Обнаружение столкновений

Движение тела без ограничений и препятствий в реальной жизни случается редко, то же самое и в виртуальном мире. Чтобы правильно описать ситуацию, когда тело встречает препятствие, используется обнаружение столкновения.

Алгоритмы обнаружения столкновений, независимо от их реализации, обычно работают с невидимыми упрощенными формами, которые аппроксимируют меши сталкивающихся объектов. Такие аппроксимации называются коллайдерами (или коллизионными формами). Есть несколько типов коллайдеров, которые можно комбинировать: кубы, сферы, цилиндры, капсулы, выпуклые многогранники.

В UNIGINE реализовано два типа коллизий в зависимости от типов сталкивающихся объектов:

• Столкновение формы с формой: между двумя объектами с назначенными физическими свойствами (например, имеющими тело и хотя бы одну форму, оба должны быть включены). В этом случае обнаруживаются точки контакта между формами.
• Столкновение формы с поверхностью: между объектом с назначенными физическими свойствами и нефизическим объектом (т. е. без физического представления). Если для поверхности включен флаг Collision, она также может пассивно участвовать в физическом взаимодействии и предотвращать прохождение физического объекта. В этом случае вычисляются точки контакта между формой и многоугольниками поверхности.

Внимание

Не масштабируйте меши, которые будут участвовать в обнаружении столкновений — физика не работает должным образом с масштабированными объектами. Чтобы избежать масштабирования, повторно импортируйте меш с требуемым масштабом.

Для того, чтобы объект участвовал в обнаружении столкновений (т.е. был коллайдером), он должен быть добавлен в конкретное BSP-дерево, представляющее физическую сцену. Обнаружение столкновений автоматически включается для объекта, если ему назначено тело или хотя бы одна из его поверхностей имеет включенный флаг Collision. Алгоритм включения / отключения обнаружения столкновений проиллюстрирован ниже.

Алгоритм включения / отключения обнаружения столкновений.

Дополнительная информация#

Весь процесс разделен на следующие этапы и фазы:

1. Обнаружение столкновений — на этом этапе мы обнаруживаем все столкновения со всеми точками контакта и собираем всю необходимую информацию.

2. Реакция на столкновение — это результат столкновения (например, два шара отскакивают друг от друга). Без реакции не было бы разницы между столкновением и пересечением двух объектов. Трение, восстановление и другие параметры учитываются при расчете реакции на столкновение.

3. Выполнение callback-функций — настраиваемые пользователем действия, выполняемые в отношении определенных событий, связанных с физикой.

Фазы: (а) — обнаружение столкновения, (б) — реакция на столкновение

Обнаружение столкновений#

Проверка всех пар объектов на столкновение занимает слишком много времени, особенно если сцена большая. Прежде чем выполнять более точные и дорогостоящие вычисления, мы можем отфильтровать пары объектов, которые расположены слишком далеко для столкновения. Таким образом, все объекты, имеющие физические тела, находятся в пределах физического расстояния с использованием дерева сцены.

Примечание

Неколлизионные тела Dummy пропускаются и не моделируются, если они не взаимодействуют с другими телами через сочленения (joints).

На самом деле нет широкой и узкой фаз как таковых, поэтому на следующем шаге все столкновения (формы с формой и формы с поверхностью) вместе с точками контакта ищутся для всех сталкивающихся тел, т. е. если у них есть пересечения или расстояние между ними меньше допустимого значения проникновения. Точки контакта представлены их координатами, нормалями, глубиной проникновения форм, относительной скоростью (между двумя телами), относительным трением и восстановлением. Итак, здесь мы собираем все данные, которые потребуются для разрешения конфликтов позже.

При моделировании физики с ограничениями одни объекты влияют на движение других, а другие — нет. Таким образом, эти объекты могут быть сгруппированы в острова, которые представляют собой автономные группы тел, которые могут влиять на движение друг друга в группе посредством сил / импульсов, но не влияют на объекты, принадлежащие другим островам. Таким образом, все контактирующие тела, а также те, которые имеют сочленения, соединяющие их, объединяются в остров.

Объекты сгруппированы в острова

Если включен режим моделирования физики Stable, тела (body), формы (shape) и сочленения (joints) сортируются внутри островов, чтобы гарантировать, что контакты решаются в предопределенном порядке, а визуализация физики в мире повторяется (на один компьютер).

При обнаружении столкновений используются определенные подходы к оптимизации для уменьшения вычислительной нагрузки и повышения эффективности (например, разделение пространства, острова, замораживание и т. д.).

Реакция на столкновение#

Итак, у нас есть вся необходимая информация о столкновениях, теперь нужно что-то сделать с этой информацией, чтобы обеспечить реалистичную реакцию. Реакция на столкновение означает моделирование изменений в движении двух твердых тел после столкновения. При столкновении кинетические свойства двух тел мгновенно меняются. Обычно тела отскакивают друг от друга, скользят или останавливаются в статическом контакте, в зависимости от их упругости и конфигурации столкновения. UNIGINE использует модель импульсной реакции. Во время столкновения первое тело применяет импульс столкновения ко второму в точке контакта, равной по величине, но противоположной по направлению импульсу, приложенному вторым телом, в соответствии с ньютоновским принципом действия и противодействия.

