Fisika Game: Penyelaman Mendalam ke Deteksi Tabrakan

Deteksi tabrakan adalah landasan dari gameplay yang realistis dan menarik dalam video game. Ini adalah proses untuk menentukan kapan dua atau lebih objek game bersinggungan atau bersentuhan satu sama lain. Deteksi tabrakan yang akurat dan efisien sangat penting untuk mensimulasikan interaksi fisik, mencegah objek menembus satu sama lain, dan memicu peristiwa game. Artikel ini memberikan gambaran komprehensif tentang teknik deteksi tabrakan, strategi optimisasi, dan pertimbangan implementasi untuk para pengembang game di seluruh dunia.

Mengapa Deteksi Tabrakan Penting?

Deteksi tabrakan sangat fundamental untuk berbagai macam mekanik gameplay:

• Interaksi Fisik: Mensimulasikan tabrakan realistis antara objek, seperti bola yang memantul dari dinding atau dua mobil yang saling bertabrakan.
• Pergerakan Karakter: Mencegah karakter berjalan menembus dinding, lantai, atau objek padat lainnya.
• Sistem Kerusakan dan Kesehatan: Mendeteksi ketika proyektil mengenai musuh atau ketika karakter menginjak jebakan.
• Memicu Peristiwa: Memulai peristiwa ketika objek bertabrakan, seperti membuka pintu ketika karakter cukup dekat atau mengaktifkan power-up.
• Navigasi AI: Membantu agen AI menavigasi dunia game dengan menghindari rintangan.

Tanpa deteksi tabrakan yang kuat, game akan terasa tidak realistis, penuh bug, dan membuat pemain frustrasi. Hal ini memungkinkan simulasi yang dapat dipercaya, putaran gameplay yang menarik, dan interaksi yang responsif di dalam dunia game. Sistem tabrakan yang diimplementasikan dengan baik secara signifikan meningkatkan kualitas dan imersi keseluruhan dari game tersebut.

Konsep Dasar

Sebelum mendalami algoritma spesifik, mari kita definisikan beberapa konsep fundamental:

• Objek Game: Entitas di dalam dunia game, seperti karakter, musuh, proyektil, dan objek lingkungan.
• Bentuk Tabrakan (Collision Shapes): Representasi geometris yang disederhanakan dari objek game yang digunakan untuk deteksi tabrakan. Bentuk umum meliputi:
  • Axis-Aligned Bounding Boxes (AABB): Persegi panjang (dalam 2D) atau prisma persegi panjang (dalam 3D) yang sejajar dengan sumbu koordinat.
  • Oriented Bounding Boxes (OBB): Persegi panjang atau prisma persegi panjang yang dapat diorientasikan pada sudut mana pun.
  • Bola (Spheres): Sederhana dan efisien untuk deteksi tabrakan.
  • Kapsul: Berguna untuk merepresentasikan karakter dan objek memanjang lainnya.
  • Selubung Konveks (Convex Hulls): Poligon atau polihedron konveks terkecil yang berisi sekumpulan titik.
  • Poligon/Polihedra: Bentuk yang lebih kompleks yang dapat secara akurat merepresentasikan geometri objek game.
• Pasangan Tabrakan: Dua objek game yang sedang diuji untuk tabrakan.
• Titik Tabrakan: Titik di mana dua objek bersentuhan.
• Normal Tabrakan: Vektor yang tegak lurus dengan permukaan di titik tabrakan, menunjukkan arah gaya tabrakan.
• Kedalaman Penetrasi: Jarak tumpang tindih antara dua objek.

Pipeline Deteksi Tabrakan

Deteksi tabrakan biasanya dilakukan dalam dua fase:

1. Fase Luas (Broad Phase)

Fase luas bertujuan untuk dengan cepat mempersempit jumlah pasangan tabrakan potensial dengan menghilangkan pasangan yang jelas-jelas tidak bertabrakan. Hal ini dilakukan dengan menggunakan representasi tabrakan yang disederhanakan dan algoritma yang efisien. Tujuannya adalah untuk mengurangi jumlah pasangan tabrakan yang perlu diuji dalam fase sempit yang lebih mahal secara komputasi.

