Einführung in die Ragdoll-Physik

Der Körper Ihres Kaput-Charakters würde unbeholfen von der Vertikalen in die Horizontale kippen. Vielleicht würde es zersplittern oder verschwinden. Der Tod sah immer gleich aus, dank älterer Keyframe-Animationen , bei denen jede Aktion, wie Springen und Fallen, bis zum Erbrechen wiederholt wird. Diese lahmen, geskripteten Todesfälle waren so unrealistisch, dass sie die Spielqualität beeinträchtigten.

Seit den Anfängen hat sich der digitale Tod auf erstaunliche Weise verändert. Jeder weiß, dass Spiele blutiger geworden sind, mit unzähligen Litern Blut und splitternden Knochen, die jeden Tag auf der ganzen Welt animiert werden. Aber auch der Realismus zusammensackender, toter Körper hat sich dramatisch verändert, zum großen Teil dank der Ragdoll-Physik .

Die Ragdoll-Physik ist eine Kategorie der prozeduralen Animation , die menschenähnliche Figuren mit realistischeren Bewegungen darstellt. Manchmal ist der Effekt unheimlich genau. In anderen Fällen werden die Ergebnisse oft bis zur Albernheit überbetont, mit Armen und Beinen und Oberkörpern, die flattern und sich verdrehen, wie eine Stoffpuppe, die ein paar zu viele Tequila-Shots getrunken hat.

Wenn die Ragdoll-Physik sorgfältig in das Gameplay integriert wird, fügt sie Realismus hinzu, insbesondere auf Bildschirmen mit ununterbrochenem Gemetzel. Wenn Sie beispielsweise einen Ego-Shooter spielen, in dem Sie andere Charaktere mit einer Vielzahl von Waffen beschießen, werden Ihre Opfer jedes Mal anders reagieren, wenn Sie auf sie schießen. Wenn Sie einen Feind in die Schulter schießen, schlägt die Oberseite des Körpers nach hinten, während sie den Schlag absorbiert. Wenn Sie sie jedoch in den Bauch stecken, könnte sich der Charakter verdoppeln und dann in den Anfängen virtueller Todeszuckungen nach vorne zusammenbrechen.

Diese mögen wie alberne oder simplifizierende Videoeffekte klingen. Aber in Wirklichkeit beruhen diese Animationen auf komplexer Physik und Mathematik, und Programmierer versuchen ständig, bessere Wege zu finden, um Objekte auf dem Bildschirm genauer unserer analogen Welt ähneln zu lassen.

1. Die Motoren der Animation
2. Von „Hitman“ bis „GTA“
3. Animierte Physik

Seit Jahrzehnten versuchen Entwickler von Videospielen, die Physik der realen Welt nachzubilden. Sie verwenden simulierte Physik-Engines , um Prinzipien der Schwerkraft , Geschwindigkeit, Kollisionserkennung und des Schwungs einzubauen, die Ihre Rennwagen, Flugzeuge und sogar Mario beeinflussen, wenn er durch die Unterwelt springt und krabbelt. Ohne diese Elemente gibt es keine wirklich sinnvollen Regeln oder Grenzen für das Gameplay.

Dasselbe gilt für den Tod von Charakteren. Bei primitiven Spielen starben die Charaktere immer an genau denselben vorprogrammierten, statischen Animationen. Das war in einfacheren Zeiten schön und gut, aber verbesserte Hardware machte Platz für eine bessere Rundum-Grafikleistung. Dedizierte Grafikkarten entlasteten die CPU etwas und ermöglichten ein ausgeklügelteres Gameplay und, Sie haben es erraten, bessere Todesanimationen.

Spiele wie die „Halo“-Serie und „Max Payne“ bieten realistische Bewegungen, wenn Körper von Kugeln getroffen werden. Und Rockstar Games hat sich mit seiner „Grand Theft Auto“-Serie einen Namen gemacht, die mit natürlich aussehenden Lichteffekten und menschlichen Bewegungen gefüllt ist, die in ihrer Genauigkeit fast verblüffend sind. Teilweise dank der Ragdoll-Physik erstellen Programmierer anstelle von vorgefertigten Grafiken Charaktere, die in Echtzeit auf andere Bildschirmelemente reagieren, von Wänden über Bomben bis hin zu Kugeln.

