物理エンジン

物理エンジンは、コンピュータ グラフィックス、ビデオ ゲーム、映画 ( CGI )の領域で使用される、剛体ダイナミクス(衝突検出を含む)、軟体ダイナミクス、流体力学などの特定の物理システムの近似シミュレーションを提供するコンピュータ ソフトウェアです。主にビデオ ゲームで使用され ( 通常はミドルウェアとして)、その場合、シミュレーションはリアルタイムで行われます。この用語は、高性能な科学的シミュレーションなど、物理現象をシミュレートするソフトウェア システム全般を指すために使用されることもあります。

物理エンジンには、一般的にリアルタイムと高精度の 2 つのクラスがあります。高精度の物理エンジンは、非常に正確な物理を計算するためにより多くの処理能力を必要とし、通常は科学者やコンピュータ アニメーション映画で使用されます。リアルタイムの物理エンジン (ビデオ ゲームやその他の形式のインタラクティブ コンピューティングで使用される) は、ゲームがゲーム プレイに適切な速度で応答するのに間に合うように、簡略化された計算と低い精度を使用します。物理エンジンは、本質的には、物理​​をシミュレートするために必要な計算を実行する大きな計算機です。^[1]

最初の汎用コンピュータの 1 つであるENIACは、非常に単純なタイプの物理エンジンとして使用されました。これは、米国軍がさまざまな角度と火薬の装填量で発射されたさまざまな質量の砲弾が風による偏流も考慮してどこに着弾するかを予測するのに役立つ弾道表を設計するために使用されました。結果は 1 回だけ計算され、砲兵指揮官に配布される印刷された表にまとめられました。

物理エンジンは、1980 年代からスーパーコンピュータで一般的に使用され、数値流体力学モデリングを実行するために使用されています。数値流体力学モデリングでは、粒子に力のベクトルが割り当てられ、これらが組み合わされて循環が表現されます。速度と高精度が求められるため、計算を高速化するためにベクトル プロセッサと呼ばれる特殊なコンピュータ プロセッサが開発されました。この技術は、天気予報における気象パターンのモデル化、航空機や船舶、レースカーなどの自動車の設計における風洞データのモデル化、ヒート シンクの改善を目的としたコンピュータ プロセッサの熱冷却などに使用できます。コンピューティングにおける多くの計算量の多いプロセスと同様に、シミュレーションの精度はシミュレーションの解像度と計算の精度に関係しており、シミュレーションでモデル化されていない小さな変動によって予測結果が大幅に変わる可能性があります。

タイヤメーカーは、物理シミュレーションを使用して、さまざまな柔軟性の新しいタイヤ材料を使用し、さまざまなレベルの重量負荷の下で、新しいタイヤのトレッドタイプが濡れた状態と乾いた状態でどのように機能するかを調べます。

ほとんどのコンピュータ ゲームでは、プロセッサの速度とゲームプレイの方がシミュレーションの精度よりも重要です。このため、リアルタイムで結果を生成する物理エンジンが設計されますが、現実世界の物理を単純なケースでのみ、通常はある程度の近似で再現します。多くの場合、シミュレーションは実際のシミュレーションではなく、「知覚的に正しい」近似を提供することに重点が置かれています。ただし、Sourceなどの一部のゲーム エンジンでは、パズルや戦闘状況で物理を使用します。これには、たとえば、オブジェクトの運動量によって障害物を倒したり、沈んでいるオブジェクトを持ち上げたりできるように、より正確な物理が必要です。

過去の物理ベースのキャラクターアニメーションでは、計算が高速で簡単であるという理由から、リジッドボディダイナミクスのみが使用されていましたが、最近のゲームや映画ではソフトボディ物理学が使用され始めています。ソフトボディ物理学は、パーティクルエフェクト、液体、布にも使用されます。水やその他の液体、および空気中の火や爆発の流れをシミュレートするために、 何らかの形の限定的な流体力学シミュレーションが提供されることもあります。

