Construindo motores de física realistas: como simular o mundo real em ambientes virtuais

A importância da física em mundos virtuais

Não é um trabalho pequeno criar experiências digitais imersivas. Quando os jogadores entram no jogo, eles exigem as interações que parecem reais. Como os objetos caem, colidem ou reagem às forças é o que torna a experiência. Se o mundo digital é uma aventura em mundo aberto ou uma simulação de VR, um mecanismo de física que é o mais avançado é o elemento-chave para garantir que o mundo digital chegue o mais próximo possível da realidade. A época em que a física do jogo abalou o mundo com meras aproximações e animações roteirizadas já se foram há muito tempo. Hoje, os motores em uso podem fazer isso de uma maneira muito mais dinâmica e se concentram muito mais em simular as leis da física. O desenvolvimento de jogos na unidade, por exemplo, permite que os desenvolvedores criem interações complexas baseadas em física com ferramentas que simplificam o realismo sem sacrificar o desempenho.

A base da física realista

Uma vez que a base de simular a física do mundo real é colocada digitalmente, fica mais fácil de construir. Começa com a aplicação da mecânica newtoniana corretamente, como forças, momento, colisões etc. Todo movimento em um jogo é determinado por um conjunto de cálculos que dizem como os objetos interagem entre si. A durabilidade de um material só pode ser obtida por um conjunto sério de cálculos que garantem que os objetos se comportem como os reais. As entidades físicas que são realistas, no entanto, também devem considerar vários fatores ambientais externos, como resistência ao vento, materiais de superfície e distribuição de peso. Motores de jogo como a Unity oferecem a possibilidade de usar simulações de física embutidas, mas fazê-las se comportar como no mundo real, exige muita experiência.

Detecção e resposta de colisão

Uma das coisas mais difíceis do processo de simulação de física é lidar com colisões. O sistema deve ter uma maneira muito precisa de saber quando dois objetos se tocam e como eles se movem em resposta. Existem vários tipos de detecção de colisão, como verificações de caixas delimitadoras, cascões de raio, etc., mas os testes de colisão baseados em malha são as maneiras mais comuns. Para ser específico, espera-se que o motor funcione bem que o cálculo pode ser menos uma tarefa devido às detecções de colisão bem organizadas. Além disso, as detecções de colisão de alta precisão consomem menos da potência da CPU.

Por exemplo, na realidade virtual, onde a manipulação direta com objetos é comum, a resposta de colisão deve ser exata para impedir que qualquer animações desajeitadas aconteçam. É por isso que muitas empresas estão procurando os chamados mestres de RV-aqueles que podem calibrá-lo com os menores detalhes. O sucesso impreciso dos problemas de combate mortal pode ser seguido por falhas repugnantes onde objetos em vez da parede e os personagens flutuam ou aterram de maneira não ortodoxa.

Dinâmica corporal rígida e simulações de corpo macio

As ferramentas de física são normalmente projetadas para travar vários tipos de objetos com o uso de simulações de corpo rígido (RBD) e corpo macio. A dinâmica do corpo rígida está focada em objetos que não podem se deformar, como um carro, uma arma ou qualquer mobília. Por outro lado, as simulações do corpo macio, entre outras coisas, permitem que os profissionais tenham objetos mesmo no nível molecular -EG, pano, geléia ou reagem de borracha dinamicamente a qualquer força e deformação. A complicação é levantada quando entra em contato dentro da área compartilhada.

Visto desse ponto de vista do desenvolvimento, os desenvolvedores de jogos em unidade aproveitam o uso de componentes de física, como o Rigidbody, para decidir sobre o movimento e o comportamento de cada objeto. As características materiais como massa, arrasto e velocidade angular afetam o comportamento do objeto como na realidade física. O uso da simulação de corpo suave, por outro lado, geralmente implica que os desenvolvedores devem estar equipados com ferramentas de física mais avançadas ou utilizar plugins externos, pois é um processo computacional pesado. Fazer da maneira certa, por outro lado, garante que esse ambiente reaja como no mundo real, o que permite que os jogadores sintam que estão imersos.

O papel da IA ​​na simulação de física

A inteligência artificial, com avanços no aprendizado de máquina, está começando a ajudar na interatividade baseada em física das simulações. Os mecanismos de física orientados pela IA provocam IA para alterar dinamicamente as interações com base na atividade do jogador. Por exemplo, a IA agora pode prever e, sem nenhuma intervenção humana, pode reajustar os resultados das colisões em tempo real, em vez das reações físicas pré-programadas. Este é um aspecto realmente interessante, porque torna a experiência com aplicativos baseados em VR mais naturais e divertidos.

Atualmente, os desenvolvedores de jogos de RV estão começando a utilizar métodos baseados em IA em física para reduzir a carga computacional e, ao mesmo tempo, garantem um cenário muito realista. Às vezes, o otimiza simulações de fluidos, outra vez será o caso em que um usuário precisar prever trajetórias de objetos e, novamente, o restante das melhorias da física do ragdoll nos movimentos dos caracteres será o "formato" em que a IA garante que os motores operem.

Física em VR: alcançar a verdadeira imersão

A física é realmente importante em um videogame regular, mas a VR sem eles simplesmente não faz sentido. Em um jogo regular, as imprecisões podem ocorrer e ainda são totalmente aceitáveis, pois esses jogos não exigem imersão profunda nas cenas do jogo, mas as experiências de realidade virtual são completamente o oposto. A massa de um objeto deve ser apresentada naturalmente, a queda de objetos também deve ser natural e, ao responder ao toque, os objetos também devem ser como na vida real. É por isso que as empresas de desenvolvimento de jogos VR estão investindo fortemente na simulação da física precisa para dar aos usuários a sensação de uma interação real.

