PhysX

ما يُعرف اليوم باسم PhysX نشأ كمحرك محاكاة فيزيائية يُدعى NovodeX. كان NovodeX محرك فيزيائي وسيط يعمل في الوقت الفعلي، طوّرته شركة NovodeX AG في أوائل العقد الأول من الألفية الثانية، وطُرح تجاريًا لأول مرة عام 2002. ورغم أن اسم NovodeX أصبح اليوم اسمًا تاريخيًا لمنتجٍ مضى، إلا أن التقنية الأساسية التي قدمها أحدثت تغييرًا جذريًا في تطوير الألعاب والفيزياء في الوقت الفعلي في ألعاب الفيديو، وشكّلت الأساس المعماري المباشر لمحرك PhysX المعياري في هذا المجال. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

الأصول وسياق السوق

تم تطوير المحرك بواسطة شركة نوفودكس إيه جي ، وهي مجموعة تكنولوجية سويسرية تأسست عام 2001 على يد باحثين ومهندسين من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ (ETH Zurich ). ^{[ 6 ] [ 7 ]}

خلال الفترة من 2001 إلى 2003، كان سوق برمجيات الوسيطة الفيزيائية شديد التنافسية ولكنه مجزأ/محدود تقنيًا. كان على المطورين الراغبين في تطبيق ديناميكيات الأجسام الصلبة الاختيار بين حزم تجارية باهظة الثمن مثل Havok ، أو برمجيات وسيطة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بمحركات فيزيائية محددة مثل Karma من MathEngine (المستخدمة في Unreal Engine 2 )، أو حلول مفتوحة المصدر مثل Open Dynamics Engine (ODE) التي تتطلب تكاملًا يدويًا كبيرًا. ^{[ 8 ]}

دخلت نوفودكس هذا المجال بحلّ يركز على الدقة الرياضية الفائقة وقابلية التوسع المتقدمة للأجهزة. صُممت نوفودكس خصيصًا للتعامل مع مجموعات ضخمة من الأجسام الصلبة وقيود الدمى المعقدة دون انهيارها. ^{[ 9 ]}

في الأول من مارس عام 2004، تم إصدار النسخة الثانية من برنامج NovodeX Physics للاستخدام التجاري. ^{[ 10 ]}

الميزات التقنية

برز برنامج NovodeX Physics كأداة موثوقة للغاية لحساب فيزياء الألعاب في ذلك الوقت. تمت برمجة NovodeX بالكامل باستخدام لغة C++ القياسية، وصُمم خصيصًا للاستفادة من قوة المعالجات متعددة النوى وتقنية تعدد الخيوط. بفضل هذا التصميم المرن والمتطور، كان البرنامج قادرًا على التكيف بسهولة مع قيود الأجهزة المختلفة، مما يعني أنه كان يعمل بسلاسة على أجهزة الكمبيوتر الشخصية التي تعمل بنظام Windows في ذلك الوقت، تمامًا كما كان يعمل على أجهزة الجيل السادس مثل Xbox الأصلي و Nintendo GameCube و PlayStation 2 .

بدلاً من أن يكون كتلة برمجية واحدة كبيرة، كان برنامج NovodeX محركًا معياريًا للغاية بحكم تصميمه. تم توزيع البرنامج بموجب ثلاث تراخيص متميزة مثل Steel Rigid Body Physics وGranite Brittle Fracture وNovodeX Personal Edition، وقُسِّمت بنيته إلى خمسة مكونات فرعية متميزة:

