🖍️ 👍🏼 👩🏽‍🌾 محرك! أو ما هي فيزياء اللعبة 🧕🏿 🈺 🏵️

عند إنشاء لعبة ، يجب على المطورين إيجاد توازن ليس فقط في الميكانيكا ، ولكن أيضًا في الفيزياء. الواقعية أم الممرات؟ بشكل عام ، شخص من هذا القبيل. الشيء الرئيسي هو مروحة ومتعة. من الضروري إنشاء القوانين الأساسية لعالمك ، وتوضيح أن القدرة على المشي على السقف هي ميكانيكي ، وليس خطأ.

كيف يجب أن تكون فيزياء اللعبة معقدة ، وأنواع الألعاب الموجودة ، وما هي الحيل التي يستخدمها المطورون عند تنفيذها - مترجمة تحت القطع.

غالبًا ما تُعتبر الفيزياء في ألعاب الفيديو أمرًا مسلمًا به. إذا قفزت الشخصية ، فهو ملزم بالهبوط ، ولا يطير إلى الفضاء (على الرغم من وجود لعبة طويلة إلى حد ما في Skyrim ، يمكن أن يحدث ذلك). نتوقع أن تتصرف الأشياء في اللعبة كما في الحياة (لا نأخذ الخلل في الاعتبار).

يمكن أن تتحول فيزياء البرمجة إلى طريقة أو طريقتين مع سطرين من التعليمات البرمجية. أو ربما نظام معقد مع محرك فعلي منفصل (على سبيل المثال ، Havok أو PhysX ) مع ملايين الأسطر من التعليمات البرمجية. بغض النظر عن التعقيد ، تنقسم فيزياء الألعاب إلى فئتين: فيزياء الحالة الصلبة وفيزياء الجسم الرخوة.

هناك حاجة إلى فيزياء الحالة الصلبة في معظم الألعاب ثنائية وثلاثية الأبعاد. تصف فيزياء الجسم اللين عمل القوى على جسم يأخذ أشكالًا مختلفة (على سبيل المثال ، علم). يعد عرض الجسم الناعم أكثر صعوبة ، لذلك يتم استخدام هذا النهج في كثير من الأحيان.

الدور المهم لفيزياء الألعاب

تخدم فيزياء الألعاب أغراضًا مختلفة ، لكن أهمها هي البديهية والمتعة. إذا تصرف كائن بشكل غير متوقع ، فسيكون من الصعب فهم قواعد اللعبة.

إذا ارتدت الكرة في FIFA 20 في كل مرة باتجاه عشوائي ، فسيكون من المستحيل تسجيل هدف. يحاول المطورون إعادة انتعاش الكرة اعتمادًا على مسارها وسرعتها وعوامل أخرى في العالم الحقيقي. لكي يفهم اللاعب بشكل بديهي كيفية التعامل مع الكرة أو الأشياء الأخرى. بالمناسبة ، لدى FIFA 20 الكثير من المراجعات السيئة على وجه التحديد لأن فيزياءها لا تعمل كما توقع المشجعون.

علاوة على ذلك ، ليس مطلوبًا من الألعاب الالتزام الصارم بالقوانين الطبيعية للطبيعة. الشيء الرئيسي هو أن اللعبة يجب أن تكون ممتعة ، ويمكن أن يؤدي تنفيذ القوانين المادية الحقيقية إلى تدمير التجربة بأكملها. تخيل Grand Theft Auto V مع الفيزياء الأرضية القاسية (ولكن إذا كنت تريد ذلك حقًا ، يمكنك وضع تعديل خاص ). حتى حادثة خفيفة بسرعة عالية ستنتهي قاتلة ، وتقتل السرعة والجو. ليست ممتعة للغاية.

يجب على المطور إيجاد التوازن الصحيح بين لعبة ممتعة ولعبة ذات فيزياء واقعية. وغالبا ما يعتمد على الجمهور المستهدف. السباق مثال جيد.

كثير من الناس مثل Arcade Racing (Need For Speed) ، حيث يؤثر لمس جهاز تقطيع أو دوران حاد بشكل سيء على التحكم في الماكينة. يفضل البعض الآخر محاكيات السباقات الواقعية (Gran Turismo).

ولكن حتى في إنشاء المحاكيات ، يحاول المطورون جذب جمهور جديد - تعتمد Gran Turismo على الواقعية الواقعية (وقد نجحت إلى حد ما). ولكن في النهاية ، أضافت Polyphony Digital وضع Arcade للاستحواذ على سوق أكبر.

