Budowanie realistycznych silników fizyki: jak symulować świat w środowiskach wirtualnych

Znaczenie fizyki w wirtualnych światach

Nie jest to niewielka praca, aby tworzyć wciągające doświadczenia cyfrowe. Gdy gracze wejdą do gry, wymagają interakcji, które czują, że są prawdziwe. To, w jaki sposób obiekty upadają, zderzają się lub reagują na siły, jest tym, co sprawia, że ​​doświadczenie to. Niezależnie od tego, czy świat cyfrowy jest przygodą na otwartym świecie, czy symulacją VR, silnik fizyki, który jest najbardziej zaawansowanym, jest kluczowym elementem, aby upewnić się, że świat cyfrowy zbliża się do rzeczywistości. Czas, w którym fizyka gry wstrząsnęła światem zwykłymi przybliżeniami i scenariuszami animacji, już dawno minęły. Dzisiaj używane silniki mogą to zrobić w znacznie bardziej dynamiczny sposób i bardziej koncentrują się na symulacji praw fizyki. Na przykład rozwój gry w Unity pozwala programistom budować złożone interakcje oparte na fizyce z narzędziami, które upraszczają realizm bez poświęcania wydajności.

Podstawa realistycznej fizyki

Po cyfrowym fundamencie symulacji fizyki rzeczywistych, łatwiej jest budować. Zaczyna się od prawidłowego zastosowania mechaniki newtonowskiej, takich jak siły, pęd, zderzenia itp. Każdy ruch w grze jest określony przez zestaw obliczeń, które informują o tym, jak obiekty oddziałują ze sobą. Trwałość materiału można uzyskać jedynie przez poważny zestaw obliczeń, które zapewniają zachowanie obiektów jak prawdziwe. Fizyczne jednostki, które są realistyczne, muszą również wziąć pod uwagę kilka zewnętrznych czynników środowiskowych, takich jak odporność na wiatr, materiały powierzchniowe i rozkład masy. Silniki, takie jak Unity, oferują możliwość korzystania z wbudowanych symulacji fizyki, ale zachowanie się tak, jak w prawdziwym świecie wymaga dużej wiedzy specjalistycznej.

Wykrywanie kolizji i reakcja

Jedną z najtrudniejszych rzeczy w procesie symulacji fizyki jest radzenie sobie z kolizjami. System musi mieć bardzo dokładny sposób, aby dowiedzieć się, kiedy dwa obiekty dotykają się nawzajem i jak poruszają się w odpowiedzi. Istnieje kilka rodzajów wykrywania kolizji, takich jak odprawy do ograniczania, raycasting itp., Ale najczęstsze testy zderzenia oparte na siatce są najczęstszymi sposobami. Aby być konkretnym, oczekuje się, że silnik będzie działał dobrze, że obliczenia może być mniejszym zadaniem ze względu na dobrze zorganizowane wykrywanie kolizji. Poza tym wykrywania kolizji o wysokiej dokładności zużywają mniej mocy procesora.

Na przykład w rzeczywistości wirtualnej, w której bezpośrednia manipulacja z obiektami jest powszechna, reakcja zderzenia musi być dokładna, aby powstrzymać niezręczne animacje. Właśnie dlatego wiele firm szuka tak zwanych mistrzów VR-tych, którzy mogą go kalibrować do najmniejszych szczegółów. Po niedokładnym sukcesie z problemami z chorobą śmiertelnymi można odejść od rozprzestrzeniania się, w których obiekty zamiast ściany i postacie unoszą się w niekonwencjonalnym sposób.

Sztywna dynamika ciała i symulacje miękkich ciała

Narzędzia fizyki są zwykle zaprojektowane do wykluczenia różnych rodzajów obiektów przy użyciu sztywnego korpusu (RBD) i symulacji miękkich ciała. Sztywna dynamika ciała koncentruje się na obiektach, które nie mogą odkształcić, takich jak samochód, broń lub dowolny mebel. Natomiast symulacje miękkiego ciała między innymi pozwalają praktykom mieć obiekty nawet na poziomie molekularnym -EG, tkaniny, galaretki lub gumy - reagują dynamicznie na dowolną siłę i deformację. Komplikacja jest podniesiona, gdy wchodzą w kontakt w wspólnym obszarze.

