Физические явления в компьютерных играх. Индивидуальный проект по физике

1.

ФИЗИЧЕСКИЕ
ЯВЛЕНИЯ
В КОМПЬЮТЕРНЫХ
ИГРАХ
Индивидуальный проект
по физике

2.

Подготовил:
Харитоненко Ярослав Игоревич
Специальность:09.02.07
«Информационные системы
и программирование»
Курс 1 группа ИС24
Форма обучения: очная
Руководитель:
Е.А.Соловьева
КЛИНЦЫ 2025

3.

Современная индустрия компьютерных игр представляет
собой сложный синтез технологий, искусства и науки. Одним
из ключевых аспектов, определяющих качество и
реалистичность игрового процесса, является физическое
моделирование.
Актуальность
несколькими
данного
исследования
обусловлена
факторами.
Во-первых,
физическое
моделирование стало неотъемлемой частью геймдизайна,
напрямую влияя на игровой опыт. Во-вторых, технологии
физических движков находят применение за пределами
игровой индустрии - в архитектурном моделировании,
медицине,
военных
симуляторах.
В-третьих,
изучение
игровой физики представляет интерес с точки зрения
компьютерных наук и прикладной математики.

4.

Цель работы - комплексный анализ
физических моделей, используемых в
современных компьютерных играх,
изучение
физических явлений из
реального мира, которые можно
заметить
в
игре
в
качестве
геймплейного элемента и понять, как
это делается.
- Изучить
теоретические основы
физического
моделирования в
играх;
Задачи:
Задачи
Оценить перспективы
развития технологии.
Проследить
историческую
эволюцию игровой
физики;
Рассмотреть
- Проанализировать
практические аспекты
конкретные реализации
реализации
физики в популярных
физических моделей;
игровых франшизах;

5.

Основные разделы физики, которые
применяются в игровых движках:
Динамика твёрдых тел.
Динамика жидкости.
Симуляция тканей..
Системы частиц.
Игровая физика делится на две категории: физика
твёрдого тела и физика мягкого тела. Физика
твёрдого тела необходима в большинстве 2D- и 3Dигр, а физика мягкого тела описывает действие сил на
объект, который принимает различные формы
(например, флаг).

6.

Математический аппарат физического моделирования
Методы математической физики.
Дифференциальные уравнения в частных
производных.
Численные методы. Методы, основанные на
сеточной аппроксимации.
Метод разделения переменных (метод
Фурье).
Метод конечных разностей.
Также существует разделение
математического аппарата физического
моделирования по признаку непрерывности:
Непрерывное моделирование.
Рассматривает процессы, происходящие в
объекте, непрерывно в течение всего
времени исследования. Математический
аппарат такого типа моделирования —
дифференциальные уравнения.
Дискретное моделирование. Изучает
процессы в определённые моменты
времени. Математический аппарат —
разностные уравнения.
Непрерывно-дискретное моделирование.
Сочетает в себе свойства непрерывного и
дискретного моделирования.

7.

Физический движок
Физический движок — компьютерная программа, которая производит компьютерное
моделирование физических законов реального мира в виртуальном мире, с той или иной
степенью аппроксимации.
Игровые физические движки
Научные физические движки
Также существуют отдельные типы физических движков, каждый из которых
предназначен для определённых задач:
Движки для твёрдых тел.
Движки для мягких тел.
Движки для жидкости.

8.

Эпоха аркадных автоматов получила широкое распространение
в 1970–1980-х годах.
Этапы:
Вторая половина 1980-х
годов
(Kung-Fu Master (1984),
Double Dragon (1987) и
Золотой век аркад (1978– Street Fighter (1987).)
1983).
Возникновение
аркадных автоматов
«Закат» эпохи.

9.

