بناء محركات فيزياء واقعية: كيفية محاكاة العالم الحقيقي في البيئات الافتراضية

أهمية الفيزياء في العوالم الافتراضية

ليس من عمل صغير لخلق تجارب رقمية غامرة. بمجرد دخول اللاعبين إلى اللعبة ، يطالبون بالتفاعلات التي تشعر بأنها حقيقية. كيف تسقط الكائنات أو تصطدم أو تتفاعل مع القوى هي ما يجعل التجربة. سواء كان العالم الرقمي مغامرة في العالم المفتوح أو محاكاة VR ، فإن محرك الفيزياء الذي يعد الأكثر تقدماً هو العنصر الرئيسي للتأكد من أن العالم الرقمي يقترب من الواقع. الوقت الذي هزت فيه فيزياء اللعبة العالم بمجرد التقريب والرسوم المتحركة المكتوبة قد ولت منذ فترة طويلة. اليوم ، يمكن للمحركات في الاستخدام القيام بذلك بطريقة أكثر ديناميكية ، وهي تركز أكثر على محاكاة قوانين الفيزياء. على سبيل المثال ، يتيح تطوير اللعبة في الوحدة للمطورين بناء تفاعلات معقدة قائمة على الفيزياء مع الأدوات التي تبسط الواقعية دون التضحية بالأداء.

أساس الفيزياء الواقعية

بمجرد وضع أساس محاكاة الفيزياء في العالم الحقيقي رقميًا ، يصبح من الأسهل البناء عليه. يبدأ بتطبيق ميكانيكا نيوتن بشكل صحيح ، مثل القوى والزخم والتصادمات ، وما إلى ذلك. لا يمكن اكتساب متانة المادة إلا من خلال مجموعة خطيرة من الحسابات التي تضمن أن الكائنات تتصرف مثل الكائنات الحقيقية. ومع ذلك ، يجب أن تنظر الكيانات الفيزيائية الواقعة أيضًا في العديد من العوامل البيئية الخارجية مثل مقاومة الرياح والمواد السطحية وتوزيع الوزن. توفر محركات الألعاب مثل Unity إمكانية استخدام عمليات المحاكاة فيزياء مدمجة ، ولكن لجعلها تتصرف كما في العالم الحقيقي ، يتطلب الكثير من الخبرة.

اكتشاف التصادم والاستجابة

واحدة من أصعب الأشياء في عملية محاكاة الفيزياء هي التعامل مع التصادم. يجب أن يكون للنظام طريقة دقيقة للغاية لمعرفة متى يلمس كائنا بعضهما البعض وكيفية تحركهما استجابةً. توجد عدة أنواع من الكشف عن التصادم مثل عمليات فحص الصندوق المحيطة ، Raycasting ، وما إلى ذلك ، ولكن اختبارات التصادم القائمة على الشبكة هي الطرق الأكثر شيوعًا. لكي نكون محددين ، من المتوقع أن يعمل المحرك بشكل جيد أن الحساب يمكن أن يكون أقل من مهمة بسبب اكتشافات التصادم المنظمة جيدًا. علاوة على ذلك ، تستهلك اكتشافات تصادم عالية الدقة أقل من قوة وحدة المعالجة المركزية.

على سبيل المثال ، في الواقع الافتراضي ، حيث يكون التلاعب المباشر مع الكائنات شائعًا ، يجب أن تكون استجابة التصادم دقيقة من أجل منع حدوث أي رسوم متحركة محرجة. هذا هو السبب في أن الكثير من الشركات تبحث عن ما يسمى أسياد VR-الذين يمكنهم معايرة ذلك إلى أصغر التفاصيل. يمكن أن يتبع النجاح غير الدقيق مع مشكلات القتلى البشري إخفاقات بغيضة حيث تطفو الكائنات بدلاً من الجدار والأحرف أو الأرض بطريقة غير تقليدية.

ديناميات الجسم الصلبة ومحاكاة الجسم الناعمة

عادةً ما يتم تصميم أدوات الفيزياء لتخليص أنواع مختلفة من الكائنات باستخدام الجسم الصلب (RBD) ومحاكاة الجسم الناعمة. تركز ديناميات الجسم الصلبة على الأشياء التي لا يمكن أن تشوه ، مثل السيارة أو السلاح أو أي قطعة من الأثاث. على النقيض من ذلك ، فإن محاكاة الجسم الناعمة من بين أشياء أخرى تسمح للممارسين أن يكون لديهم أشياء حتى على المستوى الجزيئي -G أو القماش أو الهلام أو المطاط - يتفاعل ديناميكيًا مع أي قوة وتشوه. تثير المضاعفات عندما تتلامس مع المنطقة المشتركة.