Teknik fase luas yang umum meliputi:

• Uji Tumpang Tindih Axis-Aligned Bounding Box (AABB): Ini adalah teknik fase luas yang paling umum dan efisien. Setiap objek dilingkupi dalam AABB, dan AABB tersebut diuji untuk tumpang tindih. Jika AABB tidak tumpang tindih, objek tersebut tidak mungkin bertabrakan.
• Partisi Spasial: Membagi dunia game menjadi wilayah-wilayah yang lebih kecil dan hanya menguji objek-objek dalam wilayah yang sama untuk tabrakan. Teknik partisi spasial yang umum meliputi:
  • Grid: Membagi dunia menjadi grid sel yang seragam.
  • Quadtree/Octree: Struktur pohon hierarkis yang secara rekursif membagi dunia menjadi wilayah-wilayah yang lebih kecil.
  • Bounding Volume Hierarchy (BVH): Struktur pohon di mana setiap node mewakili volume pembatas yang melingkupi sekumpulan objek.

Contoh: Menggunakan tumpang tindih AABB di platformer 2D. Bayangkan sebuah game platformer yang dikembangkan di Brasil. Sebelum memeriksa apakah karakter pemain bertabrakan dengan platform tertentu, game pertama-tama memeriksa apakah AABB mereka tumpang tindih. Jika AABB tidak bersinggungan, game tahu tidak ada tabrakan dan melewati pemeriksaan yang lebih presisi (dan mahal secara komputasi).

2. Fase Sempit (Narrow Phase)

Fase sempit melakukan deteksi tabrakan yang lebih presisi pada pasangan tabrakan yang diidentifikasi dalam fase luas. Ini melibatkan penggunaan bentuk dan algoritma tabrakan yang lebih kompleks untuk menentukan apakah objek benar-benar bertabrakan dan untuk menghitung titik tabrakan, normal, dan kedalaman penetrasi.

Teknik fase sempit yang umum meliputi:

• Separating Axis Theorem (SAT): Algoritma yang kuat untuk mendeteksi tabrakan antara poligon atau polihedra konveks. Ia bekerja dengan memproyeksikan objek ke serangkaian sumbu dan memeriksa tumpang tindih. Jika ada sumbu pemisah (sumbu di mana proyeksi tidak tumpang tindih), maka objek tidak bertabrakan.
• Uji Titik-Poligon/Polihedron: Menentukan apakah sebuah titik berada di dalam poligon atau polihedron. Ini berguna untuk deteksi tabrakan antara partikel dan geometri statis.
• Algoritma GJK (Gilbert-Johnson-Keerthi): Sebuah algoritma untuk menghitung jarak antara dua bentuk konveks. Ini juga dapat digunakan untuk mendeteksi tabrakan.
• Ray Casting: Mengirimkan sinar dari satu objek ke objek lain dan memeriksa apakah itu bersinggungan dengan geometri apa pun. Ini berguna untuk mensimulasikan proyektil dan perhitungan garis pandang.

Contoh: Menggunakan SAT di game pertarungan yang dikembangkan di Jepang. Sebuah game pertarungan memerlukan deteksi tabrakan yang presisi untuk mendaftarkan pukulan secara akurat. Game tersebut menggunakan Separating Axis Theorem (SAT) untuk menentukan apakah pukulan karakter terhubung dengan lawan. Dengan memproyeksikan kepalan tangan karakter dan tubuh lawan ke berbagai sumbu, game dapat menentukan apakah tabrakan telah terjadi, bahkan dengan animasi karakter yang kompleks.

Algoritma Deteksi Tabrakan secara Rinci

1. Uji Tumpang Tindih Axis-Aligned Bounding Box (AABB)

Uji tumpang tindih AABB adalah algoritma deteksi tabrakan yang paling sederhana dan paling efisien. AABB adalah persegi panjang (dalam 2D) atau prisma persegi panjang (dalam 3D) yang sejajar dengan sumbu koordinat. Untuk menguji apakah dua AABB tumpang tindih, Anda cukup memeriksa apakah jangkauan mereka tumpang tindih di setiap sumbu.