Зарождение 3D-графики и физики (1990-е)
В 90-х годах с развитием технологий, таких как 3D-ускорители, игры начали использовать
полигональную графику. Примеры проектов того периода: Doom и Quake, которые создавали
трёхмерные пространства с использованием полигонов.
В конце 90-х и начале 2000-х годов появились мощные 3D-движки, такие как Unreal
Engine и CryEngine. Они позволили разработчикам создавать фотореалистичные текстуры,
сложные модели и динамическое освещение.
С выходом консолей нового поколения, таких как PlayStation 3 и Xbox 360, 3D-графика
достигла новых высот. Игры, такие как The Last of Us и Grand Theft Auto V,
продемонстрировали, как технологии могут создавать фотореалистичные персонажи и
окружение.
Технологический прорыв:
- Quake (1996) - первые настоящие 3D-столкновения;
- Tomb Raider (1996) - физика персонажа;
- Unreal (1998) - физика окружающей среды.

10.

Расцвет физических движков в видеоиграх можно
отнести к началу нулевых годов. В этот период появились
такие технологии, как Havok и Ragdoll, а также PhysX от
компании Ageia и физический движок Euphoria от Rockstar.
Золотая эра физики в играх:
- Half-Life 2 (2004) - революция физического геймплея;
- Crysis (2007) - разрушаемость окружения;
- Red Faction: Guerrilla (2009) - полная разрушаемость

11.

Современный период (2010-настоящее время)
Интеграция искусственного интеллекта
Прогресс в облачном гейминге
Использование VR и AR
Роль блокчейна и NFT
В 2025 году ожидается ещё больше нововведений.
Среди ключевых прогнозов: увеличение роли квантовых
вычислений
в
разработке
игр,
расширение
мультивселенных, соединяющих несколько игровых
миров и новые устройства для полного погружения,
такие как костюмы с тактильной обратной связью.

12.

Детальный анализ физических моделей
в популярных игровых франшизах
Серия Half-Life и эволюция физического движка Source
Основа сюжета большинства игр — приключения физика-теоретика
Гордона
Фримена,
который
в
результате
инцидента
в
научноисследовательском комплексе «Чёрная Меза» становится единственным, кто
может спасти Землю от порабощения инопланетянами.
Серия популярна благодаря продуманному дизайну, выверенному игровому
процессу, игры строятся на совмещении элементов шутера и головоломки.
Игроку приходится самостоятельно разбираться в происходящем и,
используя обнаруженные факты, пытаться понять, что произошло и
происходит в окружающем его мире.
Характерная особенность геймплея Half-Life — постоянное взаимодействие
игрока с окружающей средой. Например, игрок может пододвинуть ящик,
чтобы забраться на нужную высоту, или набросать в воду лёгких бочек, чтобы
перебраться на противоположный берег.

13.

Многопользовательские онлайн-арены (Dota 2, League of Legends)
Dota 2 известна сложной и многоуровневой
механикой. Некоторые физические аспекты игры:
Атрибуты героев
Скорость передвижения
Скорость поворота
Сопротивление эффектам
Скорость атаки.
Скорость снарядов
Дальность атаки
Анимация атаки

14.

Паркур-симуляторы (Mirror's Edge, Dying Light)
Mirror’s Edge — первая в
мире паркур-игра от
первого лица. Для версии
на ПК в ней использовали
технологию PhysX, которая
позволяла симулировать
ряд физических явлений:
физику тканей, осколков
стекла и бетонной крошки
от повреждений стен, искр,
различного мусора и
эффектов дыма.

15.

Головоломки на основе физики (Portal, The Talos Principle)
Игровая физика делится на две категории:
Физика твёрдого тела. Необходима в
большинстве 2D- и 3D-игр. Каждое
твёрдое тело должно двигаться по
определённым
правилам,
чтобы
выглядеть реалистично. Для просчёта
движений программисты используют
различные техники.
Физика мягкого тела. Описывает
действие сил на объект, который
принимает различные формы.
Отобразить мягкое тело намного
сложнее, поэтому такой подход
используют гораздо реже.

16.

Некоторые головоломки на основе физики:
Physics Ball
Cobi Hoops 2
Bouncy Puzzles
Portal
The Talos Principle
Brain It On

17.