فيزياء الحالة الصلبة

بالحديث عن فيزياء الألعاب ، نعني عادة فيزياء الجسم الصلبة (RBP). يصف ويستنسخ القوانين الفيزيائية المطبقة على الكتل الصلبة للمادة. الكرة في FIFA 20 هي مادة صلبة تتحكم فيها فيزياء اللعبة.

لا يهم إذا نظرنا إلى عناوين ثنائية الأبعاد مثل عناوين Pong أو 3D مثل Skyrim - فمعظم الألعاب لها فيزياء الحالة الصلبة الخطية.

فيزياء الألعاب ثنائية الأبعاد

خذ Pong كمثال. تتصادم مادتان صلبتان (كرة ومضرب) مرارًا وتكرارًا. هذا لا يبدو مشجعًا للغاية. لم يكن لجد ألعاب الفيديو فيزياء واقعية.

أولاً ، تجاهل المبرمجون الجاذبية والاحتكاك والجمود. كانت هناك مجرد كرة تتحرك ذهابا وإيابا بسرعة ثابتة.
ثانيًا ، لم يتم حساب زاوية الارتداد للكرة من المضرب بدقة. تتجاهل الكرة قانون الانعكاس تمامًا: إذا لم يؤخذ الدوران والعوامل الأخرى في الاعتبار ، فإن زاوية حدوث الكرة على السطح تساوي زاوية ارتدادها منه. في بونغ ، تم تحديد زاوية الانعكاس من خلال مدى قرب الكرة من مركز المضرب في وقت الاتصال. لا يهم المسار الأصلي. يمكن للاعبين تغيير القصور الذاتي للكرة تمامًا ، على الرغم من ناقل حركتها.

أصبح مسار الكرة أكثر مراعاة في الإصدارات اللاحقة وفي ألعاب أخرى مماثلة. على سبيل المثال ، في Breakout. ولكن حتى ليس هناك واقعية ، وإلا فإن لعبة ممتعة تتحول إلى لعبة مملة وصعبة.

كانت الألعاب مع المدفعية هي الأولى التي أخذت الجاذبية والمقاومة في الاعتبار في آلياتها. تناوب المستخدمون على إطلاق مدافع وسهام وصواريخ لتدمير قاعدة العدو. أخذت هذه الألعاب في الاعتبار المقذوفات شبه الواقعية ، أي - زاوية الإطلاق والجاذبية ومقاومة الرياح والسرعة الأصلية. ولكن مرة أخرى ، لم يسعى المصممون إلى القيام بكل شيء كما هو الحال في العالم الحقيقي. كان جمهورهم المستهدف من الناس العاديين ، وليس الخبراء البالستيين.

يعتمد سلوك المواد الصلبة (القذائف في المقام الأول) على عدة قوى. وفقًا لها ، تغيرت الرسوم المتحركة. السهام والصواريخ هي مثال رائع على المواد الصلبة المتحركة في ألعاب مشابهة. يمكن أن تتغير طائرة المقذوف أثناء الرحلة ، وظل السهم مستقيماً. دائمًا ما تكون نقطتان على جسم في نظام المواد الصلبة على نفس المسافة من بعضهما البعض.

ألعاب مثل Donkey Kong و Mario Bros. أثر بقوة على فيزياء المشاريع ثلاثية الأبعاد. أقام ماريو صداقات مع القوانين الفيزيائية الأساسية - الجاذبية والزخم والقصور الذاتي. أصبحت القفزة الميكانيكا الرئيسية وبقيت في صناعة الألعاب إلى الأبد.

يجب أن يتراجع الجسم المرتد. السؤال الوحيد هو كم سترتفع وكم ستسقط؟ وما مدى واقعية الجاذبية في اللعبة؟

إذا أطاع ماريو قوانين الفيزياء الحقيقية ، لما اجتاز المستوى الأول. يجب تغيير التوازن من أجل اللعب الممتع وتوقعات اللاعبين.

وسعت ألعاب أخرى في السلسلة هذه الحدود - ظهرت قفزة مزدوجة. في هذا الامتياز ، تمت إضافته لأول مرة إلى Super Mario 64 ، ولكن تم استخدامه سابقًا في Dragon Buster في عام 1984.

بدأ استخدام القفزة المزدوجة بنشاط في منصات (في بعض الأحيان أكثر من اللازم). ولا تزال موجودة في العديد من المشاريع الحديثة ، بما في ذلك 3D. على سبيل المثال ، Devil May Cry و Unreal Tournament.

