M

MLOG

ไทย

สำรวจแนวคิดพื้นฐานของการตรวจจับการชนในฟิสิกส์ของเกม ครอบคลุมอัลกอริทึม เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพ และข้อควรพิจารณาในการนำไปใช้จริงสำหรับนักพัฒนาเกมทั่วโลก

ฟิสิกส์ในเกม: เจาะลึกการตรวจจับการชน

การตรวจจับการชนเป็นรากฐานสำคัญของเกมเพลย์ที่สมจริงและน่าดึงดูดใจในวิดีโอเกม มันคือกระบวนการในการพิจารณาว่าเมื่อใดที่วัตถุในเกมตั้งแต่สองชิ้นขึ้นไปตัดกันหรือสัมผัสกัน การตรวจจับการชนที่แม่นยำและมีประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการจำลองปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพ การป้องกันไม่ให้วัตถุทะลุผ่านกัน และการกระตุ้นเหตุการณ์ในเกม บทความนี้ให้ภาพรวมที่ครอบคลุมเกี่ยวกับเทคนิคการตรวจจับการชน กลยุทธ์การเพิ่มประสิทธิภาพ และข้อควรพิจารณาในการนำไปใช้สำหรับนักพัฒนาเกมทั่วโลก

เหตุใดการตรวจจับการชนจึงมีความสำคัญ?

การตรวจจับการชนเป็นพื้นฐานสำหรับกลไกการเล่นเกมที่หลากหลาย:

หากไม่มีการตรวจจับการชนที่แข็งแกร่ง เกมจะรู้สึกไม่สมจริง มีบั๊ก และน่าหงุดหงิดสำหรับผู้เล่น มันช่วยให้เกิดการจำลองที่น่าเชื่อถือ ลูปการเล่นเกมที่น่าดึงดูด และปฏิสัมพันธ์ที่ตอบสนองได้ดีภายในโลกของเกม ระบบการชนที่นำมาใช้อย่างดีจะช่วยเพิ่มคุณภาพโดยรวมและความดื่มด่ำของเกมได้อย่างมาก

แนวคิดพื้นฐาน

ก่อนที่จะเจาะลึกถึงอัลกอริทึมเฉพาะ เรามานิยามแนวคิดพื้นฐานบางอย่างกันก่อน:

ไปป์ไลน์การตรวจจับการชน

โดยทั่วไปแล้ว การตรวจจับการชนจะดำเนินการในสองระยะ:

1. ระยะกว้าง (Broad Phase)

ระยะกว้างมีเป้าหมายเพื่อคัดกรองคู่การชนที่เป็นไปได้ออกอย่างรวดเร็วโดยกำจัดคู่ที่เห็นได้ชัดว่าไม่ได้ชนกัน ซึ่งทำได้โดยใช้รูปทรงการชนแบบง่ายและอัลกอริทึมที่มีประสิทธิภาพ เป้าหมายคือเพื่อลดจำนวนคู่การชนที่ต้องทดสอบในระยะแคบซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูงกว่า

เทคนิคในระยะกว้างที่พบบ่อย ได้แก่:

ตัวอย่าง: การใช้ AABB overlap ในเกมแพลตฟอร์ม 2D ลองนึกภาพเกมแพลตฟอร์มที่พัฒนาในบราซิล ก่อนที่จะตรวจสอบว่าตัวละครของผู้เล่นกำลังชนกับแพลตฟอร์มใดแพลตฟอร์มหนึ่งหรือไม่ เกมจะตรวจสอบก่อนว่า AABB ของพวกมันทับซ้อนกันหรือไม่ หาก AABB ไม่ตัดกัน เกมจะรู้ว่าไม่มีการชนและข้ามการตรวจสอบที่แม่นยำกว่า (และใช้การคำนวณสูงกว่า) ไป

2. ระยะแคบ (Narrow Phase)

ระยะแคบจะทำการตรวจจับการชนที่แม่นยำยิ่งขึ้นกับคู่การชนที่ถูกระบุในระยะกว้าง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้รูปทรงการชนและอัลกอริทึมที่ซับซ้อนมากขึ้นเพื่อพิจารณาว่าวัตถุชนกันจริงหรือไม่ และเพื่อคำนวณจุดชน เวกเตอร์แนวฉาก และความลึกของการทะลุ

เทคนิคในระยะแคบที่พบบ่อย ได้แก่:

