При работе над индивидуальным проектом на тему "Физика воды в играх" учащийся 9 класса рассказал о существующие игровых движках и их подходах к симуляции воды, а также определил методы создания реалистичной воды в видеоиграх, выяснил ее влияние на производительность и игровой процесс.

В содержании индивидуального исследовательского проекта о физике воды в играх изучаются трудности разработки реалистичной физики воды по причине высоких вычислительных затрат и ограниченной информации.

Учеником 9 класса отражены выводы о том, что с течением времени в будущем возможно появятся методы моделирования поведение воды в реальном времени. При этом, полностью реалистичная симуляция по всем законам физики вряд ли будет достигнута в ближайшее время.

Оглавление

Введение
Глава 1. Изучения движков
1.1 Unity, как на нём симулируют воду
1.2 Unreal Engine, как на нём симулируют воду
1.3 Cryengine, как на нём симулируют воду
Глава 2. Общие выводы
2.1 Как должно быть со стороны физики?
2.2 Подтвердилась ли гипотеза
2.3 Компромиссы и упрощения
Заключение
Список литературы

Мы рассмотрим, насколько важно реалистичное моделирование воды для общего восприятия игрового мира и как это влияет на игрока. Также будут обозначены ключевые сложности, с которыми сталкиваются разработчики при создании воды и т.п., и текущие методы симуляции воды в игровых движках

В этом проекте рассматриваются различные игровые движки, такие как Unity, Unreal Engine и другие, и их подходы к симуляции воды. Мы проанализируем применяемые алгоритмы, параметры симуляции и их влияние на производительность игры

Актуальность: С учётом растущей популярности видеоигр и увеличения требований игроков к графике и реалистичности, изучение физики воды становится особенно актуальным.

Гипотеза: вода в видеоиграх может быть реалистичной и сделанной опираясь на все законы физики.

Цель: Исследование методов создания реалистичной физики воды в видеоиграх и их влияние на производительность и игровой процесс.

Проблема: Трудности разработки реалистичной физики воды из-за высоких вычислительных затрат и ограниченной информации по данному вопросу.

Задачи:

1. Анализ существующих игровых движков и их подходов к симуляции воды;
2. Выяснить, как делают реалистичную воду в видеоиграх
3. Узнать насколько возможно сделать реалистичную воду
4. Сгруппировать информацию об этом в буклетике
5. Сделать вывод

 

1. Плоскость с текстурой: Самый простой способ – использовать плоскость с анимированной текстурой воды. Подходит для стилизованных проектов или случаев, где взаимодействие с водой не требуется. Можно добавить эффекты отражения и преломления с помощью шейдеров.
2. Particle System: Для создания эффектов брызг, водопадов или фонтанов подходит система частиц. Можно настроить форму, размер, цвет и движение частиц, чтобы имитировать различные водные эффекты.
3. Shader Graph: Позволяет создавать реалистичные водные поверхности с помощью нодовых шейдеров. Можно настроить волны, отражения, преломления, пену и другие эффекты. Этот подход обеспечивает хороший баланс между визуальным качеством и производительностью.
4. Crest Ocean System (платный ассет): Обеспечивает высококачественную симуляцию океана с реалистичными волнами, отражениями, плавучестью и взаимодействием с объектами. Подходит для проектов, где вода играет ключевую роль.
5. Ceto Ocean (платный ассет): Еще один мощный инструмент для симуляции океана с поддержкой различных функций, таких как динамические волны, подводный рендеринг и взаимодействие с персонажами.
6. ProBuilder: С помощью ProBuilder можно создавать простые формы воды и настраивать их с помощью материалов и шейдеров.

1. Niagara (система частиц): Niagara позволяет создавать впечатляющие визуальные эффекты, включая брызги, водопады, пену и другие водные явления. Однако, Niagara в основном сфокусирован на визуальной составляющей, а не на точной физической симуляции.
2. Water System: Встроенная система симуляции воды в Unreal Engine. Она предоставляет базовые возможности для создания водоемов, волн и взаимодействия с объектами. Эта система достаточно проста в использовании, но имеет ограничения по реализму.
3. Ocean Plugin: Специальный плагин для создания реалистичных океанов. Он учитывает такие факторы, как волны, течение, плавучесть и взаимодействие с ветром. Ocean Plugin обеспечивает высокое качество визуализации и более точную физическую симуляцию, чем Water System.
4. Fluid Flux: Новый инструмент для симуляции жидкостей, включая воду. Fluid Flux предлагает более продвинутые возможности для создания реалистичных взаимодействий жидкости с окружением, но требует более глубокого понимания настроек и более ресурсоемок.
5. Шейдеры: Как и в Unity, шейдеры играют важную роль в создании реалистичного вида воды. Они отвечают за отражения, преломления, цвет и другие визуальные характеристики.