Algoritma (2D):

function AABBOverlap(aabb1, aabb2):
  if (aabb1.minX > aabb2.maxX) or (aabb1.maxX < aabb2.minX):
    return false // Tidak ada tumpang tindih di sumbu X
  if (aabb1.minY > aabb2.maxY) or (aabb1.maxY < aabb2.minY):
    return false // Tidak ada tumpang tindih di sumbu Y
  return true // Tumpang tindih di kedua sumbu

Kelebihan:

• Sederhana dan efisien untuk diimplementasikan.
• Cocok untuk deteksi tabrakan fase luas.

Kekurangan:

• Tidak terlalu akurat untuk bentuk yang kompleks.
• Dapat menghasilkan positif palsu jika objek tidak dilingkupi dengan rapat oleh AABB mereka.

2. Separating Axis Theorem (SAT)

Separating Axis Theorem (SAT) adalah algoritma yang kuat untuk mendeteksi tabrakan antara poligon atau polihedra konveks. Teorema ini menyatakan bahwa dua objek konveks tidak bertabrakan jika ada garis (dalam 2D) atau bidang (dalam 3D) sedemikian rupa sehingga proyeksi objek ke garis atau bidang tersebut tidak tumpang tindih.

Algoritma (2D):

1. Untuk setiap sisi dari kedua poligon, hitung vektor normal (vektor yang tegak lurus terhadap sisi).
2. Untuk setiap vektor normal (sumbu pemisah):
   • Proyeksikan kedua poligon ke vektor normal.
   • Periksa apakah proyeksi tumpang tindih. Jika tidak tumpang tindih, maka poligon tidak bertabrakan.
3. Jika semua proyeksi tumpang tindih, maka poligon bertabrakan.

Kelebihan:

• Deteksi tabrakan yang akurat untuk bentuk konveks.
• Dapat menghitung titik tabrakan, normal, dan kedalaman penetrasi.

Kekurangan:

• Lebih kompleks untuk diimplementasikan daripada tumpang tindih AABB.
• Bisa jadi mahal secara komputasi untuk bentuk kompleks dengan banyak sisi.
• Hanya berfungsi untuk bentuk konveks.

3. Algoritma GJK (Gilbert-Johnson-Keerthi)

Algoritma GJK adalah algoritma untuk menghitung jarak antara dua bentuk konveks. Ini juga dapat digunakan untuk mendeteksi tabrakan dengan memeriksa apakah jaraknya nol. Algoritma GJK bekerja dengan secara iteratif menemukan titik terdekat pada selisih Minkowski dari dua bentuk ke titik asal. Selisih Minkowski dari dua bentuk A dan B didefinisikan sebagai A - B = {a - b | a ∈ A, b ∈ B}.

Kelebihan:

• Dapat menangani berbagai macam bentuk konveks.
• Relatif efisien.

Kekurangan:

• Lebih kompleks untuk diimplementasikan daripada tumpang tindih AABB.
• Bisa sensitif terhadap kesalahan numerik.

Teknik Optimisasi

Deteksi tabrakan bisa menjadi proses yang mahal secara komputasi, terutama dalam game dengan banyak objek. Oleh karena itu, penting untuk menggunakan teknik optimisasi untuk meningkatkan performa.