• مجموعة تطوير البرمجيات الأساسية: كانت هذه هي حجر الأساس للمحرك. لم تكن تعمل بمفردها، بل كانت توفر الإطار الرياضي الأساسي الذي تحتاجه كل وحدة أخرى للتشغيل.
• مجموعة أدوات تطوير التصادم (Collision SDK): مكتبة مرنة للكشف عن الأجسام ثلاثية الأبعاد. كان لدى الاستوديوهات خيار دمجها بشكل أصلي مع أنظمة الأجسام الصلبة الخاصة بـ NovodeX أو فصلها لاستخدامها جنبًا إلى جنب مع خطوط أنابيب الفيزياء الخارجية التابعة لجهات خارجية.
• مجموعة أدوات تطوير البرمجيات للأجسام الصلبة: تولت هذه الوحدة معالجة المحاكاة الفيزيائية الفعلية. وقامت بحساب العمليات الرياضية المتعلقة بالزخم والسرعة والتسارع والاحتكاك والطاقة والقيود. وعلى الرغم من اعتمادها الكبير على مجموعة أدوات تطوير البرمجيات الأساسية، إلا أن المطورين لم يكونوا مقيدين بنظام التصادم الأصلي، وكان بإمكانهم استبداله بمكتبات الكشف الخاصة بهم عند الحاجة.
• مجموعة تطوير البرمجيات Substance: صُممت هذه المجموعة لمحاكاة المواد الأكثر تعقيدًا، حيث يستخدم هذا المكون المستقل طريقة العناصر المحدودة (FEM) لنمذجة المواد الصلبة الحجمية والبيئات المحيطة بها. ولضمان عملها بشكل صحيح، يجب دمجها مع أساسيات الرياضيات الأساسية، بالإضافة إلى أنظمة التصادم النشط وأنظمة الأجسام الصلبة (سواء كانت مدمجة في برنامج NovodeX نفسه أو من خلال برنامج تابع لجهة خارجية).

لمساعدة الفنانين على إدخال الأصول أو الدعائم إلى المحاكاة، وفرت مجموعة أدوات NovodeX إضافات تصدير قياسية لبرامج ثلاثية الأبعاد شائعة في ذلك الوقت، بما في ذلك برامج النمذجة ثلاثية الأبعاد مثل 3ds Max وMilkShape 3D. كما تضمنت متصفحًا وأداة مساعدة متخصصة تُسمى "Tetmake"، والتي استُخدمت خصيصًا لإنشاء الشبكات التي يتطلبها Substance SDK. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

إلى جانب المحرك الرئيسي، أصدر الفريق أداة تجريبية منفصلة تُسمى NovodeX Rocket. سمح هذا البرنامج المستقل سهل الاستخدام للمصممين باختبار أفكار جديدة للألعاب بسرعة، وبدلاً من إجبارهم على كتابة أكواد C++ معقدة من الصفر، وفّر لهم لغة برمجة نصية مخصصة (PSCL) وإطار عمل مدمج (ODF) ليتمكنوا من بناء فيزياء اللعبة وتجربتها بسهولة. ^{[ 14 ]}

تكامل محرك Unreal Engine 3

حدثت نقطة التحول الرئيسية لشركة نوفودكس خلال تطوير محرك أنريل إنجن 3 الذي أُطلق عام 2004. كانت شركة إيبك غيمز تعتمد سابقًا على محرك ماث إنجن كارما لتحريك ديناميكيات الأجسام الصلبة، وحركات الدمى المتحركة، والمركبات في محرك أنريل إنجن 2. ومع ذلك، ومع بدء ظهور علامات التقادم على كارما وتزايد الطلب على فيزياء الجيل التالي، بدأت إيبك بالبحث عن بديل لمحركها التالي.

في 2 أبريل 2004، دخلت شركة Epic Games في شراكة رسمية مع شركة NovodeX AG، حيث تم دمج مُحلِّل الفيزياء الخاص بشركة NovodeX بشكل أصلي في نظام Unreal Engine 3. وقد مثّل هذا الدمج نهايةً فعليةً لـ Karma في بيئة Unreal، وجعل من NovodeX على الفور محرك الفيزياء الأبرز في ألعاب AAA. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

وحدة معالجة الفيزياء (PPU) هي معالج مصمم خصيصًا لتخفيف عبء الحساب على وحدة المعالجة المركزية (CPU)، وتحديدًا الحسابات المتعلقة بالفيزياء. وقد تم طرح وحدات معالجة الفيزياء PhysX للمستهلكين على شكل ^بطاقات PCI أو PCIe من قبل شركات ASUS [ 40 ] ^{و BFG} Technologies [ ^{41 ] [ 42 ] و} Dell ^{[ 43 ]} و ELSA Technology ^{[ 44 ]} .

ابتداءً من الإصدار 2.8.3 من حزمة تطوير البرامج PhysX، تم إيقاف دعم بطاقات PPU، ولم تعد تُصنّع. ^{[ 26 ]} كان آخر  إصدار من بطاقة PhysX PPU المستقلة، التي صممتها شركة Ageia، يُقدّم أداءً مماثلاً تقريبًا لأداء بطاقة 9800GTX المخصصة . ^{[ 45 ]}

بعد استحواذ Nvidia على Ageia، تحول تطوير PhysX بعيدًا عن بطاقات توسيع PPU وركز بدلاً من ذلك على قدرات GPGPU لوحدات معالجة الرسومات الحديثة.