ゲーム内のオブジェクトは、プレイヤー、環境、およびオブジェクト同士と相互作用します。通常、ゲーム内のほとんどの 3D オブジェクトは、2 つの別々のメッシュまたはシェイプで表されます。これらのメッシュの 1 つは、ゲーム内でプレイヤーに見える非常に複雑で詳細なシェイプで、たとえば、優雅にカーブしてループするハンドルが付いた花瓶などです。速度を上げるため、2 つ目の簡略化された非表示のメッシュを使用して物理エンジンにオブジェクトを表し、物理エンジンがこの例の花瓶を単純な円柱として扱うようにします。物理エンジン モデルは円柱に基づいており、ハンドルを認識しないため、花瓶のハンドルの穴に棒を挿入したり、発射物を発射したりすることはできません。物理処理に使用される簡略化されたメッシュは、衝突ジオメトリと呼ばれることがよくあります。これは、バウンディング ボックス、球、または凸包です。衝突検出の最終シェイプとしてバウンディング ボックスまたはバウンディング 球を使用するエンジンは、非常に単純であると見なされます。一般的に、バウンディング ボックスは、衝突検出の狭いフェーズでコストのかかるメッシュ間衝突検出が行われる前に、起こり得る衝突の数を絞り込むために、広いフェーズの衝突検出に使用されます。

離散衝突検出の精度のもう 1 つの側面は、フレームレート、つまり物理演算が実行される 1 秒あたりの瞬間数です。各フレームは他のすべてのフレームとは別個に扱われ、フレーム間のスペースは計算されません。フレームレートが低く、小さくて高速に移動するオブジェクトがあると、オブジェクトが空間内をスムーズに移動せず、各フレームが計算されるたびに空間内のあるポイントから次のポイントにテレポートしているように見える状況が発生します。十分に高速で移動する発射体は、ターゲットが高速で移動する発射体の計算されたフレーム間のギャップに収まるほど小さい場合、ターゲットを逃します。この欠陥を克服するためにさまざまな手法が使用されています。たとえば、Second Lifeでは、発射体をフレームのギャップよりも長い目に見えない尾を持つ矢印として表現し、計算されたフレーム間に収まる可能性のあるオブジェクトと衝突させます。対照的に、BulletやHavokなどの連続衝突検出ではこの問題は発生しません。

バウンディング ボックス ベースの剛体物理システムの代わりに、有限要素ベースのシステムを使用することもできます。このようなシステムでは、3D オブジェクトの 3 次元のボリュームテッセレーションが作成されます。テッセレーションの結果、オブジェクトの物理的特性 (靭性、可塑性、体積保存など) の側面を表す有限要素がいくつか作成されます。構築された有限要素は、ソルバーによって3Dオブジェクト内の応力をモデル化するために使用されます。応力を使用すると、破壊、変形​​、その他の物理的効果を、高いリアリティと独自性で実現できます。モデル化された要素の数が増えると、エンジンの物理的動作をモデル化する能力が向上します。3D オブジェクトの視覚的表現は、CPU または GPU で実行される変形シェーダーを使用して有限要素システムによって変更されます。有限要素ベースのシステムは、パフォーマンスのオーバーヘッドと、3D アート オブジェクトから有限要素表現を作成するツールがないため、ゲームで使用するには実用的ではありませんでした。より高性能なプロセッサとボリュームテッセレーションを迅速に作成するツールにより、リアルタイム有限要​​素システムがゲームで使用され始めました。その始まりは、ジェームズ・オブライエン博士が博士論文の一部として開発したアルゴリズムを使用して、木材、鋼鉄、肉、植物の変形と破壊の効果にデジタル分子物質を使用した「スターウォーズ：フォースの解放」でした。^[2]

現実世界では、物理は常にアクティブです。宇宙のすべての粒子には、力が互いに押し合うため、一定のブラウン運動のジッターがあります。ゲームの物理エンジンにとって、このような一定のアクティブ精度は、限られた CPU パワーを不必要に浪費し、フレームレートの低下などの問題を引き起こす可能性があります。したがって、ゲームでは、一定の時間内に特定の距離を移動していないオブジェクトの物理計算を無効にすることで、オブジェクトを「スリープ」状態にすることがあります。たとえば、3D仮想世界 Second Lifeでは、オブジェクトが床に置かれ、約 2 秒以内に最小距離を超えて移動しない場合、そのオブジェクトの物理計算は無効になり、そのオブジェクトは所定の位置に固定されます。オブジェクトは、他のアクティブな物理オブジェクトとの衝突が発生した後、そのオブジェクトの物理処理が再アクティブになるまで、固定されたままになります。^[3]