• Deteksi Tabrakan Fase Luas: Seperti yang disebutkan sebelumnya, fase luas mengurangi jumlah pasangan tabrakan yang perlu diuji dalam fase sempit.
• Bounding Volume Hierarchies (BVHs): BVH adalah struktur pohon yang secara rekursif membagi dunia game menjadi wilayah-wilayah yang lebih kecil. Ini memungkinkan Anda untuk dengan cepat mengabaikan sebagian besar dunia dari deteksi tabrakan.
• Partisi Spasial: Membagi dunia game menjadi wilayah-wilayah yang lebih kecil (misalnya, menggunakan grid atau quadtree) dan hanya menguji objek-objek dalam wilayah yang sama untuk tabrakan.
• Caching Tabrakan: Menyimpan hasil tes deteksi tabrakan dan menggunakannya kembali di frame berikutnya jika objek tidak bergerak secara signifikan.
• Paralelisasi: Mendistribusikan beban kerja deteksi tabrakan ke beberapa inti CPU.
• Menggunakan Instruksi SIMD (Single Instruction, Multiple Data): Instruksi SIMD memungkinkan Anda melakukan operasi yang sama pada beberapa titik data secara bersamaan. Ini dapat secara signifikan mempercepat perhitungan deteksi tabrakan.
• Mengurangi Jumlah Bentuk Tabrakan: Menggunakan bentuk tabrakan yang lebih sederhana atau menggabungkan beberapa bentuk tabrakan menjadi satu bentuk dapat mengurangi kompleksitas deteksi tabrakan.
• Manajemen Status Tidur (Sleep State): Objek yang diam tidak memerlukan pemeriksaan tabrakan terus-menerus. Sistem status tidur dapat mencegah komputasi yang tidak perlu.

Contoh: Menggunakan Quadtree dalam game Real-Time Strategy (RTS) yang dikembangkan di Korea Selatan. Game RTS sering menampilkan ratusan atau ribuan unit di layar secara bersamaan. Untuk mengelola beban komputasi deteksi tabrakan, game menggunakan quadtree untuk membagi peta game menjadi wilayah yang lebih kecil. Hanya unit dalam node quadtree yang sama yang perlu diperiksa untuk tabrakan, secara signifikan mengurangi jumlah pemeriksaan tabrakan yang dilakukan per frame.

Pertimbangan Implementasi Praktis

Saat mengimplementasikan deteksi tabrakan dalam game, ada beberapa pertimbangan praktis yang perlu diingat:

• Akurasi vs. Performa: Seringkali ada tarik-ulur antara akurasi dan performa. Algoritma deteksi tabrakan yang lebih akurat biasanya lebih mahal secara komputasi. Anda perlu memilih algoritma yang memberikan tingkat akurasi yang dapat diterima sambil mempertahankan frame rate yang wajar.
• Pemilihan Bentuk Tabrakan: Memilih bentuk tabrakan yang tepat untuk objek game Anda penting untuk akurasi dan performa. Bentuk yang lebih sederhana (misalnya, AABB, bola) lebih cepat untuk diuji tabrakannya, tetapi mungkin tidak secara akurat merepresentasikan geometri objek. Bentuk yang lebih kompleks (misalnya, selubung konveks, poligon) lebih akurat, tetapi juga lebih mahal secara komputasi.
• Respons Tabrakan: Setelah tabrakan terdeteksi, Anda perlu menangani respons tabrakan. Ini melibatkan perhitungan gaya dan torsi yang diterapkan pada objek sebagai akibat dari tabrakan.
• Stabilitas Numerik: Algoritma deteksi tabrakan bisa sensitif terhadap kesalahan numerik, terutama saat berurusan dengan angka floating-point. Penting untuk menggunakan teknik untuk meningkatkan stabilitas numerik, seperti menggunakan angka floating-point presisi ganda atau menggunakan aritmetika titik-tetap.
• Integrasi dengan Mesin Fisika: Sebagian besar mesin game menyediakan mesin fisika bawaan yang menangani deteksi dan respons tabrakan. Menggunakan mesin fisika dapat menyederhanakan proses pengembangan dan meningkatkan realisme game Anda. Pilihan populer termasuk mesin fisika bawaan Unity, PhysX dari Unreal Engine, dan mesin sumber terbuka seperti Bullet Physics Library.
• Kasus-kasus Khusus (Edge Cases): Selalu pertimbangkan kasus-kasus khusus saat merancang deteksi tabrakan. Pastikan sistem Anda menangani objek yang bergerak cepat, masalah tunneling (objek melewati satu sama lain karena kecepatan tinggi), dan objek yang tumpang tindih dengan baik.

