Физика для разработчиков компьютерных игр.

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 очень 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 мяч летел с нужным ускорением и по заданной траектории, а не туда куда вздумается;
• трава мялась, когда на нее наезжаешь или наступаешь;
• чтобы персонаж ходил и бегал естественно;
• и мн.др.

Все эти моменты — это часы работы на программным кодом.

Физика в компьютерных играх

Физика в проектах для разработчиков компьютерных игр — это возможность создать
понятную и увлекательную игру. Это возможность заставить объекты выполнять
понятные и предсказуемые действия. Например, мяч в футболе. Если бы при ударе
он летел в непонятные стороны, то вряд ли кого-то устроила бы такая игра. Но
поведение мяча реализовано корректно — он летит учитывая силу удара, свою
скорость и траекторию. Благодаря такой реализации, игроки понимают параметры
игры и что необходимо сделать, чтобы забить гол в ворота соперника.
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 каждом 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;
• уходил в заносы;
• разгонялся и тормозил, как настоящий автомобиль;
• и др.

Поэтому физика для разработчиков компьютерных игр — это постоянноесоблюдение баланса между максимальной реалистичностью и сохранениеминтереса к игре.

Виды физики в компьютерных играх

Условно, физика для разработчиков компьютерных игр разделяется на основных
направления:

• для твердых тел;
• физика в 3D проектах;
• физика мягких тел;
• деформация тел в игре.

Физика твердых тел

Когда мы говорим «физика 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:

• гравитации,
• сопротивления,
• ускорения,
• воздействия других объектов на какой-то объект;
• природных катаклизмов;
• и мн.др.

При таком подходе, каждый объект в игре программируется отдельно – как он
должен себя вести с учетом окружающей его среды и воздействия на него известных
законов физики. К примеру: у живого персонажа игры одно поведение, у оружия
другое, у пули и стрел третье, у транспортных средств четвертое и т. д. Каждому
объекту своя физика в игре.

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, потому что продумывать нужно небольшое
количество взаимодействий между объектами.
В 3Д же, один только персонаж — это огромное количество «твердых тел», которым
нужно прописывать воздействие физических законов и при этом все они должны
работать как «единый» организм и взаимодействовать по заданному алгоритму.
Например, если персонаж игры человек, то его «твердыми телами» будут:

• голова,
• руки,
• ноги,
• суставы на руках и ногах,
• пальцы на руках и ногах,
• части лица,
• и др.

А в 2Д игре, один объект — это одно «твердое тело». Понимаете, насколько сложнее
проектировать качественную 3Д-игру? Но при этом не нужно забывать о балансе
«реалистичности и увлекательности» игры. Поэтому даже в 3Д играх приветствуется
максимально простой из возможных подходов в разработке. То есть, многие мелкие
моменты из реальной жизни «упускаются» специально, чтобы не усложнять процесс
игры. К примеру в играх про снайперов, могут не учитываться такие мелкие моменты,
как:

• температура воздуха при выстреле;
• скорость и направление ветра;
• атмосферное давление;
• угол вхождения пули;
• и др.

То есть те многие «мелочи», которые в реальной жизни снайпер учитывает — в игре
не учтены специально, иначе было бы очень трудно в нее играть.

Физика мягких тел

С «твердыми телами» в играх вроде все ясно, но помимо «твердых тел» в играх
встречаются еще и «мягкие тела», например:

• одежда персонажей,

• вода,
• снег,
• облака,
• дым,
• туман,
• волосы персонажей,
• и мн. др.

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

«Деформация тел» в игре — это тоже физика «мягких тел». Но основное отличие
«деформации тел» от физики «мягких тел» заключается в подходе к их реализации.
Например при физике «мягких тел» часто используется процесс зацикливания, когда
эти «мягкие объекты» движутся по заданной траектории. Эту «траекторию»
изначально ограничивают и просто повторяют. То есть, если вспомнить «точки», то
расстояние между ними будет то увеличиваться, то уменьшаться, но до
определенных границ. Такой подход используется в «мягких телах», которые не
являются центром внимания и находятся на втором плане.
Другое дело, если «мягкое тело» — это центр внимания. Например у персонажа игры
есть плащ, который должен деформироваться и реагировать на действия персонажа
игры. Если этот плащ просто «зациклить», то это сразу будет заметно и будет
выглядеть очень не естественно. Поэтому тут применяют подход для постоянного
расчета нужной деформации такого тела. Именно это добавляет реалистичности.
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 внимание —
применяют расчет деформации, когда «мягкий объект» является второстепенным
планом, то применяют простое зацикливание его движений.

Возможно вам будет интересно почитать статью “Полезные Vim плагины.”

Заключение

Физика для разработчиков компьютерных игр — это всегда «головная боль», потому
что нужно добиться максимальной реалистичности игры, при этом не потерять
интерес к игре со стороны игроков и при этом же максимально все упростить, чтобы
«железо» пользователя «не легло».
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.