تم النظر إلى هذا الناحية التطويرية ، حيث يستادون استخدام مكونات الفيزياء مثل RigidBody لاتخاذ قرار بشأن حركة كل كائن وسلوكه. تؤثر الخصائص المادية مثل الكتلة والسحب والسرعة الزاوية على سلوك الكائن كما تفعل في الواقع البدني. باستخدام محاكاة الجسم الناعمة ، من ناحية أخرى ، يشير غالبًا إلى أن المطورين يجب أن يكونوا مجهزة بأدوات فيزياء أكثر تقدماً أو استخدام المكونات الإضافية الخارجية لأنها عملية حسابي ثقيلة. إن القيام بذلك بالطريقة الصحيحة ، من ناحية أخرى ، يضمن تفاعل مثل هذه البيئة كما هو الحال في العالم الحقيقي ، مما يتيح للاعبين أن يشعروا بأنهم منغمسون.

دور الذكاء الاصطناعي في محاكاة الفيزياء

بدأت الذكاء الاصطناعي ، مع التقدم في التعلم الآلي ، في المساعدة في التفاعل القائم على الفيزياء للمحاكاة. تثير محركات الفيزياء التي تحركها الذكاء الاصطناعى الذكاء الاصطناعي لتغيير التفاعلات ديناميكيًا بناءً على نشاط اللاعب. على سبيل المثال ، يمكن لـ AI الآن التنبؤ وبدون أي تدخل بشري ، يمكنه إعادة ضبط نتائج التصادم في الوقت الفعلي بدلاً من تفاعلات الفيزياء المبرمجة مسبقًا. هذا جانب مثير للاهتمام حقًا لأنه يجعل التجربة مع التطبيقات المستندة إلى VR أكثر طبيعية وأكثر متعة.

بدأ مطورو لعبة VR حاليًا في استخدام الأساليب القائمة على الذكاء الاصطناعي في الفيزياء لتقليل الحمل الحسابي وفي الوقت نفسه ، ضمان سيناريو واقعي للغاية. في بعض الأحيان ، سيقوم المرء بتحسين عمليات محاكاة السوائل ، وسيكون هناك وقت آخر عندما يتعين على المستخدم التنبؤ مسارات الكائنات ، ثم مرة أخرى بقية تحسينات فيزياء Ragdoll في حركات الأحرف ستكون "التنسيق" الذي تؤكد فيه الذكاء الاصطناعي أن تعمل المحركات.

الفيزياء في الواقع الافتراضي: تحقيق الانغماس الحقيقي

الفيزياء مهمة بالفعل في لعبة فيديو منتظمة ولكن VR بدونها فقط لا معنى لها. في لعبة منتظمة ، يمكن أن تحدث عدم الدقة ولا تزال مقبولة تمامًا لأن هذه الألعاب لا تتطلب غمرًا عميقًا في مشاهد اللعبة ، ولكن تجارب الواقع الافتراضي هي عكس ذلك تمامًا. يجب تقديم كتلة الكائن بشكل طبيعي ، وينبغي أن يكون سقوط الأشياء طبيعيًا أيضًا ، وفي الاستجابة لللمس ، يجب أن تكون الكائنات أيضًا في الحياة الحقيقية. لهذا السبب تستثمر شركات تطوير ألعاب VR بكثافة في محاكاة الفيزياء الدقيقة لمنح المستخدمين الشعور بالتفاعل الحقيقي.

يمكن أن يكون التأثير الكامل لاستجابة haptic في الواقع الافتراضي بسبب الفيزياء الصحيحة أكثر عندما يقترن ببيئة افتراضية دون أي مشهد. إن مزيج المحاكاة المادية مع التغذية المرتدة اللمسية يحول VR من تجربة بصرية بسيطة إلى وسيط تفاعلي حقًا.

التحديات في بناء محرك الفيزياء

يجب أن يتغلب تطوير محرك الفيزياء الواقعية على بعض الصعوبات. تحسين الأداء هو واحد من أهم منها. الحسابات الفيزيائية متطلبة للغاية من وجهة نظر حسابية ، ويمكن أن يؤدي استخدام الكثير من الحسابات إلى إبطاء معدلات الإطارات ، مما يؤدي إلى التأخير والتلعثم ، مما يؤثر أيضًا على الانغماس. يقوم مطورو الألعاب بتنفيذ الغش مثل الفيزياء على مستوى الفرق. الكائنات التي هي بعيدة عن الحسابات المبسطة بينما تحتفظ الكائنات القريبة بوصفًا مفصلاً لتفاعلها.

التحدي الآخر هو الشبكة في الألعاب متعددة اللاعبين. عند تشغيل محاكاة الفيزياء محليًا ، قد تفسر لعبة كل لاعب الفيزياء بشكل مختلف مما يسبب مشاكل التزامن. هذا هو السبب في أن العديد من شركات ألعاب VR التي تركز على تطوير متعددة اللاعبين تستخدم محركات الفيزياء الحتمية التي تتأكد من أن جميع اللاعبين يحصلون على نفس التفاعلات في الوقت الفعلي.

