Мягкая физика тел является одной из самых захватывающих и сложных областей компьютерной графики и игрового программирования. В отличие от жестких тел, которые сохраняют свою форму при взаимодействиях, мягкие тела способны деформироваться, сжиматься и вытягиваться под воздействием внешних сил, что открывает новые возможности для создания необычного и реалистичного игрового мира. Ярким примером успешной реализации такой технологии является серия игр JellyCar, в которой мягкая физика стала центром игрового процесса и главной особенностью, придающей проекту неповторимый шарм и живость. Основой игрового движка JellyCar выступает индивидуально разработанная система симуляции мягких тел, ориентированная на работу с большим количеством точечных масс, которые вместе формируют деформируемую форму. В рамках данной модели объекты изначально представляют собой множество точек с присвоенным весом, расположенных в определенном порядке, образующем контур или оболочку.
Каждая точка подвержена действию сил, таких как гравитация, столкновения и внутреннее сопротивление, и в результате этих взаимодействий перемещается, меняя конфигурацию всего тела. Важной частью подхода является отказ от традиционной модели жестких тел с ограниченным числом составных частей и коллайдеров — здесь движок JellyCar работает наоборот, используя сотни маленьких тел, которые в совокупности и создают форму объекта. Такое решение позволяет добиться естественной и плавной деформации, которая воспринимается игроком как живое, эластичное поведение машины или другого объекта на экране. Процесс моделирования начинается с определения точек, их масс и связей между ними. Связи реализованы через упругие элементы, которые схожи со спринтами, создавая «пружины» между точками.
Эти пружины позволяют объекту сохранять свою форму, стараясь вернуть все точки к изначальному расстоянию друг от друга при деформациях. Они реагируют на сжатие и растяжение, создавая силы, пропорциональные отклонению от базового состояния, что обеспечивает реалистичный эффект возвращения к форме. Коллизии между мягкими телами в JellyCar реализованы с помощью уникального подхода. Вместо проверки пересечения целых объектов, движок анализирует попадание каждой точки внутри формы другой мягкой модели. Для определения того, находится ли точка внутри другой фигуры, используется алгоритм подсчёта пересечений прямой, проведенной от исследуемой точки к известной точке вне объекта, с границами полигона.
Если число пересечений нечетное, точка считается внутренней, в противном случае – внешней. Этот способ достаточно простой и при этом эффективный для формирования убедительных столкновений между сложными деформируемыми телами. После выявления внутриполигональной точки необходимо устранить пересечение. Для этого находят ближайший край объекта и сдвигают не только точку, вызывающую коллизию, но и соседние точки полигона, учитывая массу и положение каждой из них. Далее применяются корректировки скоростей, моделируя физику столкновения с учетом коэффициентов трения и инерции.
Интересно, что в процессе решения столкновения движок заменяет край, затронутый столкновением, на виртуальную точку, что позволяет применять классические формулы для упругих столкновений шаров, адаптируя их под мягкие тела и упрощая вычисления. Кроме упругих соединений, в движке JellyCar применяется метод под названием «Shape Matching». Эта техника решает проблему сохранения ориентации и целостности формы тел, предотвращая «выворачивание» точек внутрь или другие визуально неестественные деформации. Суть метода в том, что для каждой формы существует эталонный каркас – виртуальный жесткий каркас, который не деформируется. В каждый игровой цикл этот каркас выравнивается с текущей позицией деформируемого объекта по положению и углу, вычисляемым на основе среднего положения и углов между точками.
Затем между каждой точкой и соответствующей точкой каркаса действуют силы упругости, стремящиеся вернуть объект в исходную форму, при этом позволяя оставаться гибким и подвижным. Одним из интересных элементов мягкой физики являются так называемые «газовые шары» или давление газа внутри объектов. Эта технология используется для создания внутренних сил, которые воздействуют на ткань объекта изнутри, создавая эффект наполненности, примерно как у надувного шара. В игре эта идея воплощается в покрышках и бонусах с эффектом надувания, что придает объектам дополнительную упругость и динамику. Принцип действия заключается в расчетах объема фигуры и внутренних сил, стремящихся расширить ее до изначального объема, что усиливает ощущение живости и реалистичности.
Для соединения различных мягких тел, таких как колеса и кузов машины, применяется система суставов и соединений. Простейшее из них – «сварка» двух точек на разных телах, которая заставляет их двигаться синхронно. Однако для более сложных соприкосновений, например, крепления колес к кузову, используется «штыревой сустав», который формирует якорь через взвешенное среднее нескольких точек и корректирует позиции и скорости, чтобы поддерживать сцепление, позволяя при этом некоторую степень деформации и свободы движения. Все перечисленные технологии вместе создают ощущение настоящей мягкости и живости в игре JellyCar. Игроки могут наблюдать, как их машина реагирует на каждое препятствие, сжимаясь и растягиваясь, переламываясь и сгибаясь даже под большим весом, но при этом оставаясь узнаваемой и управляемой.
Такие физически обоснованные взаимодействия углубляют погружение и увеличивают удовольствие от игрового процесса. Подобный подход к симуляции мягких тел открывает широкие перспективы для дальнейшего развития игровой индустрии и создания уникальных проектов с реалистичными моделями объектов. Интересно, что JellyCar демонстрирует, как несложные с точки зрения реализации алгоритмы, когда собраны вместе и грамотно оптимизированы, могут раскрыть мощь творческих решений и обеспечить высококачественную игровую механику. Для разработчиков, стремящихся создать собственные мягкотелые симуляции, пример JellyCar служит ценным источником знаний и вдохновения. Важным элементом успешной реализации является баланс между реализмом физики и управляемостью объектов, а также оптимизация расчетов для обеспечения производительности на различных платформах.
Использование точечных масс и простых соединений, а также упрощенные алгоритмы коллизий и разрешения столкновений позволяют добиться впечатляющих визуальных эффектов без чрезмерной нагрузки на систему. Стоит также отметить, что постоянное развитие движка JellyCar подтверждает эффективность выбранной концепции и её адаптивность к новым вызовам, что видно на примере выпуска игры JellyCar Worlds с обновленной и улучшенной физической системой. Эта эволюция технологии расширяет возможности для моделирования еще более сложных, реалистичных и интересных игровых механик. В заключение, мягкая физика тел, реализованная в JellyCar, является превосходным примером того, как техническая изобретательность и глубокое понимание механики могут создать уникальный и увлекательный игровой опыт. Комбинация точечных масс, упругих связей, алгоритмов разрешения коллизий и методов сохранения формы демонстрирует мощь современных средств симуляции и открывает двери для инновационных идей в мире игр и интерактивных приложений.
Игры, подобные JellyCar, вдохновляют новое поколение разработчиков исследовать мир мягких тел и превращать их в динамичные и живые цифровые миры.