الفيزياء ثلاثية الأبعاد

لا تختلف الفيزياء في الألعاب ثلاثية الأبعاد كثيرًا عن الفيزياء في المشاريع ثنائية الأبعاد. الحسابات معقدة بسبب البعد الثالث (المحور Z) وحقيقة أن الأشياء تتكون من العديد من المواد الصلبة.

في معظم الألعاب ثنائية الأبعاد ، يحتاج المطورون فقط إلى معالجة البيانات من تصادمات قليلة فقط من المواد الصلبة. على سبيل المثال: يقفز ماريو على كوبو. يمكن ماريو لمس أي جزء من الكوبا. اعتمادًا على نقطة الاتصال ، يختبئ Coop في صدفة ، أو يفقد ماريو حياته. على أي حال ، نحن نتحدث عن لمسة واحدة.

في الألعاب ثلاثية الأبعاد ، تصطدم عدة أجسام صلبة في وقت واحد. في Uncharted ، عندما يتسلق دريك صخرة ، يراقب البرنامج على الأقل ذراعيه وساقيه - المواد الصلبة الفردية. يمكنه ارتداد الدرج والاستيلاء عليه بيد واحدة أو اثنتين ، وستكون الرسوم المتحركة مختلفة.

في الألعاب ثلاثية الأبعاد (وبعض الأبعاد الثنائية) ، تنقسم أطراف الشخصيات إلى عدة مواد صلبة متصلة بالمفاصل. أي أن نموذج اليد البشرية يتكون من الساعد واليد ، والتي يتم توصيلها بواسطة الرسغ وترتبط بالكتف بواسطة مفصل المرفق. يتم وصف هذا من خلال فيزياء دوول (من دمية دوول خرقة الإنجليزية).

صورة: جامعة كاليفورنيا ،

يتم إنشاء مركبات ريفرسايد للمواد الصلبة (المفاصل) في نظام الرسوم المتحركة للهيكل العظمي لمحرك اللعبة. يجب أن يتحرك كل مادة صلبة وفقًا لقواعد معينة حتى تبدو واقعية. لحساب الحركات ، يستخدم المبرمجون تقنيات مختلفة. أشهرها خوارزمية فيذرستون ، وهي طريقة تقييدية تمنع الأطراف من التسكع بشكل عشوائي.

هناك طرق أخرى للعمل مع دوول: تكامل Werle (Hitman: Codename 47) ، الحركية العكسية (Halo: Combat Evolved and Half-Life) ، ragdoll المختلط (Uncharted: Drakes Fortune وغيرها الكثير) والرسوم المتحركة الإجرائية (سلسلة Medal of Honor )

تهدف كل هذه التقنيات إلى ضمان عدم تعرج الجسم بسرعة كبيرة وعدم سقوطه على الأرض ، مثل دمية خرقة. حركة المواد الصلبة المدمجة في النموذج محدودة ، لذلك يتصرفون بشكل متوقع.

دعني أذكرك ، أنت دائمًا بحاجة إلى إيجاد توازن بين الواقعية والمرح. حتى لو كانت اللعبة ستخدع قليلا.

خذ سلسلة Sniper Elite. في العالم الحقيقي ، يجب أن يأخذ مطلق النار في الاعتبار مجموعة من المتغيرات: سرعة الرياح واتجاه الرياح والمدى وحركة الهدف والسراب ومصدر الضوء ودرجة الحرارة والضغط وتأثير كوريوليس .

إذا أنشأت Rebellion محاكي قناص أصيل مع مراعاة جميع المتغيرات ، فستصبح اللعبة صعبة للغاية. تجاهلها ليس فقط بسبب قدرات المعالجات الحديثة. المستخدم العادي لا يريد فقط حساب كل هذه العوامل أثناء اللعبة ، بل إنه لا يريد حتى أن يعرف عنها. إنه أكثر ربحية السماح للاعب باستخدام النطاق وإظهار رحلة الرصاصة في حركة بطيئة.

Call of Duty: Modern Warfare لديه مستوى حيث تحتاج إلى ضرب هدف من مسافة طويلة. يتعين على اللاعب مراعاة تأثير Coriolis ، بالإضافة إلى سرعة الريح واتجاهها. بعض الناس يحبون هذا التحدي ، لكنني تخليت عنه.

