Istnieje duża różnica między silnikiem zderzenia a silnikiem fizyki. Nie robią tego samego, chociaż silnik fizyki zasadniczo opiera się na silniku zderzenia.
Silnik kolizji jest następnie dzielony na dwie części: wykrywanie kolizji i reakcja na kolizję. Ten ostatni jest zasadniczo częścią silnika fizyki. Właśnie dlatego silniki kolizji i silniki fizyki są zwykle wtaczane do tej samej biblioteki.
Detekcja kolizji występuje w dwóch postaciach, dyskretnej i ciągłej. Zaawansowane silniki obsługują oba, ponieważ mają różne właściwości. Ogólnie rzecz biorąc, ciągłe wykrywanie kolizji jest bardzo drogie i stosowane tylko tam, gdzie jest naprawdę potrzebne. Większość zderzeń i fizyki jest obsługiwana przy użyciu dyskretnych metod. W dyskretnych metodach obiekty będą się wzajemnie przenikać, a następnie silnik fizyki będzie je rozdzielał. Tak więc silnik tak naprawdę nie powstrzymuje gracza przed przejściem częściowo przez ścianę lub podłogę, po prostu naprawia go po wykryciu, że gracz jest częściowo w ścianie / podłodze. Skoncentruję się tutaj na dyskretnym wykrywaniu kolizji, ponieważ właśnie to mam największe doświadczenie w implementacji od zera.
Wykrywanie kolizji
Wykrywanie kolizji jest stosunkowo łatwe. Każdy obiekt ma transformację i kształt (prawdopodobnie wiele kształtów). Naiwne podejścia sprawiłyby, że silnik kolizji wykonałby pętlę O (n ^ 2) przez wszystkie pary obiektów i sprawdziłby, czy pary nie zachodzą na siebie. W bardziej inteligentnych podejściach istnieje wiele struktur danych przestrzennych (np. Dla obiektów statycznych vs. dynamicznych), obwiednia kształtu dla każdego obiektu i wieloczęściowe wypukłe kształty podrzędne dla każdego obiektu.
Struktury danych przestrzennych obejmują takie rzeczy, jak drzewa KD, drzewa dynamicznego AABB, drzewa ósemkowe / czwórkowe, drzewa partycjonowania przestrzeni binarnej i tak dalej. Każdy ma swoje zalety i wady, dlatego niektóre silniki wyższej klasy wykorzystują więcej niż jeden. Na przykład dynamiczne drzewa AABB są naprawdę bardzo szybkie i dobre do obsługi wielu ruchomych obiektów, podczas gdy drzewo KD może być bardziej odpowiednie dla geometrii poziomu statycznego, z którą zderzają się obiekty. Istnieją również inne opcje.
Faza szeroka wykorzystuje struktury danych przestrzennych i abstrakcyjną objętość ograniczającą dla każdego obiektu. Obwiednia jest prostym kształtem, który otacza cały obiekt, ogólnie w celu zamknięcia go możliwie „ciasno”, pozostając jednocześnie tanim w testach kolizji. Najczęstsze kształty obwiedni to wyrównane do osi pola ograniczające, wyrównane względem obiektu pola ograniczające, kule i kapsułki. AABB są ogólnie uważane za najszybsze i najłatwiejsze (Kule są łatwiejsze i szybsze w niektórych przypadkach, ale wiele z tych struktur danych przestrzennych wymagałoby i tak zamiany kuli w AABB), ale mają również tendencję do niedopasowania wielu obiektów. Kapsułki są popularne w silnikach 3D do obsługi kolizji na poziomie postaci. Niektóre silniki będą używać dwóch ograniczających kształtów,
Ostatnim etapem wykrywania kolizji jest dokładne wykrycie przecięcia geometrii. Zwykle oznacza to użycie siatki (lub wielokąta w 2D), choć nie zawsze. Celem tej fazy jest ustalenie, czy obiekty naprawdę kolidują ze sobą, czy wymagany jest wysoki poziom szczegółowości (powiedzmy, kolizja kulowa w strzelance, w której chcesz ignorować strzały, które ledwo brakuje), oraz aby dowiedzieć się dokładnie, gdzie zderzają się obiekty, co wpłynie na ich reakcję. Na przykład, jeśli pudełko stoi na krawędzi stołu, silnik musi wiedzieć, w których punktach stół naciska na pudełko; w zależności od tego, jak daleko pudełko zwisa, pudełko może zacząć się przechylać i spadać.
