Физика в играх: как симулируют мир

Физический движок — часть игры, симулирующая законы природы: гравитация, столкновения, инерция. За 30 лет развития эти системы стали чрезвычайно сложными.

Базовая физика

В большинстве игр используется simplified Ньютоновская механика:

• Объекты имеют массу, скорость, позицию
• Гравитация — постоянное ускорение вниз
• Столкновения обнаруживаются через bounding boxes (коробки)
• После столкновения скорости меняются по формулам сохранения импульса

Популярные движки

• Havok — коммерческий, использовался в Half-Life 2, Halo, Skyrim
• Bullet Physics — open-source, в Blender, GTA V
• PhysX — NVIDIA, GPU-accelerated, в Unreal Engine
• Box2D — для 2D игр

Rigid Body Dynamics

Твёрдые тела, которые не деформируются — самая распространённая физика. Ящики, мячи, персонажи. Математика: quaternions для поворотов, constraint solvers для связок.

Ragdoll

Персонаж как система связанных костей. Когда персонаж умирает, физика "берёт верх" и тело падает естественно. Классика — Jurassic Park: Trespasser (1998), популяризация — Hitman 2 (2002).

Soft Body Physics

Мягкие тела (одежда, деформируемые объекты). Вычислительно дорого. Примеры: деформация металла в BeamNG.drive, ткань в современных играх.

Жидкости и газы

Частичные симуляции. В GTA V — поведение воды. В Noita — полноценная пиксельная симуляция жидкостей и газов. NVIDIA Flex — продвинутая жидкостная физика.

Деструкция

Разрушение объектов. Red Faction: Guerrilla (2009) — пионер полностью разрушаемой среды. Teardown (2020) — современный образец.

Гейм-физика vs реальная

Игры обычно "читерят" с физикой для ощущения веселья. Реальная гравитация для шутера была бы скучной. Max Payne замедляет время для bullet time — непростительное нарушение законов природы, но отличная механика.

Современные проблемы

• Balance между точностью и производительностью
• Детерминизм для сетевых игр — сложно
• Многопоточные системы
• GPU-based физика (PhysX, Flex)

Будущее

Neural physics — использование ML для приближений физических симуляций. Диффференцируемые симуляторы — для обучения агентов RL. Интеграция с ray tracing — физические симуляции света и тепла.