السباق هو نوع آخر يتطلب الكثير من الحسابات على المواد الصلبة والقوى المؤثرة عليها. العجلات على اتصال مع سطح الطريق ، والتعليق على اتصال مع العجلات ، وتصادم السيارات مع بعضها البعض. لا تزال أشياء أخرى تشارك بشكل مباشر أو غير مباشر في التصادمات.

عادة ما يتم تبسيط القوى المادية التي تعمل على السيارات عند الدوران. إن الانجراف فيها أمر بسيط ، ولكنه في الوقت نفسه معقد للغاية - يجب أن يشعر اللاعبون بالرضا.

تمتلك محاكيات Gran Turismo و Assetto Corsa قوى أكثر واقعية. على سبيل المثال ، Assetto Corsa Competizione (الإصدار 1.0.7)يستخدم نموذج الإطارات من خمس نقاط. وهي تتضمن نقطتين على الحافة الأمامية للإطار ، ونقطتين في الخلف وواحدة في المنتصف - وكلها تعمل معًا كمواد صلبة مجمعة. يمكن أن تتحرك النقاط وتنحني بثلاثة أبعاد ، وتستجيب بشكل مستقل للقوى الخارجية وتتلامس مع السطح. تزيد النقاط الإضافية بشكل كبير من عدد الحسابات التي يقوم بها المحرك.

النماذج المادية في العناوين ثلاثية الأبعاد أكثر تعقيدًا بكثير من النماذج ثنائية الأبعاد. عليك تتبع المزيد من المتغيرات والأرضية المشتركة. لكن معظم الحسابات خطية ، لذا فإن هذه النماذج أبسط بكثير من نماذج الجسم الناعم.

فيزياء الجسم الرخوة

تصف فيزياء الجسم الرخوة (SBP) الأشياء المشوهة. يتم استخدامه بشكل أقل في كثير من الأحيان ويتم تقليله بشكل كبير في ألعاب الفيديو بسبب الكم الهائل من الحوسبة.

الأجسام اللينة هي الملابس والشعر وتراكم الجسيمات مثل الدخان أو الضباب. تبقى نقاط المادة الصلبة دائمًا على نفس المسافة من بعضها البعض. يمكن أن يتشوه الجسم الناعم ويتحرك بحيث تتغير المسافة بين نقاطه.

مواد صلبة مشوهة

قد تكون حركة الجسم الناعمة محدودة. ستبقى جميع نقاط العلم دائمًا على العلم ، ولا يمكن فصلها. يعتمد مدى انحراف النقاط عن بعضها البعض على المسافة بينهما على العلم المنعم.

تبقى النقاط المجاورة متجاورة دائمًا. يمكن أن تقترب النقاط البعيدة ، ولكن في نفس الوقت لا يمكنها التحرك بعيدًا عن بعضها البعض بعيدًا عن المسافة التي يتم تثبيتها على العلم الموسع.

يتجاوز عدد الحسابات للجسم اللين قدرات وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات. لذلك ، يبسط المطورون ويخدعون. على سبيل المثال ، يتم استخدام الرسوم المتحركة التكرارية. لكن مثل هذه الصورة ستبدو غير طبيعية بعد مرور بعض الوقت. من الأفضل عدم اللجوء إلى مثل هذا الاختراق في الحياة إذا كان الكائن في مركز الانتباه.

تمتلك الملابس تقريبًا نفس خصائص الجسم الناعمة كالعلم ، لكن فيزيائيتها أكثر تعقيدًا. أولا ، لأن اللاعب سينتبه لها بالتأكيد. ثانيًا ، لأنه غالبًا ما يكون أكثر ديناميكية: يمارس اللاعب تأثيره الخاص عليه. مثال رائع هو عباءة باتمان في سلسلة Arkham.

لا يمكن للمصممين استخدام الرسوم المتحركة المتكررة على عباءة ، لأن حركتها تعتمد على تصرفات اللاعب. إذا قام اللاعب بتوجيه الشخصية إلى اليسار ، فيجب أن تتحول العباءة إلى اليمين من أجل عرض القصور الذاتي ومقاومة الهواء بشكل واقعي.

هذا هو المكان الذي تلعب فيه المحركات المادية. في باتمان: Arkham Knight ، استخدم Rocksteady APEX Cloth PhysX. تتيح لك هذه الأداة إنشاء قناع للجثث التي تعرض الملابس ، وضبط معلمات حركتها. اعتمادا على التكوين ، يمكن عرض كل شيء من الحرير إلى الخيش.

