Что такое рэгдолл-физика и как её применяют в играх

Замечали когда-нибудь, как персонаж какой-нибудь видеоигры после смерти неловко падает на пол, а его конечности при этом неестественно выворачиваются в разные стороны? Это демонстрация рэгдолл-физики. Эта технология активно используется в играх, чтобы добавить движениям персонажей хаотичности — возможно, даже комичности. Или же, наоборот, чтобы добиться более реалистичного эффекта.

В этой статье мы рассмотрим принципы работы рэгдолл-физики, а также расскажем, какие решения используются для её применения, и приведём примеры её реализации.

Что такое рэгдолл-физика

Рэгдолл-физика (от англ. ragdoll physics) — это один из видов процедурной анимации в компьютерной графике, с помощью которого можно создавать реалистичные движения персонажа или моделировать их динамику с учётом реальной физики (например, в случае гибели персонажа или потери его контроля над телом). Для создания нужного эффекта каждой части модели задаются определённые физические свойства — такие как вес, реакция на гравитацию, импульс и поведение при столкновении с другими объектами.

Впервые рэгдолл-физика появилась в приключенческом экшене от первого лица Jurassic Park: Trespasser 1998 года. И хотя игра не снискала большого успеха, в ней были революционные для того времени механики взаимодействия с предметами и окружением, основанные на физике.

К тому же в движениях главной героини и динозавров использовалась инверсная кинематика. За счёт этой технологии конечности рига, принадлежащего персонажу, могли двигаться целиком, а не отдельными сегментами. Кроме того, к частям тела применялась физическая симуляция, благодаря чему движения по меркам конца 1990-х годов выглядели органичными. Кстати, то, как игрок манипулировал предметами и оружием, вызывает ассоциации с современными VR-играми, где взаимодействие с разными объектами основано на реалистичной физике.

В дальнейшем технологию начали активно использовать и в других играх: достаточно вспомнить, как падали погибшие враги и NPC в Half-Life, как Агент 47 перетаскивал тела своих жертв в серии Hitman и как модельки бандитов в Max Payne отправлялись в полёт после взрыва гранаты… Рэгдолл-физику активно используют и в современных играх, причём не только для визуализации мёртвых тел, но и для того, чтобы доработать другие анимации персонажей.

Как работает рэгдолл-физика

В зависимости от ПО или движка процесс настройки рэгдолл-физики различается, хотя общие принципы схожи. За реализацию технологии в играх отвечает физический движок — программный компонент, который воссоздаёт такие явления, как гравитация, столкновение объектов и сила притяжения.

Сейчас в сфере разработки игр существует много физических движков — например Box2D, Havok и Nvidia PhysX. У каждого свои особенности, преимущества и ограничения. В игровых движках, как правило, уже есть встроенные технологии для настройки физики — например, Chaos в Unreal Engine 5 или Nvidia PhysX в Unity. Тем не менее разработчик всегда может интегрировать альтернативные решения с помощью плагинов или скриптов.

Чтобы перенести свойства «тряпичной куклы» на персонажа, необходимо создать специальный объект — твёрдое тело (известный также как rigid body), а также особые соединения, позволяющие совместить несколько твёрдых тел, — джойнты (joints). Каждое твёрдое тело соответствует определённому сегменту модели — скажем, руке, ноге, голове или туловищу. В свою очередь, джойнты определяют диапазон и принцип движения между двумя твёрдыми телами. Иными словами, конечность может болтаться в рамках определённого радиуса или растягиваться по принципу пружины.

Затем твёрдым телам задаётся форма, масса и свойства для столкновений, а также положение и ориентация в пространстве и ограничения джойнтов. Всё это можно сделать в программах для 3D-моделирования (в Blender, Maya и других) или уже непосредственно в игровом движке.

Рэгдолл-физика и инверсная кинематика

Сейчас разработчики активно совмещают рэгдолл-физику с заранее подготовленными анимациями, основанными на инверсной кинематике. За счёт этого создаётся имитация более реалистичных движений и взаимодействий с окружением. Пример такого смешения можно наблюдать в GTA 5, Red Dead Redemption 2, сериях Call of Duty, Uncharted и других. В них, скажем, при падении или гибели персонажа запускается готовая анимация, которая плавно переходит в процедурную. В результате тела могут перекатываться по поверхности и падать с высоты, размахивая конечностями в воздухе.

Рэгдолл-физика может применяться и к определённым участкам тела. В этом случае стандартная анимация перестаёт работать, и тогда за движение отвечает только физика. Всё зависит от того, какого результата необходимо достичь в итоге. Такой подход, к примеру, вполне подойдёт для ситуаций, когда персонаж ранен и не может идти самостоятельно, лишь опираться на напарников, несущих его. Тогда можно задать определённые параметры ногам, и они будут волочиться по земле. Но в таких случаях важно отслеживать ограничения и физические свойства, чтобы избежать неестественно вывернутых и болтающихся конечностей.

