Construyendo motores de física realista: cómo simular el mundo real en entornos virtuales

La importancia de la física en mundos virtuales

No es un trabajo pequeño para crear experiencias digitales inmersivas. Una vez que los jugadores entran en el juego, exigen las interacciones que sienten que son reales. Cómo caen los objetos, chocan o reaccionan a las fuerzas es lo que hace que la experiencia. Ya sea que el mundo digital sea una aventura en el mundo abierto o una simulación de realidad virtual, un motor de física que es el más avanzado es el elemento clave para asegurarse de que el mundo digital sea lo más cerca posible de la realidad. El momento en que la física del juego sacudió el mundo con meras aproximaciones y animaciones con guiones, ya se han ido. Hoy, los motores en uso pueden hacer esto de una manera mucho más dinámica, y se centran mucho más en simular las leyes de la física. El desarrollo de juegos en Unity, por ejemplo, permite a los desarrolladores construir interacciones complejas basadas en la física con herramientas que simplifican el realismo sin sacrificar el rendimiento.

La base de la física realista

Una vez que se coloca la base de simular digitalmente la física del mundo real, se hace más fácil construir. Comienza con la aplicación de la mecánica newtoniana correctamente, como fuerzas, impulso, colisiones, etc. Cada movimiento en un juego está determinado por un conjunto de cálculos que dicen cómo los objetos interactúan entre sí. La durabilidad de un material solo se puede obtener mediante un conjunto serio de cálculos que garantizan que los objetos se comporten como los reales. Sin embargo, las entidades físicas que son realistas también deben considerar varios factores ambientales externos, como la resistencia al viento, los materiales de la superficie y la distribución de peso. Los motores de juego como Unity ofrecen la posibilidad de usar simulaciones de física incorporadas, pero hacer que se comporten como en el mundo real requiere una gran experiencia.

Detección y respuesta de colisión

Una de las cosas más difíciles en el proceso de simulación de física es tratar con colisiones. El sistema debe tener una forma muy precisa de saber cuándo dos objetos se tocan entre sí y cómo se mueven en respuesta. Existen varios tipos de detección de colisiones, como verificaciones de casillas delimitadoras, transmisión de rayos, etc., pero las pruebas de colisión basadas en malla son las formas más comunes. Para ser específico, se espera que el motor funcione bien que el cálculo puede ser una tarea menos debido a las detecciones de colisión bien organizadas. Además, las detecciones de colisión de alta precisión consumen menos energía de la CPU.

Por ejemplo, en la realidad virtual, donde la manipulación directa con objetos es común, la respuesta de colisión debe ser exacta para evitar que ocurran cualquier animación incómoda. Esta es la razón por la cual muchas de las empresas están buscando a los llamados maestros de realidad virtual, los que pueden calibrarlo a los detalles más pequeños. El éxito inexacto con problemas de combate mortal puede ser seguido por fallas repugnantes donde los objetos en lugar de la pared y los personajes flotan o aterrizan de manera poco ortodoxa.

Dinámica del cuerpo rígido y simulaciones de cuerpo suave

Las herramientas físicas normalmente están diseñadas para discutir varios tipos de objetos con el uso de simulaciones de cuerpo rígido (RBD) y del cuerpo suave. La dinámica rígida del cuerpo se centra en objetos que no pueden deformarse, como un automóvil, un arma o cualquier mueble. Por el contrario, las simulaciones de cuerpo blando, entre otras cosas, permiten a los practicantes tener objetos incluso en el nivel molecular -EG, tela, gelatina o goma reaccionan dinámicamente a cualquier fuerza y ​​deformación. La complicación se plantea cuando entran en contacto dentro del área compartida.