Открытые миры с продвинутой физикой
(GTA V, Red Dead Redemption 2)**
GTA V благодаря новому физическому движку «Эйфория» получила реалистичную подвеску
автомобилей, правдоподобное поведение тел и зрелищную стрельбу
Realistic Driving V. Создана новая система управления автомобилями, основанная на физике.
Для 357 различных транспортных средств индивидуально введены такие параметры, как
вес и центр тяжести. В результате получилась более комплексная и правдоподобная
симуляция вождения.
Better Deformation + More Durable Cars. Этот мод повышает определённые игровые
характеристики, так что автомобили не разбиваются при малейшем касании и становятся
более долговечными. Особенно заметна дополнительная прочность на самолётах и
вертолётах, которые не взрываются при первом же соприкосновении с твёрдой
поверхностью, а постепенно покрываются соответствующими вмятинами на корпусе.
Red Dead Redemption 2 отличается вниманием к деталям в жанре игр с открытым миром.

18.

Практические аспекты реализации физики в играх
Методы численного интегрирования
Методы численного интегрирования используются для решения систем уравнений с
большим количеством объектов и противоречащими ограничениями. Эти методы
позволяют итерационно приближать результат к корректному.
Некоторые методы численного интегрирования для игровой физики:
Метод Стрёмера-Верле. Одношаговый, симплектический и симметричный метод второго
порядка точности. Скорость в явном виде не хранится, вместо неё — хранятся текущая и
предыдущая позиция.
Полу-явный метод Эйлера. Симплектический метод, который сходится лучше, чем явный
метод Эйлера.
Метод средней точки. Явный метод второго порядка, который предполагает «подшаг» на
половину времени вперёд, расчёт сил и на основе промежуточной силы движение тела из
начальной точки в следующую.

19.

Оптимизация физических расчетов
Использование коллайдеров-сфер
Изменение шага времени в физическом
мире
Настройка условий засыпания тел
Использование фиксированных временных
участков (Timestep).

20.

Баланс между реализмом и производительностью
Проблемы производительности.
Эффективная реализация физических
движков требует значительных ресурсов
для симуляции реалистичного
поведения объектов. При сложных
сценариях, таких как большое
количество взаимодействующих
объектов, вычислительные нагрузки
увеличиваются, что приводит к падению
частоты кадров и ухудшению игрового
процесса.
Сложность реализации физики мягких
тел. Чтобы сделать всё реалистично,
нужно проводить миллионы операций в
секунду, но процессор просто не
выдержит такую нагрузку. Поэтому
физику всячески упрощают.

21.

Будущее физического моделирования в играх.
Интеграция
принципов
классической
и квантовой
физики.
Использование
нейронных
шейдеров
Перспективные
направления:
Применение
искусственного
интеллекта
Использование
графических
процессоров
Улучшение
физических
симуляций
Квантовые вычисления, Нейросетевые подходы, Полная
симуляция материалов, Гибридные подходы

22.

Заключение
Компьютерные игры и физика тесно связаны, так как при создании игр
разработчики используют симуляцию реальных физических процессов.
Проведенное исследование демонстрирует, что современная игровая
физика представляет собой сложную междисциплинарную область,
объединяющую:
1. Фундаментальные физические законы;
2. Передовые математические методы;
3. Инновационные компьютерные технологии.
Основные выводы:
- Физические движки стали ключевым компонентом игровых технологий;
- Реализм физики напрямую влияет на игровой опыт;
- Будущее развитие требует новых вычислительных парадигм;
Перспективы дальнейших исследований:
- Разработка универсальных физических стандартов;
- Создание квантовых физических движков;
- Интеграция ИИ в физическое моделирование.

23.

Список используемых источников
1. Эрнест Адамс, Джорис Дорманс. "Game Mechanics:
Advanced Game Design" (2012);
2. David H. Eberly. "Game Physics Engine Development"
(2010);
3. Ian Millington. "Game Physics Engine Development" (2007);
4. Официальная документация Havok Physics SDK;
5. NVIDIA PhysX Programming Guide;
6. Valve Source Engine Documentation;
7. 45 научных статей по игровой физике (2000-2023).

24.

БЛАГОДАРЮ
ЗА ВНИМАНИЕ!