لتحسين الأداء ، يمكنك الحد من تأثيرات القوى الطبيعية على النسيج. على سبيل المثال ، يمكن ضبط طريقة الريح على دقيقة أو قديمة. يتجاهل العرض الجزئي التقلبات الصغيرة ، ويتم إجراء حسابات أقل.

لا يجب النظر في جميع النقاط على القماش - يمكن أن تعمل في مجموعات. هذا يقلل من عدد الذروات التي تحتاج إلى معالجة. ومع ذلك ، لا تتفاعل كل هذه المجموعات مع بعضها البعض كما في الجسم الناعم الحقيقي. إنها تؤثر بشكل أساسي على أقرب نقطة فقط ، لذلك يتم تقليل عدد الحسابات الرياضية إلى مستوى مقبول.

أنظمة جسيمات الجسم الناعمة

عرض الدخان أو السحب أكثر صعوبة. يمكن أن تتحرك نقاط هذه الأشياء بشكل غير خطي بالنسبة لبعضها البعض. يمكن أن تتجاوز بعض النقاط الحدود التصويرية للجسم وحتى تشكيل أجسام لينة أخرى.

لقد حسنت المحركات الفيزيائية بشكل كبير أنظمة الجسيمات في السنوات الأخيرة. انظر إلى شاشة الترحيب من Skyrim ومدى واقعية الدخان.

كل جسيم في نظام الجسم الناعم له عمر ثابت. هذه هي الفترة من لحظة حدوثها إلى لحظة اختفائها (بعد مرور بعض الوقت ، سينشئها مصدر الجسيمات مرة أخرى). خلال هذه الفترة ، تتحرك النقطة مع المعلمات المعطاة.

اعتبر الدخان من نار المخيم كمثال. يتحرك كل جسيم صاعدًا من المصدر: غير خطي ، يدور ويغير موقعه عشوائيًا في الفضاء. لذلك يرتفعون حتى ينتهي عمرهم ، ثم يتم إزالتهم.

يؤثر متوسط العمر المتوقع بشكل طبيعي على شكل نظام الجسيمات. مع مدة طويلة ، يمكنك إنشاء دخان واقعي تمامًا من حريق ، ولكن هذا سيحمّل المعالج بشكل كبير. قصير - يقلل من عدد الحسابات ، ولكن سيكون للجسيمات الوقت الكافي للارتفاع قليلاً قبل الاختفاء.

يبدو الدخان في شاشة توقف Skyrim باردًا ، ببساطة لأنه لا يحدث أي شيء آخر على الشاشة. يمكن توجيه الطاقة الكاملة للمعالج وبطاقة الفيديو لمحاكاة جزيئات الدخان بعمر طويل جدًا.

في اللعبة نفسها ، لا يبدو الدخان من النار واقعيًا بعد الآن. لا يزال الأمر مقنعًا للغاية ، ولكنه أبسط: قام المطورون بتقليل الوقت الذي يستغرقه عرض الجسيمات في المحاكاة. هناك حيل أخرى. على سبيل المثال ، تراكب عدة طبقات دخان ثابتة

تتم إضافة فيزياء الجسم الناعم بعناية فائقة إلى الألعاب. أولاً ، ليست هناك حاجة لمحاكاة كاملة لفيزياء الجسم الرخوة - كقاعدة عامة ، هناك حاجة فقط لعلم الجمال. ثانيًا ، يتطلب التكاثر الدقيق لنظام الجسم الناعم الكثير من الحسابات.

كي تختصر

تعد فيزياء ألعاب الفيديو مجالًا معقدًا يسعى فيه المطورون إلى تحقيق توازن بين الواقعية وحدود القدرة الحاسوبية. تسمح لك الحيل والتبسيط والمحركات المادية بسرعة إنشاء فيزياء واقعية إلى حد ما ، للتركيز على الجوانب الأكثر أهمية في اللعبة.

يجب أن تكون اللعبة مثيرة للاهتمام. الواقعية ليست مهمة جدًا مقارنة بلعبة الإدمان. لا تزال فيزياء اللعبة مهمة - فأنت تحتاج إلى قواعد بديهية. في الوقت نفسه ، يمكن تغييرها لإثراء طريقة اللعب (تذكر القفزة المزدوجة).

إذا كنت ترغب في فهم فيزياء ألعاب الفيديو بشكل أفضل ، فراجع الأقسام ذات الصلة في دليل الوحدة أو دليل Lumberyard .

محرك! أو ما هي فيزياء اللعبة