„Hitman: Codename 47“ war eines der ersten Spiele, das Ragdoll-Physik verwendete. Nachdem Sie einen Gegner außer Gefecht gesetzt hatten, konnten Sie den leblosen, rollenden Körper ziehen und seine Kleidung als Verkleidung stehlen. Kugeln schlugen mit lächerlicher Wucht in Körper ein. Die Elemente waren nicht ganz überzeugend, aber sie fügten eine neue Ebene der Glaubwürdigkeit hinzu, die dem Gameplay gefehlt hatte.

„Hitman“ verwendete die Verlet-Integration , einen Algorithmus, mit dem Newtons Bewegungsgleichungen in Anwendungen wie Computeranimationen integriert werden. Jeder Teil eines animierten Skeletts ist als Punkte definiert, die mit anderen Punkten verbunden sind, wobei einige Grundregeln als Richtlinien gelten. Die vergleichsweise Einfachheit dieses Algorithmus bedeutet, dass er weniger CPU-Verarbeitungszeit benötigt als andere Techniken.

Blended Ragdoll -Physik kombiniert Echtzeit-Physikverarbeitung mit vorgefertigten Animationen in Spielen wie „Jurassic Park: Trespasser“. Die statischen Animationen interagieren realistischer mit der Umgebung; Animierte Charaktere fallen nicht einfach herunter. Sie stürzen und biegen sich eher wie echte Menschen. Aber es gibt immer noch visuelle Fehler, die für das menschliche Gehirn keinen Sinn ergeben. Es sieht nicht natürlich genug aus.

Prozedurale Animation ist die neueste und immersivste Art der Spielphysik. Hier gibt es keine vorgegebenen Animationen. Stattdessen reagieren alle Charaktere und ein Großteil der Umgebung kontinuierlich auf die Spielphysik. Das gilt natürlich für Todesanimationen, macht aber auch jeden anderen Aspekt des Spiels überzeugender.

Wenn die Physik-Engine die Bühne ist, sind die animierten Charaktere die Marionetten. Die Ragdoll-Physik sieht realistisch aus, da diese Charaktere aus starren Teilen bestehen, die in einem System miteinander verbunden sind, das den Skelettkörpern in der realen Welt ähnelt. Wenn sie beschädigt werden, flattern, räkeln und hüpfen die Körper auf dem Bildschirm herum.

Die Mathematik und Physik, die im Spiel sind, sind äußerst komplex, und selbst jetzt haben CPU-Leistung und Verarbeitungsalgorithmen keinen Weg gefunden, eine kollabierende humanoide Form perfekt nachzuahmen. Daher entsteht oft Heiterkeit, wenn sich die gegliederten Gliedmaßen der Figur drehen und auf alle möglichen unrealistischen und absurden Arten hüpfen, wie eine Stoffpuppe, die eine Treppe hinuntergeschleudert wird. Viele aktuelle Online-Spiele wie „Happy Wheels“ nutzen diesen Effekt und stellen im Wesentlichen Crashtest-Dummies bereit, die Sie durch alle möglichen albernen und bizarren Szenarien quälen und schleudern können.

Viele einfache zeitgenössische Spiele nutzen die Ragdoll-Physik, um die Action auf dem Bildschirm weniger gewalttätig und karikaturartiger und unterhaltsamer zu gestalten. Doch die Vergnügungs- und Unterhaltungsfaktoren maskieren die Komplexität der Physik, die in zeitgenössische Spiele einfließt.

Eine der ausgeklügeltsten Animations-Engines heißt Euphoria, hergestellt von NaturalMotion. Euphoria wurde in einigen äußerst beliebten Spielen wie „Star Wars: The Force Unleashed“, „Red Dead Redemption“ und „Grand Theft Auto 4“ verwendet.

NaturalMotion rühmt sich, dass Euphoria Körperbewegungen in Echtzeit für jeden Teil jeder Szene simuliert, bis hin zu den Muskeln und dem motorischen System einer Figur. Zum Beispiel könnten Charaktere durch das Geräusch einer Maschinengewehrexplosion erschreckt werden oder versuchen, ihren Sturz abzufangen, wenn sie aus einem fahrenden Fahrzeug stürzen. Letztendlich bieten diese Arten von Spielen ein fesselnderes Spielerlebnis.