Respons Tabrakan

Deteksi tabrakan hanyalah setengah dari pertempuran; respons tabrakan menentukan apa yang terjadi *setelah* tabrakan terdeteksi. Ini adalah bagian penting dalam menciptakan simulasi fisika yang dapat dipercaya. Elemen kunci dari respons tabrakan meliputi:

• Menghitung Impuls: Impuls adalah gaya besar yang diterapkan untuk durasi singkat, yang merepresentasikan perubahan momentum selama tabrakan. Besaran dan arah impuls tergantung pada massa objek yang bertabrakan, kecepatan mereka, dan koefisien restitusi (ukuran kebantalan).
• Menerapkan Gaya: Impuls yang dihitung diubah menjadi gaya yang diterapkan pada objek yang bertabrakan, mengubah kecepatan mereka.
• Menyelesaikan Penetrasi: Jika algoritma deteksi tabrakan memungkinkan objek untuk sedikit menembus, resolusi penetrasi memisahkan mereka untuk menghilangkan tumpang tindih. Ini dapat melibatkan translasi objek di sepanjang normal tabrakan.
• Gesekan: Mensimulasikan gesekan antara permukaan yang bertabrakan dapat menambah realisme. Gesekan statis mencegah objek meluncur sampai ambang batas gaya tertentu tercapai, sementara gesekan kinetik menentang gerakan setelah meluncur dimulai.
• Efek Suara dan Visual: Memicu efek suara (misalnya, tabrakan) dan efek visual (misalnya, percikan api) dapat meningkatkan pengalaman pemain dan memberikan umpan balik tentang tabrakan.

Contoh: Respons tabrakan dalam game balap yang dikembangkan di Inggris. Dalam game balap, mensimulasikan tabrakan antar mobil secara akurat sangat penting untuk pengalaman yang realistis. Ketika dua mobil bertabrakan, game menghitung impuls berdasarkan kecepatan dan massa mereka. Impuls ini kemudian digunakan untuk menerapkan gaya yang mengubah kecepatan mobil, menyebabkan mereka memantul satu sama lain. Game juga menyelesaikan setiap penetrasi untuk mencegah mobil terjebak di dalam satu sama lain. Selain itu, gesekan disimulasikan untuk menciptakan kontak ban-ke-tanah yang realistis, yang memengaruhi penanganan dan stabilitas.

Teknik Tingkat Lanjut

Untuk aplikasi tingkat lanjut, pertimbangkan teknik-teknik ini:

• Model Tabrakan yang Dapat Berubah Bentuk: Untuk mensimulasikan fisika benda lunak, seperti kain atau cairan. Model-model ini memerlukan daya pemrosesan yang jauh lebih banyak tetapi dapat menciptakan simulasi yang jauh lebih realistis.
• Ruang Non-Euclidean: Beberapa game dan simulasi mungkin berlangsung di ruang non-Euclidean. Deteksi dan respons tabrakan di ruang-ruang ini memerlukan teknik khusus.
• Integrasi Umpan Balik Haptik: Menambahkan perangkat umpan balik gaya ke dalam campuran dapat secara dramatis meningkatkan imersi. Data tabrakan yang presisi diperlukan untuk menghasilkan gaya yang realistis.

Kesimpulan

Deteksi tabrakan adalah aspek fundamental dari fisika game yang memainkan peran penting dalam menciptakan pengalaman gameplay yang realistis dan menarik. Dengan memahami konsep dasar, algoritma, dan teknik optimisasi yang dibahas dalam artikel ini, pengembang game dapat mengimplementasikan sistem deteksi tabrakan yang kuat dan efisien yang meningkatkan kualitas dan imersi game mereka. Ingatlah bahwa pendekatan terbaik seringkali melibatkan kombinasi teknik yang disesuaikan dengan kebutuhan spesifik proyek Anda. Seiring dunia game menjadi semakin kompleks, menguasai deteksi tabrakan menjadi semakin penting untuk menciptakan pengalaman yang benar-benar dapat dipercaya dan interaktif bagi pemain di seluruh dunia. Jangan takut untuk bereksperimen dengan metode yang berbeda dan menyempurnakan sistem Anda untuk mencapai keseimbangan optimal antara akurasi, performa, dan nuansa gameplay.