1. Flow Graph: Визуальный инструмент для создания и настройки различных игровых систем, включая воду. Позволяет контролировать параметры течения, волн, пены и других эффектов.
2. Физическая симуляция: CryEngine использует физический движок для симуляции взаимодействия воды с объектами и окружающей средой. Это позволяет создавать реалистичные эффекты плавучести, сопротивления и брызг.
3. Tessellation: Технология, позволяющая динамически увеличивать детализацию поверхности воды в зависимости от расстояния до камеры. Это позволяет создавать более реалистичные волны и рябь на близком расстоянии.
4. Шейдеры: Специализированные шейдеры используются для создания реалистичного вида воды, включая отражения, преломления и subsurface scattering.
5. Динамические текстуры: Анимированные текстуры используются для создания эффекта движения воды и волн.

Идеальная симуляция воды в игре должна учитывать следующие физические явления:

1. Гидродинамика: Движение воды описывается уравнениями Навье-Стокса. Эти уравнения крайне сложны для решения в реальном времени, поэтому в играх используются упрощенные модели, например, волновое уравнение или методы, основанные на частицах (SPH - Smoothed Particle Hydrodynamics).
2. Поверхностное натяжение: Влияет на форму капель и взаимодействие воды с другими поверхностями. В играх это часто симулируется с помощью шейдеров или специальных алгоритмов.
3. Вязкость: Определяет сопротивление воды течению. В играх вязкость обычно моделируется упрощенно, например, с помощью коэффициента затухания.
4. Плавучесть: Сила Архимеда, действующая на объекты, погруженные в воду. В Unity плавучесть можно реализовать с помощью Rigidbody и скриптов.
5. Сопротивление: Сила, противодействующая движению объектов в воде. Также реализуется через Rigidbody и скрипты.
6. Отражение и преломление света: Вода отражает и преломляет свет, что создает характерные визуальные эффекты. В играх это реализуется с помощью шейдеров.
7. Взаимодействие с другими объектами: Вода должна взаимодействовать с другими объектами в сцене, например, создавать брызги при столкновении или изменять свою форму под воздействием сил.

 

Полностью реалистичная симуляция воды в видеоиграх, основанная на всех законах физики, в настоящее время недостижима в реальном времени. Хотя игровые движки постоянно развиваются и предлагают все более сложные методы симуляции, вычислительная мощность, необходимая для точного моделирования поведения воды, остается слишком высокой для современных компьютеров и консолей.

Сейчас я перечислю причины из-за чего — это невозможно:

1. Уравнения Навье-Стокса: Эти уравнения, описывающие движение жидкости, чрезвычайно сложны для решения, особенно для турбулентных потоков, которые характерны для воды. Даже суперкомпьютерам требуется значительное время для решения этих уравнений для относительно небольших объемов воды.
2. Взаимодействие с другими объектами: Моделирование взаимодействия воды с каждым объектом в сцене (например, капли, брызги, изменение формы воды под воздействием объектов) требует огромных вычислительных ресурсов.
3. Масштаб: Реалистичная симуляция большого объема воды, например, океана или озера, представляет собой еще большую вычислительную задачу.
4. Производительность в реальном времени: Игры должны работать с определенной частотой кадров (обычно 30 или 60 кадров в секунду). Полная симуляция воды потребовала бы слишком много времени для расчета каждого кадра, делая игру не грабельной.

Вместо полной симуляции разработчики используют различные компромиссы и упрощения:

1. Упрощенные модели: Вместо уравнений Навье-Стокса используются более простые модели, которые аппроксимируют поведение воды.
2. Дискретизация: Вода представляется в виде сетки или частиц, что упрощает расчеты, но вносит погрешность в симуляцию.
3. Предварительный расчет: Некоторые эффекты, такие как волны или течения, могут быть предварительно рассчитаны и затем воспроизведены в игре.
4. Визуальные эффекты: Шейдеры и другие визуальные эффекты используются для создания иллюзии реалистичной воды, даже если физическая симуляция упрощена.

 

В ходе индивидуального исследовательского проекта по физике "Физика воды в играх" ученик 9 класса определил какое будущее реалистичной воды:
С развитием технологий, таких как более мощные процессоры и графические карты, а также новые алгоритмы симуляции, реалистичность воды в видеоиграх будет постоянно улучшаться. Возможно, в будущем появятся методы, позволяющие более точно моделировать поведение воды в реальном времени. Однако, полностью реалистичная симуляция, основанная на всех законах физики, скорее всего, останется недостижимой целью еще на какое-то время.

1. Unity Documentation. Water in Unity https://docs.unity3d.com/ru/2018.4/Manual/HOWTO-Water.html
2. Unreal Engine. Water System https://dev.epicgames.com/documentation/en-us/unreal-engine/water-system-in-unreal-engine
3. CryEngine. Physics https://www.cryengine.com/features/view/physics
4. Гидродинамика https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0
5. Википедия. Статья об Уравнения Навье — Стокса https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D0%9D%D0%B0%D0%B2%D1%8C%D0%B5_%E2%80%94_%D0%A1%D1%82%D0%BE%D0%BA%D1%81%D0%B0
6. Википедия. Вязкость https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%8F%D0%B7%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C
7. Википедия. Плавучесть https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C
8. Закон преломления и отражения света https://light-fizika.ru/index.php/11-klass?layout=edit&id=145