Также рэгдолл-физика используется для балансирования готовой анимации на определённой поверхности. Наверняка вы замечали в играх моменты, когда персонаж опирался ногой о камень или ступеньку лестницы. Такой подход усиливает реализм и экономит время аниматоров.

Рэгдолл-физика как основа геймплея

​Учитывая, что разработчики создают массу интересных решений, внедряя физику в игры, «тряпичность» персонажей вполне может стать ключевой механикой. Вот несколько проектов, где подобная технология играет важную роль.

Garry’s Mod

Знаменитая песочница, где можно проводить различные эксперименты, превращая игру в творческую лабораторию с неограниченными возможностями. В Garry’s Mod даже есть особенный инструмент — физическая пушка, которой можно буквально хватать и швырять модели, а также придавать им различные позы.

Серия Goat Simulator

Ещё одна песочница, где можно, управляя козлом, создать много забавных ситуаций, порой доходящих до абсурда. Например, бодать всё, что движется, включая местных жителей, и устраивать полный хаос. Или цепляться языком за движущиеся объекты и волочиться таким образом по земле. На этих механиках завязаны некоторые задания в игре.

Party Animals

Духовная наследница Gang Beasts — мультиплеерная игра с милыми зверятами в главной роли. Сетевые потасовки сводятся к попыткам игроков удержаться на арене: для этого можно использовать различный реквизит для обороны в дальнем и ближнем бою — и тем самым кардинально менять ход матчей. Благодаря рэгдолл-анимации сложно предугадать, что случится через пару секунд, ведь нужно ещё как-то доковылять до противника, не споткнуться и не упасть. Именно из-за рэгдолл-физики в Party Animals постоянно возникает множество комичных ситуаций.

Super Bunny Man

Платформер, где нужно играть за персонажа в костюме кролика, собирать морковки и преодолевать различные препятствия. За счёт рэгдолл-физики выполнять прыжки, перекаты и захваты совсем непросто. А в кооперативе, который поддерживает до четырёх человек, испытания становится проходить не только сложнее, но и веселее.

Guts and Glory

Безумные заезды в духе Happy Wheels, но от третьего лица. Испытания в Guts and Glory достаточно экстремальные, и столкновений с препятствиями избежать очень сложно. Рэгдолл-физика демонстрирует игроку последствия неудачных заездов: тела вылетают из транспорта и лишаются конечностей, тем самым показывая результат, к которому привела его оплошность.

Плюсы использования рэгдолл-физики в играх

• Реализм. Возможность комбинировать обычные анимации с физикой придаёт движениям правдоподобность и позволяет персонажам более органично взаимодействовать с окружением.
• Экономия времени аниматоров. Все расчёты физических процессов происходят автоматически в реальном времени. В результате специалисту не нужно создавать наборы движений для падения, получения удара или гибели персонажа.
• Такая физика может стать ключевым элементом в геймдизайне. Геймплей, основанный на рэгдолл-физике, получается динамичным, непредсказуемым (невозможно предугадать поведение тел в тех или иных условиях) и, конечно же, весёлым.
• Универсальность. Технология будет уместна практически во всех жанрах, начиная от шутеров, где тела врагов разлетаются под воздействием взрывной волны, и заканчивая головоломками, где управление персонажами усложняется из-за физики, как в Human Fall Flat.
• Нет проблем с интеграцией. В популярных движках есть готовые решения, но если они не подходят, то можно воспользоваться дополнительными плагинами.

Минусы использования рэгдолл-физики в играх

• Требует определённых технических знаний. В каждом игровом движке и программах для 3D-моделирования есть свои нюансы работы с твёрдыми телами. Поэтому, скорее всего, специалисту придётся искать неочевидные решения в официальных документациях или на форумах разработчиков.
  К тому же настройка смешанных анимаций требует тестирования и множества правок для того, чтобы можно было достичь идеального эффекта. Не говоря уже о том, что необходимо вводить ограничения, призванные стабилизировать вращения и движения твёрдых тел. В противном случае можно столкнуться с нежелательным комическим эффектом, когда конечности персонажа начнут выворачиваться в разные стороны.
• Возможны проблемы с производительностью (в масштабных сценах). Расчёты физики нагружают центральный процессор, и при большом количестве твёрдых тел на слабых системах не исключены проблемы с частотой кадров. Особенно это касается игр на мобильных платформах.

Итог

Рэгдолл-физика — многогранный инструмент для реализации творческих задумок разработчиков. Сейчас её можно встретить практически в каждой игре: технология помогает усилить реализм и может стать интересным решением, которое позволит добиться разнообразия механик и создать запоминающийся игровой опыт.

Если правильно интегрировать технологию в игру, рэгдолл-физика вполне может стать её визитной карточкой. И хотя она требует определённых навыков и ресурсов, её возможности вполне могут оправдать затраты. Ведь в современной индустрии, где ценится как реализм, так и нетривиальный подход к созданию геймплея, эффект «тряпичной куклы» не утратит своей актуальности.