O efeito total de uma resposta háptica em VR devido à física correta pode ser ainda mais sentida quando combinada com um ambiente virtual sem nenhuma visão. A combinação de simulações físicas com feedback tátil transforma VR de uma experiência visual simples em um meio verdadeiramente interativo.

Desafios na construção de um motor de física

O desenvolvimento realista de motores da física precisa superar algumas dificuldades. A otimização de desempenho é uma das mais significativas. Os cálculos físicos são muito exigentes do ponto de vista computacional, e o uso de muitos cálculos pode diminuir as taxas de quadros, resultando em atraso e gagueira, o que também afeta a imersão. Os desenvolvedores de jogos estão implementando truques, como a física de nível de detalhamento. Objetos que estão mais longe são cálculos simplificados, enquanto os objetos próximos mantêm uma descrição detalhada de sua interação.

O outro desafio é a rede em jogos multiplayer. Quando as simulações de física são executadas localmente, o jogo de cada jogador pode interpretar a física de maneira diferente, o que causa problemas de sincronização. É por isso que muitas empresas de jogos de RV que se concentram no desenvolvimento multiplayer usam mecanismos de física determinística que garantem que todos os jogadores obtenham as mesmas interações em tempo real.

O futuro da física em jogos e VR

O futuro dos mecanismos de física parece mais otimista do que nunca. Graças à melhoria do hardware, os desenvolvedores conseguiram produzir interações físicas complexas, mantendo um nível de alto desempenho. O processo de desenvolvimento de jogos permanece em uma inclinação ascendente com a unidade, pois fornece ferramentas atualizadas para facilitar a implementação da física realista. Tecnologias como rastreamento de raios em tempo real, modelagem de física apoiada pela IA e processamento baseado em nuvem são a fronteira dos gráficos e hardware do jogo.

Quando as empresas estão tentando criar experiências imersivas e de alta qualidade, a habilidade e a experiência certos se tornam o fator crítico. A pergunta dos desenvolvedores de RV tendem a fazer simulações de física, e geralmente é o caso de que são os melhores no que fazem. Todos os jogos e aplicativos desenvolvidos com eles são conhecidos por seu realismo. Independentemente de o objetivo ser entretenimento de dados, simulações de treinamento ou aplicações industriais, está crescendo a demanda por mecanismos de física mais avançados.

Conclusão

Para simular a física do mundo real em ambientes virtuais, você precisa conhecer muito bem a mecânica teórica e prática. Todos os detalhes da detecção de colisão para otimizações orientados pela IA devem ser projetados com precisão com o objetivo de criar interações suaves e críveis. O desenvolvimento de jogos em unidade é uma tarefa hercúlea que exige obter ferramentas sólidas para algo que ninguém pode desenvolver, deve ser tecnologicamente avançado. Além disso, a fronteira do que é alcançável na física digital continuará sendo contestada pelas empresas de desenvolvimento de jogos de RV e pelaqueles que procuram contratar desenvolvedores de RV enquanto expandem suas capacidades tecnológicas. O efeito será mundos virtuais mais imersivos, envolventes e realistas do que tivemos o prazer de experimentar até agora.

Perguntas frequentes na construção de mecanismos de física realistas para jogos e VR

1. Por que a física é importante no desenvolvimento de jogos?

A física é essencial em jogos para criar interações, movimentos e colisões realistas entre objetos. Isso aumenta a imersão, garantindo que forças como gravidade, atrito e momento se comportem como o esperado, fazendo com que a jogabilidade pareça mais natural e envolvente.

2. Como o desenvolvimento de jogos em unidade lida com simulações de física?

A Unity fornece componentes de física embutidos como Rigidbody, Colliders e articulações para simular a física do mundo real. Os desenvolvedores podem ajustar massa, arrasto, velocidade angular e detecção de colisão para obter comportamento realista do objeto. A unidade também suporta mecanismos de física externa para simulações avançadas.

3. Quais são os maiores desafios no desenvolvimento de um mecanismo de física?

Os principais desafios incluem otimização de desempenho, cálculos em tempo real e sincronização multiplayer. As simulações de física podem ser computacionalmente caras, causando gotas de taxa de quadros e atraso se não for otimizado adequadamente. Os desenvolvedores usam truques, como física de nível de detalhamento e mecanismos de física determinística, para uma jogabilidade suave.

4. Como as empresas de desenvolvimento de jogos de RV garantem a física realista na realidade virtual?

A VR requer cálculos de física precisos porque quaisquer imprecisões quebram a imersão. Os desenvolvedores de jogos de VR se concentram no feedback háptico, distribuição de peso precisa e interações de objetos para que os ambientes virtuais pareçam o mais real possível. Os mecanismos de física baseados em IA também ajudam a otimizar o desempenho da RV.

5. Qual é o futuro dos mecanismos de física em jogos e VR?

Com os avanços no rastreamento de raios em tempo real, modelagem de física orientada pela IA e processamento baseado em nuvem, o futuro dos mecanismos de física parece promissor. As empresas de desenvolvimento de jogos de RV e os estúdios que contratam desenvolvedores de RV continuarão ultrapassando os limites do realismo, criando mundos digitais mais interativos e imersivos.