение скалярами.
Вот и получили изменение ускорения:
A = F / m (3)
Изменение скорости и координат следует из следующего:
A = v" → a = dv / dt → dv = a * dt v = s" → v = ds / dt → ds = v * dt v += dv Pos += ds
D - дифференциал (производная) v - скорость s - расстояние Pos - точка, текущие координаты объекта
переходим от векторов к скалярам:
A.x = a * cos(α) a.y = a * sin(α) dv.x = a.x * dt dv.y = a.y * dt v.x += dv.x v.y += dv.y ds.x = v.x * dt ds.y = v.y * dt Pos.x += ds.x Pos.y += ds.y
Cos(α) = dx / R sin(α) = dy / R dx = Pos2.x - Pos.x dy = Pos2.y - Pos.y R^2 = dx^2 + dy^2
Так как другого вида силы в проекте пока нет, то используем (1) в таком виде и немножко облегчим вычисления:
F = G * m * m2 / R^2 a = G * m2 / R^2
КодЗапускаемую страничку index.html создадим сразу и подключим код:
можно не смотреть
Physics
Основное внимание уйдёт на файл с кодом программы script.js . Код для отрисовки откомментирован достаточно и он не касается темы:
посмотрим и забудем на время
Var canvas, context; var HEIGHT = window.innerHeight, WIDTH = window.innerWidth; document.addEventListener("DOMContentLoaded", main, true); function main(){ // создаём холст на весь экран и прикрепляем его на страницу canvas = document.createElement("canvas"); canvas.height = HEIGHT; canvas.width = WIDTH; canvas.id = "canvas"; canvas.style.position = "absolute"; canvas.style.top = "0"; canvas.style.left = "0"; document.body.appendChild(canvas); context = canvas.getContext("2d"); /******* другой код *******/ } function Draw(){ // очищение экрана context.fillStyle = "#000000"; context.fillRect(0, 0, WIDTH, HEIGHT); // рисование кругов context.fillStyle = "#ffffff"; for(var i = 0; i < star.length; i++){ context.beginPath(); context.arc(star[i].x - star[i].r, star[i].y - star[i].r, star[i].r, 0, Math.PI * 2); context.closePath(); context.fill(); } }
Теперь самое вкусное : код, который просчитывает физику.
На каждый объект мы будем хранить только массу, координаты и скорость. Ах да, ещё надо радиус - он нам понадобится для рассчёта столкновений, но об этом в следующей статье.
Итак, «класс» объекта будет таким:
Function Star(){ this.x = 0; this.y = 0; this.vx = 0; this.vy = 0; this.r = 2; // Radius this.m = 1; } var star = new Array(); // в этом массиве будут храниться все объекты var count = 50; // начальное количество объектов var G = 1; // задаём константу методом подбора
Генерация случайных объектов в самом начале:
Var aStar; for(var i = 0; i < count; i++){ aStar = new Star(); aStar.x = Math.random() * WIDTH; aStar.y = Math.random() * HEIGHT; star.push(aStar); }
Шаг вычисляться будет в следующей функции:
Function Step(){ var a, ax, ay, dx, dy, r; // важно провести вычисление каждый с каждым for(var i = 0; i < star.length; i++) // считаем текущей for(var j = 0; j < star.length; j++) // считаем второй { if(i == j) continue; dx = star[j].x - star[i].x; dy = star[j].y - star[i].y; r = dx * dx + dy * dy;// тут R^2 if(r < 0.1) r = 0.1; // избегаем деления на очень маленькое число a = G * star[j].m / r; r = Math.sqrt(r); // тут R ax = a * dx / r; // a * cos ay = a * dy / r; // a * sin star[i].vx += ax; star[i].vy += ay; } // координаты меняем позже, потому что они влияют на вычисление ускорения for(var i = 0; i < star.length; i++){ star[i].x += star[i].vx; star[i].y += star[i].vy; } // выводим на экран Draw(); }
Здесь уже проведены небольшие оптимизации, и dt принял за 1, поэтому исключил из операций умножения.
Ну и долгожданный запуск таймера:
Timer = setInterval(Step, 20);
МинусыСложность алгоритма растёт экспоненциально, поэтому увеличение объектов влечёт заметное проседание FPS. Решение с помощью Quad tree или других алгоритмов не поможет, но в реальных играх не объекты взаимодействуют по принципу каждый с каждым.
Тестирование производилось на машине с процессором Intel Pentium с частотой 2.4 GHz. При 1000 объектов с интервал вычисления уже превышал 20 мс.
ИспользованиеВ качестве силы можно использовать суперпозицию разных сил в (3). Например, тягу двигателя, силу сопротивления грунта и воздуха, а также соударения с другими объектами. Алгоритм можно легко расширить на три измерения, достаточно ввести z аналогично x и y .
Этот алгоритм был написан мною ещё в 9 классе на паскале, а до текущего момента переложен на все языки, которые я знаю просто потому, что могу в качестве личного Hello World’a. Даже в терминале.
Также данный алгоритм можно использовать для другого фундаментального взаимодействия - электромагнитного (G → k, m → q). Я использовал этот алгоритм для построения линий магнитной индукции системы зарядов, но об этом в другой статье.
Всем спасибо за прочтение. Надеюсь данная статья Вам немного поможет в создании собственных игр.