مستقبل الفيزياء في الألعاب و VR

يبدو مستقبل محركات الفيزياء أكثر تفاؤلاً من أي وقت مضى. بفضل تحسين الأجهزة ، تمكن المطورون من إنتاج تفاعلات مادية معقدة مع الحفاظ على مستوى عالية الأداء. تبقى عملية تطوير اللعبة على منحدر تصاعدي مع الوحدة لأنها توفر أدوات محدثة لتنفيذ فيزياء واقعية أسهل. تقنيات مثل تتبع الشعاع في الوقت الفعلي ، ونمذجة الفيزياء المدعومة من الذكاء الاصطناعي ، والمعالجة المستندة إلى السحابة هي حدود رسومات اللعبة والأجهزة.

عندما تحاول الشركات خلق تجارب غامرة وعالية الجودة ، تصبح المهارة والخبرة المناسبة العامل الحاسم. يميل مطورو VR إلى إجراء عمليات محاكاة للفيزياء ، وغالبًا ما يكونون أفضل ما يفعلونه. جميع الألعاب والتطبيقات التي تم تطويرها معهم تتم الإشارة إلى الواقعية. بغض النظر عما إذا كان الهدف هو الترفيه عن البيانات أو محاكاة التدريب أو التطبيقات الصناعية ، فإن الطلب على محركات الفيزياء الأكثر تقدماً ينمو.

خاتمة

لمحاكاة الفيزياء في العالم الحقيقي في بيئات افتراضية ، تحتاج إلى معرفة الميكانيكا النظرية والعملية بشكل جيد للغاية. يجب أن تكون كل تفاصيل عن اكتشاف التصادم إلى التحسينات التي تحركها الذكاء الاصطناعي مصممة بدقة مع الغرض من خلق تفاعلات سلسة ويمكن تصديقها. تطوير اللعبة في الوحدة هي مهمة شاقة تتطلب الحصول على أدوات قوية لشيء لا يمكن لأي شخص تطويره على الإطلاق ، يجب أن يكون متقدمًا تقنيًا. علاوة على ذلك ، فإن حدود ما يمكن تحقيقه في الفيزياء الرقمية ستستمر في التنافس من قبل شركات تطوير ألعاب VR وأولئك الذين يتطلعون إلى توظيف مطوري VR أثناء توسيعهم قدراتهم التكنولوجية. سيكون التأثير أكثر غامرة وجذابة واقعية واقعية مما كان يسعدنا أن نواجهه حتى الآن.

الأسئلة الشائعة حول بناء محركات فيزياء واقعية للألعاب و VR

1. لماذا الفيزياء مهمة في تطوير اللعبة؟

تعتبر الفيزياء ضرورية في الألعاب لإنشاء تفاعلات واقعية وحركات وتصادمات بين الأشياء. إنه يعزز الانغماس من خلال ضمان أن قوى مثل الجاذبية والاحتكاك والزخم تتصرف كما هو متوقع ، مما يجعل اللعب أكثر طبيعية وجذابة.

2. كيف يتعامل تطوير اللعبة في مواجهة المحاكاة الفيزيائية؟

توفر الوحدة مكونات فيزياء مدمجة مثل Rigidbody و Colliders والمفاصل لمحاكاة الفيزياء في العالم الحقيقي. يمكن للمطورين ضبط الكتلة الدقيقة ، السحب ، السرعة الزاوية ، واكتشاف التصادم لتحقيق سلوك كائن واقعي. تدعم الوحدة أيضًا محركات الفيزياء الخارجية للمحاكاة المتقدمة.

3. ما هي أكبر التحديات في تطوير محرك الفيزياء؟

تشمل التحديات الأساسية تحسين الأداء ، والحسابات في الوقت الفعلي ، ومزامنة متعددة اللاعبين. يمكن أن تكون عمليات محاكاة الفيزياء باهظة الثمن من الناحية الحسابية ، مما يسبب انخفاض معدل الإطارات وتأخر إذا لم يتم تحسينه بشكل صحيح. يستخدم المطورون حيلًا مثل الفيزياء على مستوى الفرق ومحركات الفيزياء الحتمية للعب السلس.

4. كيف تضمن شركات تطوير ألعاب VR فيزياء واقعية في الواقع الافتراضي؟

يتطلب VR حسابات فيزياء دقيقة لأن أي عدم دقة يكسر الانغماس. يركز مطورو لعبة VR على التغذية المرتدة ، وتوزيع الوزن الدقيق ، وتفاعلات الكائنات لجعل البيئات الافتراضية تبدو حقيقية قدر الإمكان. تساعد محركات الفيزياء المستندة إلى الذكاء الاصطناعي أيضًا في تحسين أداء VR.

5. ما هو مستقبل محركات الفيزياء في الألعاب و VR؟

مع التقدم في تتبع شعاع في الوقت الفعلي ، ونمذجة الفيزياء التي تحركها الذكاء الاصطناعى ، والمعالجة المستندة إلى السحابة ، يبدو مستقبل محركات الفيزياء واعدة. ستواصل شركات تطوير ألعاب VR واستوديوهات توظيف مطوري VR دفع حدود الواقعية ، مما يخلق عوالم رقمية أكثر تفاعلية وغامرة.