الرسوم المتحركة القائمة على الفيزيائية

تُعدّ فيزياء الأجسام الصلبة المبسطة رخيصة نسبيًا وسهلة التطبيق، ولذلك ظهرت في الألعاب التفاعلية والمحاكاة قبل معظم التقنيات الأخرى. يُفترض أن الأجسام الصلبة لا تتعرض لأي تشوه أثناء المحاكاة، بحيث يمكن وصف حركتها بين الخطوات الزمنية على أنها انتقال ودوران، ويتم ذلك تقليديًا باستخدام تحويلات خطية مخزنة كمصفوفات 4×4. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام الكواترنيونات لتخزين الدورانات، والمتجهات لتخزين إزاحة الأجسام عن نقطة الأصل. من أكثر جوانب ديناميكيات الأجسام الصلبة استهلاكًا للموارد الحاسوبية: اكتشاف التصادم ، وتصحيح التداخل بين الأجسام والبيئة، ومعالجة التلامس الساكن. تُحاكى الأجسام الصلبة عادةً بشكل تكراري، مع التراجع لتصحيح الأخطاء باستخدام خطوات زمنية أصغر. قد يكون التعامل بكفاءة مع التلامس الساكن بين أجسام صلبة متعددة (كما هو الحال عند سقوط الأجسام الصلبة في أكوام أو تكديسها) صعبًا للغاية، وقد يتطلب رسومات بيانية معقدة للتلامس وانتشار الصدمات لحلها باستخدام الطرق القائمة على الدفع. عند محاكاة أعداد كبيرة من الأجسام الصلبة، غالبًا ما يتم استخدام الأشكال الهندسية المبسطة أو الأغلفة المحدبة لتمثيل حدودها لغرض اكتشاف التصادم والاستجابة له (لأن هذا يمثل بشكل عام عنق الزجاجة في المحاكاة).

يمكن بسهولة محاكاة الأجسام المرنة باستخدام أنظمة الشبكات الزنبركية. تتكون هذه الأنظمة من جسيمات مُحاكاة بشكل فردي، تنجذب إلى بعضها البعض بفعل قوى زنبركية مُحاكاة، وتتعرض لمقاومة من مُخمدات مُحاكاة. يُمكن محاكاة الأشكال الهندسية المختلفة بسهولة أكبر عن طريق تطبيق قوى زنبركية ومُخمدات على عُقد الشبكة، وتشويه الجسم باستخدام الشبكة. مع ذلك، فإن الحلول الصريحة لهذه الأنظمة ليست مستقرة عدديًا، ويصعب للغاية التحكم في سلوكها من خلال معلمات الزنبرك. كانت التقنيات التي تسمح بإنشاء أجسام مرنة ذات مظهر فيزيائي مقبول وجذاب، ومستقرة عدديًا، وقابلة للتخصيص بشكل جيد من قِبل الفنانين، باهظة التكلفة في بدايات تاريخ ألعاب الفيديو، ولهذا السبب لم تكن الأجسام المرنة شائعة مثل الأجسام الصلبة. يُمكن استخدام التكامل باستخدام طرق رونج-كوتا لزيادة الاستقرار العددي للتقنيات غير المستقرة مثل الشبكات الزنبركية، أو يُمكن استخدام خطوات زمنية أدق للمحاكاة (على الرغم من أن هذا أكثر تكلفة، ولا يُمكنه جعل الشبكات الزنبركية مستقرة لقوى كبيرة جدًا). تُعالج تقنيات مثل مطابقة الأشكال وديناميكيات الموقع هذه المشكلات مع مراعاة الألعاب التفاعلية والمحاكاة. تُستخدم ديناميكيات الموقع في محركات الألعاب الشائعة مثل Bullet (برنامج) ، وHavok ، و PhysX . ^{[ 3 ] [ 4 ]} يُعدّ الاستقرار المطلق وسهولة التكوين من الخصائص المرغوبة بشدة في محاكاة الأجسام المرنة، والتي يصعب تحقيقها باستخدام أنظمة الشبكة الزنبركية، على الرغم من أنها لا تزال تُستخدم بكثرة في الألعاب نظرًا لبساطتها وسرعتها.

قد تكون ديناميكيات الموائع الحسابية مكلفة، وقد تتطلب التفاعلات بين أجسام سائلة متعددة أو مع أجسام/قوى خارجية منطقًا معقدًا لتقييمها. تُجرى محاكاة الموائع في ألعاب الفيديو عادةً بمحاكاة ارتفاع المسطحات المائية فقط لخلق تأثير الأمواج أو التموجات أو غيرها من خصائص السطح. بالنسبة للمسطحات السائلة الحرة نسبيًا، تُستخدم غالبًا طرق لاغرانج أو شبه لاغرانج لتسريع المحاكاة من خلال معاملة الجسيمات كعناصر محدودة من المائع (أو حاملات للخصائص الفيزيائية) وتقريب معادلات نافيير-ستوكس . ^{[ 5 ] [ 6 ]} من غير الشائع محاكاة المسطحات السائلة في الألعاب، على الرغم من إمكانية محاكاة خصائص السطح باستخدام طرق مماثلة، كما يمكن استخدام محاكاة الموائع لإنشاء نسيج أو حقول ارتفاع لعرض الماء في الوقت الفعلي دون محاكاة فورية (وهذا شائع في المسطحات المائية الكبيرة في الألعاب). يمكن إجراء محاكاة السوائل باستخدام أجهزة معالجة الرسومات العادية عبر تقنية GPGPU ، كما يمكن حساب حقول الارتفاع بكفاءة عالية، مما ينتج عنه سلوك موجي، باستخدام طرق لاتيس بولتزمان . ^{[ 7 ]} بدلاً من ذلك، يمكن محاكاة خصائص السطح والأمواج كجسيمات، ويتم توليد حقل ارتفاع من الجسيمات المحاكاة في الوقت الفعلي. وهذا يسمح أيضاً بتفاعل ثنائي الاتجاه فعال بين السائل والأجسام الطافية. ^{[ 8 ]}