ビデオゲームの物理エンジンには通常、衝突検出/衝突応答システムと、シミュレートされたオブジェクトに影響を与える力を解決するダイナミクスシミュレーションコンポーネントという2つのコアコンポーネントがあります。現代の物理エンジンには、流体シミュレーション、アニメーション制御システム、アセット統合ツールも含まれる場合があります。固体の物理シミュレーションには、3つの主要なパラダイムがあります。^[4]

• ペナルティ法では、相互作用は一般に質量バネシステムとしてモデル化されます。このタイプのエンジンは、変形可能またはソフトボディ物理学でよく使用されます。
• 制約ベースの方法。制約方程式を解いて物理法則を推定します。
• インパルス ベースの方法では、インパルスがオブジェクトの相互作用に適用されます。ただし、これは実際には、システム全体にインパルスを伝播する反復ソルバーと組み合わせた制約ベースの方法の特殊なケースにすぎません。

最後に、上記のパラダイムの側面を組み合わせたハイブリッドな方法も可能です。

物理エンジンのリアリズムの主な制限は、アルゴリズムの収束が遅いために、制約の解決と衝突結果の近似結果が制限されることです。衝突検出の計算頻度が低すぎると、オブジェクトが互いにすれ違い、異常な修正力で反発される可能性があります。一方、反力の近似結果は、一般的な投影ガウス ザイデル ソルバーの収束が遅いために異常な跳ね返りが発生します。この問題は、自由に移動する複合物理オブジェクトの種類に関係なく発生する可能性がありますが、特に高張力のチェーン リンクや、アクティブな物理的ベアリング サーフェスを持つ車輪付きオブジェクトに影響を及ぼしやすくなります。精度が高いほど、位置/力のエラーは減りますが、計算により多くの CPU パワーが必要になります。

物理演算処理装置 (PPU) は、特にビデオゲームの物理エンジンにおける物理演算を処理するために設計された専用マイクロプロセッサです。PPU が関係する演算の例には、剛体ダイナミクス、軟体ダイナミクス、衝突検出、流体力学、髪や衣服のシミュレーション、有限要素解析、オブジェクトの破壊などがあります。その考え方は、 GPU がメイン CPU の代わりにグラフィックス操作を実行するのと同じように、専用プロセッサが時間のかかるタスクをコンピューターの CPU からオフロードするというものです。この用語は、 Ageiaのマーケティング担当者が消費者に PhysX チップを説明するために作ったものです。CPU-GPU スペクトルの他のいくつかのテクノロジには PPU と共通する機能がいくつかありますが、Ageia のソリューションは、PPU としてのみ設計、販売、サポートされ、システム内に配置した唯一の完全なソリューションでした。

物理処理のハードウェア アクセラレーションは、現在では、より一般的な計算をサポートするグラフィックス プロセッシング ユニット (GPGPU) によって提供されるのが一般的です。この概念は、グラフィックス プロセッシング ユニット上の汎用コンピューティング (GPGPU) と呼ばれています。AMDとNVIDIA は、最新のグラフィックス カードで剛体ダイナミクス計算をサポートしています。

NVIDIAの GeForce 8シリーズは、Quantum Effects Technologyと呼ばれるGPUベースのニュートン物理学アクセラレーション技術をサポートしています。NVIDIAは、 GPUに低レベルと高レベルの両方のAPIを提供するCUDA（Compute Unified Device Architecture ）技術用のSDKツールキットを提供しています。 ^[5] AMDは、自社のGPU向けに、薄いハードウェアインターフェイスを提供するClose to Metal （CTM）と呼ばれる同様のSDKを提供しています。

PhysX は、GPGPU ベースのハードウェア アクセラレーションが利用可能な場合にそれを使用できる物理エンジンの例です。

• VisSim - 線形および非線形ダイナミクスのビジュアルシミュレーションエンジン

• ゲームの物理学
• ラグドール物理学
• 手続き型アニメーション
• 剛体力学
• ソフトボディダイナミクス
• 物理演算処理装置
• セルマイクロプロセッサ
• 線形相補性問題インパルス/制約物理エンジンでは、マルチポイント衝突を処理するために、このような問題に対するソルバーが必要です。
• 有限要素解析

• Bourg, David M. (2002)ゲーム開発者のための物理学。O'Reilly & Associates。

• 「物理エンジンリスト」。データベース。Digital Rune。2015年3月30日[2010]。2016年3月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。