تتميز وحدات معالجة الرسومات الحديثة بكفاءة عالية في معالجة وعرض رسومات الكمبيوتر، كما أن بنيتها المتوازية للغاية تجعلها أكثر فعالية من وحدات المعالجة المركزية للأغراض العامة في تسريع عمليات المحاكاة الفيزيائية باستخدام PhysX.

يمكن لأي بطاقة رسومات GeForce جاهزة لـ CUDA (سلسلة 8 أو أحدث مع وحدة معالجة رسومات بحد أدنى 32 نواة وذاكرة رسومات مخصصة بحد أدنى 256 ميجابايت ^{[ 46 ]} ) الاستفادة من PhysX دون الحاجة إلى تثبيت بطاقة PhysX مخصصة.

تُستخدم تقنية PhysX في محركات الألعاب مثل Unreal Engine (الإصدار 3 وما بعده)، و Unity ، و ^Gamebryo ، و Vision (الإصدار 6 وما ^{بعده )} ، وInstinct Engine، و ^Panda3D ، و ^Diesel ، و ^Torque ، و HeroEngine ، و BigWorld .

باعتبارها واحدة من محركات الفيزياء الرئيسية القليلة، تُستخدم هذه التقنية في العديد من الألعاب، مثل The Witcher 3: Wild Hunt و Warframe و Killing Floor 2 و Batman: Arkham Knight و Planetside 2 و Borderlands 2. وتستخدم معظم هذه الألعاب وحدة المعالجة المركزية ( CPU) لمعالجة عمليات محاكاة الفيزياء.

غالباً ما تتضمن ألعاب الفيديو التي تدعم تقنية PhysX المُسرّعة بواسطة الأجهزة تأثيرات إضافية مثل القماش القابل للتمزق، والدخان الديناميكي، أو حطام الجسيمات المُحاكى. ^{[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]}

تتضمن البرامج الأخرى التي تدعم تقنية PhysX ما يلي:

• Active Worlds (AW)، وهي منصة واقع افتراضي ثلاثية الأبعاد يعمل برنامجها على نظام التشغيل ويندوز.
• Amazon Lumberyard ، محرك تطوير ألعاب ثلاثية الأبعاد تم تطويره بواسطة أمازون ^{[ 59 ]}
• Autodesk 3ds Max و Autodesk Maya و Autodesk Softimage ، مجموعات برامج الرسوم المتحركة الحاسوبية ^{[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]}
• DarkBASIC Professional (مع ترقية DarkPHYSICS)، وهي لغة برمجة تستهدف تطوير الألعاب ^{[ 63 ]}
• DX Studio ، بيئة تطوير متكاملة لإنشاء رسومات ثلاثية الأبعاد تفاعلية ^{[ 64 ]}
• ForgeLight ، محرك ألعاب تم تطويره بواسطة شركة Sony Online Entertainment السابقة .
• أدوات قياس الأداء 3DMark06 و Vantage من Futuremark ^{[ 65 ]}
• Microsoft Robotics Studio ، بيئة للتحكم في الروبوتات ومحاكاتها ^{[ 66 ]}
• عرضان تقنيان من إنفيديا : SuperSonic Sled و Raging Rapids Ride
• OGRE (عبر غلاف NxOgre)، محرك عرض مفتوح المصدر
• طبقة تجريد الفيزياء، وهي نظام تجريد واجهة برمجة تطبيقات المحاكاة الفيزيائية (توفر دعم COLLADA و Scythe Physics Editor لـ PhysX) ^{[ 67 ]}
• Rayfire، إضافة لبرنامج Autodesk 3ds Max تسمح بعمليات التكسير وغيرها من عمليات المحاكاة الفيزيائية
• مختبر تقييم محركات الفيزياء، وهو أداة مصممة لتقييم ومقارنة وقياس أداء محركات الفيزياء. ^{[ 68 ]}
• برنامج تطوير الألعاب Unreal Engine من شركة Epic Games . وقد تم إيقاف دعم PhysX رسميًا في الإصدار 4.26 من Unreal Engine والإصدارات الأحدث. ^{[ 69 ]}
• Unity من Unity ApS. لا تستخدم حزمة تقنيات Unity الموجهة نحو البيانات تقنية PhysX. ^{[ 70 ]}