ตัวอย่าง: การใช้ SAT ในเกมต่อสู้ที่พัฒนาในญี่ปุ่น เกมต่อสู้ต้องการการตรวจจับการชนที่แม่นยำเพื่อบันทึกการโจมตีได้อย่างถูกต้อง เกมใช้ทฤษฎีบทแกนแบ่งแยก (SAT) เพื่อพิจารณาว่าหมัดของตัวละครสัมผัสกับคู่ต่อสู้หรือไม่ โดยการฉายภาพกำปั้นของตัวละครและร่างกายของคู่ต่อสู้ลงบนแกนต่างๆ เกมสามารถระบุได้ว่ามีการชนเกิดขึ้นหรือไม่ แม้จะมีการเคลื่อนไหวของตัวละครที่ซับซ้อนก็ตาม

รายละเอียดอัลกอริทึมการตรวจจับการชน

1. การทดสอบการทับซ้อนของกล่องขอบเขตแนวแกน (AABB)

การทดสอบการทับซ้อนของ AABB เป็นอัลกอริทึมการตรวจจับการชนที่ง่ายและมีประสิทธิภาพที่สุด AABB คือรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า (ใน 2D) หรือปริซึมสี่เหลี่ยม (ใน 3D) ที่จัดแนวตามแกนพิกัด ในการทดสอบว่า AABB สองอันทับซ้อนกันหรือไม่ คุณเพียงแค่ตรวจสอบว่าขอบเขตของมันทับซ้อนกันในแต่ละแกนหรือไม่

อัลกอริทึม (2D):


function AABBOverlap(aabb1, aabb2):
  if (aabb1.minX > aabb2.maxX) or (aabb1.maxX < aabb2.minX):
    return false // ไม่มีการทับซ้อนในแกน X
  if (aabb1.minY > aabb2.maxY) or (aabb1.maxY < aabb2.minY):
    return false // ไม่มีการทับซ้อนในแกน Y
  return true // มีการทับซ้อนในทั้งสองแกน

ข้อดี:

ข้อเสีย:

2. ทฤษฎีบทแกนแบ่งแยก (SAT)

ทฤษฎีบทแกนแบ่งแยก (SAT) เป็นอัลกอริทึมที่มีประสิทธิภาพสำหรับการตรวจจับการชนระหว่างรูปหลายเหลี่ยมนูนหรือทรงหลายหน้านูน ทฤษฎีบทระบุว่าวัตถุนูนสองชิ้นจะไม่ชนกันหากมีเส้น (ใน 2D) หรือระนาบ (ใน 3D) ที่การฉายภาพของวัตถุลงบนเส้นหรือระนาบนั้นไม่ทับซ้อนกัน

อัลกอริทึม (2D):

  1. สำหรับแต่ละด้านของรูปหลายเหลี่ยมทั้งสอง ให้คำนวณเวกเตอร์แนวฉาก (เวกเตอร์ที่ตั้งฉากกับด้านนั้น)
  2. สำหรับแต่ละเวกเตอร์แนวฉาก (แกนแบ่งแยก):
    • ฉายภาพรูปหลายเหลี่ยมทั้งสองลงบนเวกเตอร์แนวฉาก
    • ตรวจสอบว่าการฉายภาพทับซ้อนกันหรือไม่ หากไม่ทับซ้อนกัน แสดงว่ารูปหลายเหลี่ยมไม่ได้ชนกัน
  3. หากการฉายภาพทั้งหมดทับซ้อนกัน แสดงว่ารูปหลายเหลี่ยมกำลังชนกัน

ข้อดี:

ข้อเสีย:

3. อัลกอริทึม GJK (Gilbert-Johnson-Keerthi)

อัลกอริทึม GJK เป็นอัลกอริทึมสำหรับคำนวณระยะห่างระหว่างรูปทรงนูนสองรูป และยังสามารถใช้เพื่อตรวจจับการชนได้โดยการตรวจสอบว่าระยะห่างเป็นศูนย์หรือไม่ อัลกอริทึม GJK ทำงานโดยการค้นหาจุดที่ใกล้ที่สุดบนผลต่างมินคอฟสกี (Minkowski difference) ของรูปทรงทั้งสองไปยังจุดกำเนิดซ้ำๆ ผลต่างมินคอฟสกีของรูปทรง A และ B ถูกนิยามว่าเป็น A - B = {a - b | a ∈ A, b ∈ B}