Patrząc z tego punktu widzenia rozwoju, twórcy gier w jedności wykorzystują stosowanie komponentów fizyki, takich jak sztywność, aby zdecydować o ruchu i zachowaniu każdego obiektu. Charakterystyka materialna, taka jak prędkość masy, oporu i kątowa, wpływają na zachowanie obiektu, tak jak w rzeczywistości fizycznej. Z drugiej strony, stosując symulację miękkiego ciała, często sugeruje, że programiści powinni być wyposażone w bardziej zaawansowane narzędzia fizyki lub korzystać z zewnętrznych wtyczek, ponieważ jest to ciężki proces obliczeniowy. Z drugiej strony, robiąc to we właściwy sposób, zapewnia, że ​​takie środowisko reaguje tak, jak w prawdziwym świecie, co pozwala graczom poczuć, że są zanurzeni.

Rola AI w symulacji fizyki

Sztuczna inteligencja, z postępem w uczeniu maszynowym, zaczyna pomagać w interaktywności symulacji opartej na fizyce. Silniki fizyki napędzane przez AI prowokują sztuczną inteligencję, aby dynamicznie zmieniać interakcje w oparciu o aktywność gracza. Na przykład AI może teraz przewidzieć i bez interwencji człowieka, może on ponownie skoncentrować wyniki zderzeń w czasie rzeczywistym, a nie wstępnie zaprogramowane reakcje fizyki. Jest to naprawdę interesujący aspekt, ponieważ sprawia, że ​​doświadczenie z aplikacjami opartymi na VR jest bardziej naturalne i zabawniejsze.

Deweloperzy gier VR zaczynają obecnie wykorzystywać metody oparte na AI w fizyce w celu zmniejszenia obciążenia obliczeniowego, a jednocześnie gwarantują bardzo realistyczny scenariusz. Czasami zoptymalizujesz symulacje płynów, inaczej będzie w przypadku, gdy użytkownik musi przewidzieć trajektorie obiektowe, a następnie reszta ulepszeń fizyki ragdoll w ruchach znaków będzie „formatem”, w którym AI zapewnia działanie silników.

Fizyka w VR: Osiągnięcie prawdziwego zanurzenia

Fizyka jest rzeczywiście ważna w zwykłej grze wideo, ale VR bez nich po prostu nie ma sensu. W regularnej grze mogą wystąpić niedokładności i nadal być całkowicie akceptowalne, ponieważ gry te nie wymagają głębokiego zanurzenia w scenach gry, ale doświadczenia wirtualnej rzeczywistości są zupełnie odwrotne. Masa obiektu powinna być prezentowana naturalnie, spadające obiekty powinny być również naturalne, a reagując na dotyk, obiekty powinny być również jak w prawdziwym życiu. Właśnie dlatego firmy zajmujące się tworzeniem gier VR intensywnie inwestują w symulację dokładnej fizyki, aby zapewnić użytkownikom poczucie prawdziwej interakcji.

Pełny efekt reakcji haptycznej w VR ze względu na prawidłową fizykę można dalej odczuwać w połączeniu z wirtualnym środowiskiem bez żadnego widoku. Połączenie fizycznych symulacji z dotykowym sprzężeniem zwrotnym zmienia VR z prostego doświadczenia wizualnego w naprawdę interaktywne medium.

Wyzwania związane z budowaniem silnika fizyki

Realistyczny rozwój silnika fizyki musi pokonać pewne trudności. Optymalizacja wydajności jest jedną z najważniejszych. Obliczenia fizyki są bardzo wymagające z obliczeniowego punktu widzenia, a zastosowanie zbyt wielu obliczeń może spowolnić liczbę klatek na sekundę, co powoduje opóźnienie i jąkanie, które również wpływają na zanurzenie. Deweloperzy gier wdrażają kody, takie jak fizyka poziomu detalu. Obiekty, które są dalej, są uproszczonymi obliczeniami, podczas gdy obiekty w pobliżu przechowują szczegółowy opis ich interakcji.

Drugim wyzwaniem jest sieć w grach wieloosobowych. Gdy symulacje fizyki są uruchamiane lokalnie, gra każdego gracza może inaczej interpretować fizykę, co powoduje problemy z synchronizacją. Właśnie dlatego wiele firm VR, które koncentrują się na rozwoju wieloosobowych, używa deterministycznych silników fizyki, które upewniają się, że wszyscy gracze otrzymają te same interakcje w czasie rzeczywistym.