Реакция на столкновение

На этом этапе все найденные контакты кэшируются вместе с контактами из предыдущего кадра — для обеспечения правильного взаимодействия. На основе собранных данных о точках контакта UNIGINE вычисляет импульс, который форма получает от столкновения. Контактные точки решаются в псевдослучайном порядке для достижения стабильности и воспроизводимости моделирования.

Сочленения решаются в процессе расчета реакции контакта. Вычисляются импульсы, которые сочленения дают прикрепленным к ним телам: как в соответствии с текущим состоянием сочленения тела должны реагировать, чтобы сочленение оставалось неповрежденным (т.е. на основе их массы, линейной и угловой скорости изменять направление движения и ориентацию), и как этот ответ влияет на сочленение (сочленение может быть разрушено слишком сильным импульсом). Сочленения также решаются в псевдослучайном порядке.

Примечание

В рамках одной итерации физики сочленения можно решать несколько раз. Большое количество совместных итераций увеличивает точность вычислений, а также увеличивает вычислительную нагрузку.

Результаты решения контактов и сочленений накапливаются и применяются к телам. Координаты тел изменяются в соответствии с их новыми линейными и угловыми скоростями.

В процессе расчета реакции на столкновение учитываются два параметра материала, которые могут быть установлены для формы, а также для поверхности:

• Restitution (восстановление) — степень относительной кинетической энергии, остающейся после столкновения. Это зависит от упругости материалов сталкивающихся тел.

  • Минимальное значение 0 указывает на неупругие столкновения (удары кусочка мягкой глины об пол).
  • Максимальное значение 1 соответствует высоко упругому столкновению (резиновый мяч, отскакивающий от стены).
• Friction (трение) — сила, препятствующая относительному движению двух соприкасающихся поверхностей. Чем выше значение, тем меньше тенденция к скольжению тела.

Примечание

В случае, если объект содержит поверхность и форму, как с заданным восстановлением, так и с трением, должны использоваться только параметры формы.

Выполнение обратных вызовов#

После этапа моделирования вызываются все обратные вызовы физики. Эти обратные вызовы в основном используются для создания, уничтожения или изменения других объектов, такие операции могут выполняться только в основном потоке.

Примечание

Обратные вызовы физики вызываются в основном потоке.

Что касается способа учета шкалы времени, используются два основных подхода к поиску точек контакта в случае столкновения. Оба этих подхода реализованы в UNIGINE.

• Дискретное обнаружение столкновений выполняется через определенные промежутки времени, и каждый кадр обрабатывается отдельно от других. В целом дискретизация улучшает производительность. Однако, когда частота кадров проекта уже низкая, небольшой быстро движущийся объект, скорее всего, телепортируется из одной точки в другую вместо того, чтобы плавно перемещаться туда, и столкновение не будет обнаружено.
• Непрерывное обнаружение столкновений не сталкивается с этой проблемой, поскольку движущееся тело выдавливается по своей траектории (между двумя соседними кадрами). В случаях, когда что-то попадает в этот объем и обнаруживается столкновение, тело отправляется назад во времени, чтобы скорректировать реакцию на столкновение.
  Примечание

  Непрерывное обнаружение столкновений доступно только для форм сфера и капсула.

Дискретное (a) и непрерывное (b) обнаружение столкновений

Основным преимуществом дискретного обнаружения является то, что оно намного быстрее и проще для объектов сложной формы или большого размера. Непрерывное обнаружение столкновений требует математического описания всех объектов и их движений, а также решения систем уравнений, что может быть трудным, медленным или даже невозможным во многих обстоятельствах.

Чтобы сделать обнаружение столкновений гибким и выборочным, а также снизить затраты на вычисления, используется механизм битового маскирования. Например, у нас есть объект, который не участвует во взаимодействии с другими, но мы хотим, чтобы он лежал на земле. Соответствие битовых масок коллизий этого объекта и земли (хотя бы один бит в масках должен совпадать) дает необходимый эффект. Один объект может участвовать в нескольких проверках столкновения, поскольку для сопоставления пары объектов требуется только один бит маски.

Все объекты сцены, если их настройки не менялись, создаются с маской коллизий по умолчанию, т. е. все сталкивается со всем. Это может снизить производительность в случае, если количество объектов в мире велико. Лучше всего определить, что с чем должно сталкиваться.

Обычно существует два типа контактов:

• Статический, когда тело опирается на другое тело. В этом случае тела считаются «застывшими» до тех пор, пока на них не воздействует внешняя сила. Это позволяет избежать ненужных вычислений.
• Динамический, когда два тела, хотя бы одно из которых движется, сталкиваются. В этом случае мы должны рассчитать мгновенное изменение скоростей для обоих сталкивающихся объектов.

Статические (слева) и динамические (справа) контакты

См. следующий пример, иллюстрирующий несколько аспектов обнаружения столкновений:

• Включение выборочного столкновения на поверхности.