Visto desde este punto de vista de desarrollo, los desarrolladores de juegos en Unity Harness el uso de componentes de física, como Rigidbody, para decidir sobre el movimiento y el comportamiento de cada objeto. Las características del material como la masa, la resistencia y la velocidad angular afectan el comportamiento del objeto como lo harían en la realidad física. El uso de la simulación de cuerpo suave, por otro lado, a menudo implica que los desarrolladores deben estar equipados con herramientas físicas más avanzadas o utilizar complementos externos, ya que es un proceso computacional pesado. Hacerlo de la manera correcta, por otro lado, garantiza que tal entorno reaccione como en el mundo real, lo que permite a los jugadores sentir que están inmersos.

El papel de la IA en la simulación de física

La inteligencia artificial, con avances en el aprendizaje automático, está comenzando a ayudar en la interactividad de las simulaciones basadas en la física. Los motores de física impulsados ​​por la IA provocan AI para alterar dinámicamente las interacciones en función de la actividad del jugador. Por ejemplo, la IA ahora puede predecir y sin ninguna intervención humana, puede reajustar los resultados de las colisiones en tiempo real en lugar de las reacciones físicas preprogramadas. Este es un aspecto realmente interesante porque hace que la experiencia con aplicaciones basadas en VR sea más natural y más divertida.

Los desarrolladores de juegos de realidad virtual están comenzando a utilizar métodos basados ​​en AI en física para reducir la carga computacional y, al mismo tiempo, garantizar un escenario muy realista. A veces, uno optimizará las simulaciones de fluidos, otro momento será el caso cuando un usuario tenga que predecir las trayectorias de objetos, y luego, nuevamente, el resto de las mejoras de la física de Ragdoll en los movimientos de los personajes serán el "formato" en el que la IA asegura que los motores operen.

Física en la realidad virtual: Lograr la verdadera inmersión

La física es realmente importante en un videojuego regular, pero la realidad virtual sin ellos simplemente no tiene ningún sentido. En un juego regular, las inexactitudes pueden ocurrir y aún ser totalmente aceptables ya que estos juegos no requieren una inmersión profunda en las escenas del juego, pero las experiencias de realidad virtual son completamente lo contrario. La masa de un objeto debe presentarse naturalmente, la caída de los objetos también debe ser natural y, al responder al tacto, los objetos también deben ser como en la vida real. Es por eso que las compañías de desarrollo de juegos de realidad virtual están invirtiendo fuertemente en la simulación de una física precisa para dar a los usuarios la sensación de una interacción real.

El efecto completo de una respuesta háptica en VR debido a la física correcta se puede sentir aún más cuando se combina con un entorno virtual sin ninguna vista. La combinación de simulaciones físicas con retroalimentación táctil convierte la realidad virtual de una experiencia visual simple en un medio verdaderamente interactivo.

Desafíos en la construcción de un motor de física

El desarrollo realista del motor de física tiene que superar algunas dificultades. La optimización del rendimiento es una de las más significativas. Los cálculos físicos son muy exigentes desde un punto de vista computacional, y el uso de demasiados cálculos puede ralentizar las velocidades de cuadros, lo que resulta en retraso y tartamudeo, lo que también afectan la inmersión. Los desarrolladores de juegos están implementando trucos como la física de nivel de deceta. Los objetos que están más lejos son cálculos simplificados, mientras que los objetos cercanos mantienen una descripción detallada de su interacción.

El otro desafío es la red en los juegos multijugador. Cuando las simulaciones físicas se ejecutan localmente, el juego de cada jugador puede interpretar la física de manera diferente, lo que causa problemas de sincronización. Es por eso que muchas compañías de juegos de realidad virtual que se centran en el desarrollo multijugador usan motores de física deterministas que se aseguran de que todos los jugadores obtengan las mismas interacciones en tiempo real.

El futuro de la física en los juegos y la realidad virtual

El futuro de los motores de física parece más optimista que nunca. Gracias a la mejora del hardware, los desarrolladores han podido producir interacciones físicas complejas mientras mantienen un alto nivel de rendimiento. El proceso de desarrollo del juego permanece en una pendiente ascendente con Unity, ya que proporciona herramientas actualizadas para una implementación más fácil de la física realista. Las tecnologías como el trazado de rayos en tiempo real, el modelado de física con soporte de IA y el procesamiento basado en la nube son la frontera de los gráficos y el hardware de juegos.