تُعدّ أنظمة الجسيمات تقنية شائعة للغاية لإنشاء المؤثرات البصرية في الأفلام والألعاب نظرًا لسهولة تطبيقها وكفاءتها وقابليتها للتوسع وتحكم الفنان بها. تتألف دورة تحديث أنظمة الجسيمات عادةً من ثلاث مراحل: التوليد، والمحاكاة، والإزالة. تتضمن هذه المراحل على التوالي إدخال جسيمات جديدة، ومحاكاتها خلال الخطوة الزمنية التالية، وإزالة الجسيمات التي تجاوزت عمرها الافتراضي. تُولّد الخصائص الفيزيائية والبصرية للجسيمات عشوائيًا عند التوليد، مع تحكم الفنان في نطاق وتوزيع هذه الخصائص. يمكن أيضًا برمجة أنظمة الجسيمات لتوليد أنظمة جسيمات أخرى لإنشاء مؤثرات أكثر تعقيدًا وديناميكية، ويمكن تصميم سلوكها عالي المستوى من خلال إطار عمل من المُشغّلات كما في ورقة سيمز المرجعية. ^{[ 9 ]} عانت الألعاب المبكرة التي استخدمت أنظمة الجسيمات من تشوهات في الصورة عند تقاطع الجسيمات جزئيًا مع هندسة البيئة، وكان هذا التشوه ملحوظًا بشكل خاص للجسيمات الكبيرة (التي كانت تُستخدم غالبًا كبديل للدخان). تعالج الجسيمات الناعمة هذه العيوب من خلال التظليل الدقيق والتلاعب بشفافية الجسيمات، بحيث تصبح الجسيمات أكثر شفافية كلما اقتربت من الأسطح.

في الرسوم المتحركة القائمة على الفيزياء، يشير مصطلح "التجمع" إلى تقنية تُستخدم لمحاكاة السلوك المعقد للطيور وأسراب الأسماك وأسراب الحشرات باستخدام قوى افتراضية. تحاكي هذه القوى الافتراضية ميل الأسراب إلى توحيد سرعاتها، وتجنب الاصطدامات والازدحام، والتحرك نحو المجموعة. في هذه المحاكاة، يتصرف أفراد السرب (الذين يُطلق عليهم أحيانًا اسم "الطيور" اختصارًا لكلمة "شبيهة الطيور") بشكل فردي دون تعاون، معتمدين فقط على معلومات حول موقع وسرعة أقرانهم لخلق وهم سلوك جماعي متزامن بكفاءة. ^{[ 10 ]} يمكن استخدام تقنية "التجمع" لتقريب سلوك حشود البشر بكفاءة أيضًا، وغالبًا ما تُستخدم الطرق القائمة على هذه التقنية لمحاكاة حشود الشخصيات غير القابلة للعب في الألعاب. كانت لعبتا Unreal و Half-Life من أوائل الألعاب التي طبقت تقنية "التجمع"، والتي استُخدمت لمحاكاة سلوك الطيور والكائنات الطائرة الموجودة في المستويات الخارجية.

تُحرّك الشخصيات في الألعاب والمحاكاة تقليديًا باستخدام تقنيات مثل الإطارات الرئيسية ، التي تُحدد الرسوم المتحركة من خلال تجميع حركات ثابتة صغيرة مُرتبة لتُظهر سلوكًا أكثر تعقيدًا. لكن هذه الأساليب الثابتة لا تُجيد تصوير التفاعلات المعقدة مع البيئة، مما يجعل تحقيق حركة شخصية واقعية أمرًا صعبًا. تُحقق تقنيات تحريك الشخصيات القائمة على الفيزياء رسومًا متحركة ديناميكية تستجيب لتفاعل المستخدم والأحداث الخارجية والبيئة، وذلك من خلال تحسين الحركات لتحقيق أهداف مُحددة ضمن قيود فيزيائية مثل تقليل استهلاك الطاقة. ^{[ 11 ]} كان تبني تحريك الشخصيات القائم على الفيزياء، مقارنةً بالأساليب الثابتة، بطيئًا في صناعة الألعاب نظرًا لارتفاع التكلفة والتعقيد المرتبطين باستخدامه. وقد استُخدم تحريك الشخصيات القائم على الفيزياء في سلسلة ألعاب الفيديو Skate ، وفي لعبة التصويب من منظور الشخص الأول StarForge ، التي طُوّرت بشكل مستقل .