Przyszłość fizyki w grach i VR

Przyszłość silników fizycznych wygląda bardziej optymistycznie niż kiedykolwiek. Dzięki poprawie sprzętu programiści byli w stanie tworzyć złożone fizyczne interakcje przy jednoczesnym zachowaniu wysokiego poziomu wydajności. Proces rozwoju gry pozostaje na zboczu w górę z jednością, ponieważ zapewnia zaktualizowane narzędzia do łatwiejszego wdrażania realistycznej fizyki. Technologie takie jak śledzenie promieni w czasie rzeczywistym, modelowanie fizyki wspierane przez AI i przetwarzanie w chmurze są granicą grafiki i sprzętu.

Kiedy firmy starają się stworzyć wciągające i wysokiej jakości doświadczenia, właściwe umiejętności i wiedza specjalistyczna stają się kluczowym czynnikiem. Pytanie programiści VR mają tendencję do symulacji fizyki i często zdarza się, że są najlepsi w tym, co robią. Wszystkie opracowane z nimi gry i aplikacje są znane z ich realizmu. Niezależnie od tego, czy celem jest rozrywka danych, symulacje szkoleniowe lub zastosowania przemysłowe, rośnie zapotrzebowanie na bardziej zaawansowane silniki fizyki.

Wniosek

Aby symulować rzeczywistą fizykę w wirtualnych środowiskach, musisz bardzo dobrze znać mechanikę teoretyczną i praktyczną. Każdy szczegół wykrywania kolizji z optymalizacjami opartymi na AI powinien być precyzyjnie zaprojektowany w celu stworzenia płynnych i wiarygodnych interakcji. Rozwój gier w Unity to herkulesowe zadanie, które wymaga uzyskania solidnych narzędzi do czegoś takiego, którego nikt nie może rozwinąć, powinno być zaawansowane technologicznie. Ponadto granica osiągnięcia w fizyce cyfrowej będzie nadal kwestionowana przez firmy zajmujące się gier VR i osoby, które chcą zatrudnić programistów VR, gdy rozszerzają swoje zdolności technologiczne. Efekt będzie bardziej wciągający, angażujący i realistyczne wirtualne światy, niż mieliśmy przyjemność doświadczyć do tej pory.

FAQ na temat budowania realistycznych silników fizycznych do gier i VR

1. Dlaczego fizyka jest ważna w rozwoju gier?

Fizyka jest niezbędna w grach w celu tworzenia realistycznych interakcji, ruchów i zderzeń między obiektami. Zwiększa zanurzenie, zapewniając, że siły takie jak grawitacja, tarcia i pęd zachowują się zgodnie z oczekiwaniami, dzięki czemu rozgrywka jest bardziej naturalna i wciągająca.

2. W jaki sposób rozwój gry w Unity obsługuje symulacje fizyki?

Jedność zapewnia wbudowane komponenty fizyki, takie jak sztywne, korektory i stawy do symulacji fizyki w świecie rzeczywistym. Deweloperzy mogą dostroić masę, opór, prędkość kątową i wykrywanie kolizji, aby osiągnąć realistyczne zachowanie obiektów. Jedność obsługuje również zewnętrzne silniki fizyki dla zaawansowanych symulacji.

3. Jakie są największe wyzwania w opracowywaniu silnika fizyki?

Podstawowe wyzwania obejmują optymalizację wydajności, obliczenia w czasie rzeczywistym i synchronizację wieloosobową. Symulacje fizyki mogą być kosztowne obliczeniowo, powodując spadki szybkości klatek i opóźnienie, jeśli nie są prawidłowo zoptymalizowane. Deweloperzy używają sztuczek, takich jak fizyka poziomu detalu i deterministyczne silniki fizyki do płynnej rozgrywki.

4. W jaki sposób firmy zajmujące się tworzeniem gier VR zapewniają realistyczną fizykę w wirtualnej rzeczywistości?

VR wymaga precyzyjnych obliczeń fizyki, ponieważ wszelkie niedokładności łamie zanurzenie. Deweloperzy gier VR koncentrują się na dotyku, dokładnym rozmieszczeniu masy i interakcjach obiektów, aby wirtualne środowiska wydawały się jak najbardziej realne. Silniki fizyki oparte na AI pomagają również zoptymalizować wydajność VR.

5. Jaka jest przyszłość silników fizyki w grach i VR?

Dzięki postępom w śledzeniu promieni w czasie rzeczywistym, modelowaniu fizyki opartym na AI i przetwarzaniu w chmurze, przyszłość silników fizyki wygląda obiecująco. Firmy rozwoju gier VR i studia zatrudniające programistów VR będą nadal przekraczać granice realizmu, tworząc bardziej interaktywne i wciągające cyfrowe światy.