Ragdoll-Physik ist nur ein Aspekt beim Erstellen realistischer Animationen. Viele Spiele verwenden Skelettanimationen , um den Charakteren Realismus zu verleihen. Die Skelettanimation umfasst zwei Hauptelemente, darunter die Oberfläche oder das Netz (die Haut oder Rüstung, die Sie sehen können) und das Rig oder Skelett (die starre zugrunde liegende Konstruktion, die die Haut stützt und sie bewegt). Dies ist ein gegliederter Körper – starre Teile, die mit Gelenken verbunden sind.

Programmierer bauen Grenzen und Einschränkungen für das Rig ein. Ein Kopf kann sich beispielsweise nicht um 360 Grad drehen oder in den Brustbereich kippen. Handgelenke können sich drehen und schwingen, aber nur bis zu bestimmten Winkeln und dann stoppen sie, genau wie bei einer echten Person.

Sobald das Skelettsystem für ein Spiel erstellt ist, können Entwickler die gleiche Grundlage für mehrere Charaktere verwenden, indem sie einfach das Erscheinungsbild der Oberfläche ändern, um die Bevölkerung der virtuellen Welt zu konkretisieren.

Wie bei einem echten Skelett basiert die Skelettanimation auf kinematischen Ketten oder Bäumen , sodass sich die Teile als Teil einer Hierarchie bewegen. Kurz gesagt bedeutet dies nur, dass alle "Knochen" miteinander verbunden sind. Wenn sich zum Beispiel der Oberschenkelknochen bewegt, bewegt sich auch der Unterschenkel.

Es ist schwierig, diese Art von Aktions-Reaktions-Bewegung in einer digitalen Figur zu programmieren. Entwickler verwenden verschiedene Techniken, um das Kunststück zu vollbringen. Eine gängige Methode basiert auf dem Algorithmus von Featherstone, benannt nach Roy Featherstone, einem Experten für Algorithmen für artikulierte Körper.

Diese dynamische Modellierung erfordert viele Daten, um einen Charakter glaubwürdig erscheinen zu lassen. Programmierer müssen die Geometrie und die relativen Positionen aller Körperteile berücksichtigen. Sie müssen Einschränkungen und Regeln für Verbindungen und Konnektivität sowie räumliche Trägheit schaffen .

All diese Faktoren müssen mit mathematischen Algorithmen und Physik beschrieben werden. Animatoren verwenden dann CAD-ähnliche Software, um geometrische Figuren zu bauen, Gelenk für Gelenk, bis sie buchstäblich ein digitales Wesen konstruiert haben. Dann kann dieses Wesen in eine digitale Umgebung eingefügt werden.

Egal, wer sie herstellt, die Physik treibt moderne Videospiele an. Ob diese Physik fantastisch real oder schmerzlich lustig ist, spielt keine Rolle, sondern macht die Spiele einfach angenehmer zu spielen. Und mit immer größeren Budgets und leistungsstärkerer Hardware können Sie erwarten, dass die Physik-Engines sprunghaft und eleganter werden.

Anmerkung des Autors: Wie Ragdoll-Physik funktioniert

Ich bin mit Spielen wie „Ikari Warriors“ und „King’s Quest“ aufgewachsen, die beide blockige Animationen enthielten, die nach heutigen Maßstäben geradezu rudimentär aussehen. Damals gab es noch keine dynamischen Grafiken. Die Charaktere schwebten durch die polygonartige Landschaft auf der Suche nach dem Sieg oder vielleicht einem Weg, ihrer zweidimensionalen Hölle zu entkommen. Zeitgenössische Spieler werden von Grafiken verwöhnt, die so überzeugend sind, dass die digitale Welt zu einem Nebenleben wird. Und jetzt, wo ich mich daran erinnere, wie süchtig ich nach Videospielen der alten Schule war, ist es vielleicht das Beste, dass ich diese Ära des Gameplays verpasst habe.

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