Skontaktuj się z Generacją kolektora
Stosowane tutaj algorytmy obejmują popularne algorytmy udoskonalania portalu GJK i Minkowskiego, a także test Osi oddzielającej. Ponieważ popularne algorytmy zwykle działają tylko w przypadku wypukłych kształtów, konieczne jest rozbicie wielu złożonych obiektów na wypukłe podobiekty i wykonanie testów kolizji dla każdego z osobna. Jest to jeden z powodów, dla których uproszczone siatki są często używane do kolizji, a także skrócenie czasu przetwarzania przy użyciu mniejszej liczby trójkątów.
Niektóre z tych algorytmów nie tylko mówią, że obiekty na pewno zderzyły się, ale także tam, gdzie zderzyły się - jak daleko się przenikają i jakie są „punkty kontaktowe”. Niektóre algorytmy wymagają dodatkowych kroków, takich jak obcinanie wielokątów, aby uzyskać te informacje.
Reakcja fizyczna
W tym momencie odkryto kontakt, a silnik fizyki ma wystarczającą ilość informacji, aby go przetworzyć. Obsługa fizyki może być bardzo złożona. Prostsze algorytmy działają w niektórych grach, ale nawet coś tak pozornie prostego, jak utrzymywanie stabilnego stosu pudeł, okazuje się dość trudne i wymaga dużo pracy i nieoczywistych włamań.
Na najbardziej podstawowym poziomie silnik fizyki zrobi coś takiego: weźmie zderzające się obiekty i ich kolektory kontaktowe i obliczy nowe pozycje wymagane do oddzielenia zderzonych obiektów. Przenosi obiekty do tych nowych pozycji. Obliczy również zmianę prędkości wynikającą z tego pchnięcia, w połączeniu z restytucją (sprężystością) i wartościami tarcia. Silnik fizyki zastosuje również wszelkie inne siły działające na obiekty, takie jak grawitacja, w celu obliczenia nowych prędkości obiektów, a następnie (następnej klatki) ich nowych pozycji.
Bardziej zaawansowana reakcja fizyczna szybko się komplikuje. Powyższe podejście ulegnie awarii w wielu sytuacjach, w tym w jednym obiekcie na dwóch innych. Samo radzenie sobie z każdą parą spowoduje „drgania”, a obiekty będą się często odbijać. Najbardziej podstawową techniką jest wykonanie szeregu iteracji z korekcją prędkości na parach zderzających się obiektów. Na przykład, z polem „A” umieszczonym na dwóch innych polach „B” i „C”, kolizja AB zostanie obsłużona jako pierwsza, powodując, że skrzynia A będzie przechylać się dalej do skrzynki C. Następnie kolizja AC jest obsługiwana wieczorem nieco z pól, ale pociągnięcie A w dół i do B. Następnie wykonywana jest kolejna iteracja, więc błąd AB spowodowany przez korekcję AC jest nieco rozwiązany, tworząc nieco więcej błędu w odpowiedzi AC. Jest to obsługiwane przy ponownym przetwarzaniu prądu przemiennego. Liczba wykonanych iteracji nie jest stała i nie ma punktu, w którym stanie się ona „doskonała”, a raczej tylko tyle, ile iteracji przestanie dawać znaczące wyniki. 10 iteracji to typowa pierwsza próba, ale poprawienie wymaga znalezienia najlepszej liczby dla konkretnego silnika i potrzeb konkretnej gry.
