Симуляція фізики твердих тіл для графіки ігор

Симуляція фізики твердих тіл для графіки ігор

Руйнування будівлі у грі виглядає не так, як падіння каменю на грунт у реальності — і це правильно. Ігрова фізика твердих тіл вирішує не задачу фізичної точності, а задачу візуального правдоподібства при мінімальних обчислювальних витратах. Різниця принципіальна: PhysX в Unity просчитує rigid body interactions у реальному часі на CPU, і при 50 одночасно активних Rigidbody з mesh collider замість примітивів ви легко втрачаєте 10ms frame time на фізику в пустій сцені.

Архітектура Rigidbody для візуальних ефектів руйнування

Debris simulation при розривності — найпоширеніша задача. Будинок вибухає, шматки летять. Наївний підхід: розбити меш на частини, додати Rigidbody на кожну, активувати при вибуху. Проблеми цього підходу очевидні після першого профілювання.

Mesh Collider vs примітиви. Mesh Collider для кожного фрагменту — це convex mesh computation при кожному FixedUpdate'е. Для 20 фрагментів на GPU це приймально, для 200 — ні. Правильне рішення: складений collider з примітивів (кілька Box Collider або Capsule Collider на одному GameObject), які апроксимують форму фрагменту. Це в 5–10 разів дешевше, візуально майже невідрізнюємо при швидкому русі debris.

Sleeping. Rigidbody переходить у Sleep стан, коли швидкість падає нижче Physics.sleepThreshold. Sleeping Rigidbody не витрачають CPU. Критично: переконатися, що sleepThreshold не занадто низький (default 0.005 — звичайно нормально), та що об'єкти дійсно засинають після приземлення. Якщо фрагмент лежить на нерівній поверхні та мікровібрує — він ніколи не заснув. Це фіксується через AddTorque = 0 + примусовий rigidbody.Sleep() через Coroutine з перевіркою velocity < threshold.

Pooling. Debris об'єкти повинні повертатися в Object Pool, а не знищуватися через Destroy(). Destroy() викликає GC allocation, що дає frame spike саме у момент вибуху — коли performance уже під навантаженням. Pool з фіксованим максимумом 50–100 фрагментів, LRU вилучення (найстарший деактивується при нестачі місця) — стандартний паттерн.

Fractured mesh та pre-broken геометрія

Realtime fracturing (Voronoi розбивка меша при ударі) — красиво у демо, дорого у production. На PC це допустимо для рідких подій (вибух раз на 30 секунд), на мобільних — практично неприйнятно.

Промислом стандарт: pre-broken geometry. Об'єкт заранее розбивається на фрагменти у DCC-інструменті (Blender Fracture Modifier, 3ds Max ProBoolean, або спеціалізований інструмент типу RayFire). Всі фрагменти існують у сцені спочатку, але без Rigidbody, у режимі Kinematic або просто статичні. При вибуху: включаємо Rigidbody, застосовуємо AddExplosionForce, фрагменти розлітаються.

Explosion Force в Unity: Rigidbody.AddExplosionForce(force, explosionPos, radius, upwardsModifier). upwardsModifier — важливий параметр, часто ігнорований. Він додає вертикальну складову до сили, що робить вибух більш «вгору» замість чисто радіального розсіювання. Значення 0.5–1.0 створює більш кінематографічний вигляд.

Для великих об'єктів (будинок, стіна) фрагменти можуть бути ієрархічними: великі шматки розбиваються на дрібніші при приземленні через secondary fracture trigger.

Cloth Simulation як частина rigid body сцени

PhysX в Unity містить Cloth компонент для Skinned Mesh Renderer — це soft body simulation. Прапор на вітру, плащ персонажа, мотузки — все це Cloth. Інтеграція Cloth та Rigidbody — поширена задача: прапор, прикріплений до стовпа, який падає як Rigidbody.

Cloth Constraint — це fixed particles (вершини, прибиті до transform) та вільні. При падінні стовпа: Constraint Target трансформується разом з Rigidbody стовпа, cloth слідує. Обмеження: Unity Cloth не підтримує collision з динамічними Rigidbody — тільки зі сферами та капсулами, задаваними через cloth.capsuleColliders та cloth.sphereColliders. Це означає, що тканина не буде правильно взаємодіяти з обломками — потрібна або апроксимація через примітиви, або fake через animation.

Ragdoll та active ragdoll для персонажів

Ragdoll — це набір Rigidbody + Joint на скелеті персонажа, активізований при смерті або падінні. Стандартний Unity Ragdoll Wizard створює базову структуру, але його результат вимагає тонкої настройки.

Ключові проблеми дефолтного ragdoll:

• ConfigurableJoint з надто широкими angular limits → кінцівки складаються у фізично неможливі позиції
• Малі Rigidbody (пальці, стопи) з низькою масою → нестабільність physics solver, jitter
• Перехід з Animator до Ragdoll видимий як «щелчок» позиції

Active Ragdoll — гібридний підхід: Animator продовжує працювати, але Rigidbody joints застосовують force для слідування за анімованими позами. У Unity це реалізується через ConfigurableJoint.targetRotation = різниця між поточною rotation joint та target з Animator. Вага фізики vs анімації керується через Joint.slerpDrive.positionSpring. Це дає процедурне падіння зі збереженням анімаційного контролю — персонаж «борюється» з фізикою замість того, щоб мгновенно стати ганчіркою.

Вартість розраховується індивідуально. Потрібен опис сцени, кількість одночасних об'єктів, цільова платформа та існуюча фізична архітектура проекту.