ข้อดี:

ข้อเสีย:

เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพ

การตรวจจับการชนอาจเป็นกระบวนการที่ใช้ทรัพยากรในการคำนวณสูง โดยเฉพาะในเกมที่มีวัตถุจำนวนมาก ดังนั้น จึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องใช้เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ

ตัวอย่าง: การใช้ควอดทรีในเกมวางแผนแบบเรียลไทม์ (RTS) ที่พัฒนาในเกาหลีใต้ เกม RTS มักมีหน่วยรบหลายร้อยหรือหลายพันหน่วยบนหน้าจอพร้อมกัน เพื่อจัดการภาระการคำนวณของการตรวจจับการชน เกมจะใช้ควอดทรีเพื่อแบ่งแผนที่เกมออกเป็นส่วนย่อยๆ เฉพาะหน่วยที่อยู่ในโหนดควอดทรีเดียวกันเท่านั้นที่ต้องตรวจสอบการชน ซึ่งช่วยลดจำนวนการตรวจสอบการชนที่ทำต่อเฟรมได้อย่างมาก

ข้อควรพิจารณาในการนำไปใช้จริง

เมื่อนำการตรวจจับการชนไปใช้ในเกม มีข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติหลายประการที่ต้องคำนึงถึง:

การตอบสนองการชน

การตรวจจับการชนเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของงานเท่านั้น การตอบสนองการชนจะกำหนดว่าจะเกิดอะไรขึ้น *หลังจาก* ตรวจพบการชน นี่เป็นส่วนสำคัญในการสร้างการจำลองทางฟิสิกส์ที่น่าเชื่อถือ องค์ประกอบสำคัญของการตอบสนองการชน ได้แก่:

ตัวอย่าง: การตอบสนองการชนในเกมแข่งรถที่พัฒนาในสหราชอาณาจักร ในเกมแข่งรถ การจำลองการชนระหว่างรถยนต์อย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญสำหรับประสบการณ์ที่สมจริง เมื่อรถสองคันชนกัน เกมจะคำนวณแรงดลโดยพิจารณาจากความเร็วและมวลของรถ จากนั้นแรงดลนี้จะถูกใช้เพื่อสร้างแรงที่เปลี่ยนแปลงความเร็วของรถ ทำให้รถกระดอนออกจากกัน นอกจากนี้ เกมยังแก้ไขการทะลุใดๆ เพื่อป้องกันไม่ให้รถติดอยู่ภายในกันและกัน ยิ่งไปกว่านั้น ยังมีการจำลองแรงเสียดทานเพื่อสร้างการสัมผัสระหว่างยางกับพื้นดินที่สมจริง ซึ่งส่งผลต่อการควบคุมและความเสถียรของรถ

เทคนิคขั้นสูง

สำหรับการใช้งานขั้นสูง ลองพิจารณาเทคนิคเหล่านี้:

สรุป

การตรวจจับการชนเป็นส่วนพื้นฐานของฟิสิกส์ในเกมที่มีบทบาทสำคัญในการสร้างประสบการณ์การเล่นเกมที่สมจริงและน่าดึงดูดใจ ด้วยการทำความเข้าใจแนวคิดพื้นฐาน อัลกอริทึม และเทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพที่กล่าวถึงในบทความนี้ นักพัฒนาเกมสามารถนำระบบการตรวจจับการชนที่แข็งแกร่งและมีประสิทธิภาพมาใช้เพื่อเพิ่มคุณภาพและความดื่มด่ำของเกมของตนได้ โปรดจำไว้ว่าแนวทางที่ดีที่สุดมักจะเกี่ยวข้องกับการผสมผสานเทคนิคต่างๆ ที่ปรับให้เข้ากับความต้องการเฉพาะของโครงการของคุณ ในขณะที่โลกของเกมมีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ การเรียนรู้เรื่องการตรวจจับการชนให้เชี่ยวชาญก็ยิ่งมีความสำคัญมากขึ้นในการสร้างประสบการณ์ที่น่าเชื่อถือและโต้ตอบได้อย่างแท้จริงสำหรับผู้เล่นทั่วโลก อย่ากลัวที่จะทดลองใช้วิธีการต่างๆ และปรับแต่งระบบของคุณอย่างละเอียดเพื่อให้ได้ความสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างความแม่นยำ ประสิทธิภาพ และความรู้สึกในการเล่นเกม