Kontakt z buforowaniem
Istnieją inne sztuczki, które okazują się bardzo przydatne (mniej lub bardziej konieczne) w przypadku wielu rodzajów gier. Buforowanie kontaktów jest jednym z bardziej przydatnych. Dzięki pamięci podręcznej kontaktów każdy zestaw kolidujących obiektów jest zapisywany w tabeli odnośników. Każda ramka po wykryciu kolizji jest sprawdzana w tej pamięci podręcznej, aby sprawdzić, czy obiekty były wcześniej w kontakcie. Jeśli obiekty nie były wcześniej w kontakcie, można wygenerować zdarzenie „nowej kolizji”. Jeśli obiekty były wcześniej w kontakcie, informacje można wykorzystać do zapewnienia bardziej stabilnej odpowiedzi. Wszelkie wpisy w pamięci podręcznej kontaktów, które nie zostały zaktualizowane w ramce, wskazują na dwa obiekty, które się oddzieliły i można wygenerować zdarzenie „obiekt oddzielający”. Logika gry ma często zastosowanie w tych zdarzeniach.
Logika gry może także reagować na nowe zdarzenia kolizji i oznaczać je jako ignorowane. Jest to bardzo pomocne w przypadku implementacji niektórych funkcji typowych dla platform, takich jak platformy, na które można przeskoczyć, ale stać. Naiwne implementacje mogą po prostu ignorować kolizje, które mają normalną kolizję w dół -> kolizja postaci normalna (wskazując, że głowa gracza uderza w dolną część platformy), ale bez buforowania kontaktowego, to pęknie, jeśli głowa gracza podniesie się przez platformę, a następnie zacznie upaść. W tym momencie normalny kontakt może skończyć skierowaniem do góry, co spowoduje, że gracz wyskoczy przez platformę, kiedy nie powinien. Dzięki buforowaniu kontaktów silnik może niezawodnie patrzeć na początkową kolizję normalnie i ignorować wszystkie dalsze zdarzenia kontaktu, dopóki platforma i odtwarzacz nie rozdzieli się ponownie.
Spanie
Inną bardzo przydatną techniką jest oznaczanie obiektów jako „uśpionych”, jeśli nie są one obsługiwane. Śpiące przedmioty nie otrzymują aktualizacji fizyki, nie zderzają się z innymi śpiącymi przedmiotami i po prostu siedzą tam zamrożone w czasie, aż zderzy się z nimi inny nieśpiący obiekt.
Skutek jest taki, że wszystkie pary zderzających się obiektów, które tam siedzą i nic nie robią, nie zajmują żadnego czasu przetwarzania. Ponadto, ponieważ nie ma stałej liczby drobnych poprawek fizycznych, stosy będą stabilne.
Obiekt jest kandydatem do spania, gdy ma prawie zerową prędkość dla więcej niż jednej klatki. Zauważ, że epsilon, którego używasz do testowania tej prędkości bliskiej zeru, będzie prawdopodobnie nieco wyższy niż zwykły epsilon porównujący zmiennoprzecinkowy, ponieważ powinieneś spodziewać się pewnych zakłóceń w stosach obiektów i chcesz, aby całe stosy obiektów zasnęły, jeśli „ pozostanie „wystarczająco blisko”, aby uzyskać stabilność. Próg będzie oczywiście wymagał drobnych poprawek i eksperymentów.
Ograniczenia
Ostatnim znaczącym elementem wielu silników fizyki jest narzędzie do rozwiązywania ograniczeń. Celem takiego systemu jest ułatwienie wdrożenia takich rzeczy, jak sprężyny, silniki, oś koła, symulowane ciała miękkie, tkanina, liny i łańcuchy, a czasem nawet płyn (chociaż płyn jest często wdrażany jako zupełnie inny system).
Nawet podstawy rozwiązywania ograniczeń mogą być bardzo intensywne z matematyki i wykraczają poza moje doświadczenie w tej dziedzinie. Polecam przejrzenie doskonałej serii artykułów Randy Gaul na temat fizyki, aby uzyskać bardziej szczegółowe wyjaśnienie tego tematu.