Cuando las empresas están tratando de crear experiencias inmersivas y de alta calidad, la habilidad y la experiencia adecuadas se convierten en el factor crítico. Pregunta Los desarrolladores de realidad virtual tienden a hacer simulaciones de física, y a menudo es el caso que son los mejores en lo que hacen. Todos los juegos y aplicaciones desarrollados con ellos se destacan por su realismo. Independientemente de si el objetivo es el entretenimiento de datos, las simulaciones de capacitación o las aplicaciones industriales, la demanda de motores de física más avanzados está creciendo.

Conclusión

Para simular la física del mundo real en entornos virtuales, necesita conocer muy bien la mecánica teórica y práctica. Cada detalle de la detección de colisiones a optimizaciones impulsadas por la IA debe diseñarse con precisión con el propósito de crear interacciones suaves y creíbles. El desarrollo del juego en la Unidad es una tarea hercúlea que requiere obtener herramientas sólidas para tal cosa que nadie puede desarrollar en absoluto, debe avanzar tecnológicamente. Además, el límite de lo que se puede lograr en la física digital continuará siendo disputada por las compañías de desarrollo de juegos de realidad virtual y aquellos que buscan contratar desarrolladores de realidad virtual a medida que expanden sus capacidades tecnológicas. El efecto será más inmersivo, atractivo y realistas mundos virtuales de lo que hemos tenido el placer de experimentar hasta ahora.

Preguntas frecuentes sobre la construcción de motores de física realistas para juegos y realidad virtual

1. ¿Por qué es importante la física en el desarrollo de juegos?

La física es esencial en los juegos para crear interacciones realistas, movimientos y colisiones entre objetos. Mejora la inmersión al garantizar que las fuerzas como la gravedad, la fricción y el impulso se comporten como se esperaba, haciendo que el juego se sienta más natural y atractivo.

2. ¿Cómo manejan las simulaciones de física de la unidad en Unity?

Unity proporciona componentes de física incorporados como Rigidbody, Colliders y juntas para simular la física del mundo real. Los desarrolladores pueden ajustar la masa, la arrastre, la velocidad angular y la detección de colisiones para lograr un comportamiento realista de los objetos. Unity también admite motores de física externos para simulaciones avanzadas.

3. ¿Cuáles son los mayores desafíos para desarrollar un motor de física?

Los desafíos principales incluyen la optimización del rendimiento, los cálculos en tiempo real y la sincronización multijugador. Las simulaciones de física pueden ser computacionalmente costosas, causando caídas de velocidad de fotogramas y retraso si no se optimizan correctamente. Los desarrolladores usan trucos como la física de nivel de detección y los motores de física deterministas para un juego suave.

4. ¿Cómo garantizan las compañías de desarrollo de juegos de realidad virtual la física realista en la realidad virtual?

La realidad virtual requiere cálculos de física precisos porque cualquier inexactitud rompe la inmersión. Los desarrolladores de juegos de realidad virtual se centran en la retroalimentación háptica, la distribución precisa del peso e interacciones de objetos para hacer que los entornos virtuales se sientan lo más reales posible. Los motores de física basados ​​en IA también ayudan a optimizar el rendimiento de la realidad virtual.

5. ¿Cuál es el futuro de los motores de física en los juegos y la realidad virtual?

Con los avances en el trazado de rayos en tiempo real, el modelado de física impulsado por la IA y el procesamiento basado en la nube, el futuro de los motores de física parece prometedor. Las compañías de desarrollo de juegos de realidad virtual y los estudios que contratan desarrolladores de realidad virtual continuarán superando los límites del realismo, creando mundos digitales más interactivos e inmersivos.