Автомобиль — довольно сложный в обращении аппарат. Профессиональные гонщики на трассах годами учатся проходить сложные повороты и управлять сцеплением, но в играх для победы иногда достаточно активнее работать газом, а в нужный момент лихо уйти в занос. Реалистично? Не очень. Но иначе игроки бы уже давно взвыли от сложности гоночных игр, а сам жанр бы почти вымер.
Рассказываем, как разработчики аркадных гонок и серьёзных автосимов находят баланс между реалистичным и удобным вождением, на ходу нарушая законы физики и пытаясь оставить игроку побольше контроля над дорогой.
Forza Horizon 4
Главная проблема автомобильной физики — совокупность разных сил, которые влияют на автомобиль в конкретный момент. Сюда входит трение шин, распределение веса, аэродинамическое сопротивление и множество других факторов. Современные мощные компьютеры научились просчитывать всю эту сложную физику, чем охотно пользуются автопроизводители в своих разработках, но для игр подобные физические системы слишком громоздки. Как их адаптировать под консоли? А под заезды на двадцать гонщиков, которые ещё и регулярно сталкиваются друг с другом?
F1 2020
Поэтому разработчики упрощают автомобильную физику и отделяют физическую модель транспорта от визуальной, что помогает убрать из системы многие факторы. Например, во многих гоночных играх спойлеры на багажнике — это сугубо визуальный тюнинг, не влияющий на ходовые качества, хотя в реальности подобные «украшения» серьёзно меняют аэродинамику автомобиля.
Остальные физические силы разработчики для удобства часто делят на продольные и боковые. Продольные — это всё, что толкает машину вперёд или назад: ускорение, торможение, сопротивление воздуха. Боковые — это повороты руля и колёс, дрифтинг, а в самых дотошных автосимах — резкие порывы ветра. Потом к физике автомобиля добавляются внешние и внутренние условия — например, тип дорожного покрытия и настройки подвески. Наконец, разработчики объединяют все эти факторы в единую систему. Разберём её элементы подробнее.
Need for Speed Hot Pursuit
Когда игрок давит на виртуальную педаль газа, результат работы двигателя и трансмиссии обрабатывается по более-менее честным уравнениям — то есть, автомобиль набирает скорость согласно физическим законам. Но сама связка из мотора, коробки передач и раздаточной коробки не симулируется, а разработчики обычно описывают её одним условным параметром — ускорением.
Ускорение автомобиля в игре не постоянно и обычно зависит от крутящего момента колеса. Тот, в свою очередь, — от мощности двигателя и включенной передачи. Причём даже если игрок не переключает передачи вручную, этим за кадром обычно занимается сам движок игры. Разработчикам же остаётся только определить мощность мотора и настроить передачи.
Project CARS 3
Более серьёзные автосимуляторы использует для передач сложные уравнения и по-разному рассчитывают их для разных машин. Например, в Project Cars некоторые маслкары очень неторопливо выезжают с первой передачи, в то время как спортивные автомобили проскакивают её с лёгкостью.
Наша физическая модель соединяет все основные узлы трансмиссии — коленвал, коробку передач, карданный вал, оси и так далее. Для этого используются подвижные элементы, похожие на пружины. Работая над Project CARS 3, мы собрали точные данные с нескольких реальных автомобилей и с их помощью просчитали жёсткость всей трансмиссии. Изначально с помощью этих цифр мы просто хотели сымитировать приятную вибрацию при переключении передач. Но быстро поняли, что с новой физической системой машины в целом стали управляться лучше и реалистичнее.
Ведущий технический художник Slightly Mad Studios
Источник цитаты: projectcarsgame.com
Assetto Corsa
А вот максимальную скорость автомобиля разработчики не задают — движок сам вычисляет её из других данных. Пока сила тяги двигателя превышает противостоящие силы — например, сопротивление воздуха, — машина едет. С увеличением скорости противостоящие силы тоже увеличиваются и в определённый момент уравниваются с ускорением автомобиля. Этот момент движок и устанавливает как максимальную скорость.
Подобные упрощения становятся отчётливо заметны на предельных скоростях и на перепадах высоты. Например, в горах сопротивление воздуха ниже, чем в низинах, но даже дотошные автосимуляторы не пытаются имитировать этот эффект. А реалистичное ускорение обычно начинает сбоить, когда стрелка спидометра переваливается за 100 км/ч — примерно на этой отметке управлять тягой и сцеплением становится сложнее, но многие гоночные аркады, наоборот, стараются как можно сильнее упростить управление на высокой скорости.
Need for Speed Most Wanted (2012)
В современных гоночных играх прохождение поворота в управляемом заносе стало одной из основных геймплейных механик. При этом в игровом дрифте чуть ли не больше условностей и упрощений, чем во всей остальной физике. Например, во многих частях Need for Speed игрок может без труда дрифтовать на переднеприводных автомобилях, хотя традиционно эта забава рассчитана на задние приводы.
Как вообще работает дрифтинг на заднеприводных автомобилях: в повороте водитель отпускает газ и жмёт на тормоз, более тяжёлая передняя часть машины с двигателем прижимается к земле, а задняя ось — наоборот, приподнимается. В этот момент ведущие колёса теряют сцепление с дорогой, из-за чего дрифт и становится возможен.
DiRT 4
Также для управляемого заноса очень важна сила сцепления — трение, которое удерживает шину от бесконтрольного скольжения. Разработчики игр обычно настраивают её так, чтобы машина легче отправлялась в занос, или оставляют эти параметры на усмотрение игрока. Например, The Crew 2 позволяет отдельно настраивать сцепление передних и задних шин — если игроку нужно дрифтовать на каждом повороте, он специально может ослабить сцепление задней оси с дорогой.
The Crew 2
В физических параметрах дрифтинга разработчики могут проявить фантазию, так как им зачастую не на что опираться. Инженеры настоящих автомобилей стараются избежать дрифта любыми способами — за исключением отдельных дрифт-соревнований, разумеется. Например, равномерно распределяют вес между передней и задней осью, чтобы ведущие колёса не теряли сцепление.
На реальной гоночной трассе даже управляемый занос может стать серьёзной проблемой. Во время дрифта скорость толкает автомобиль не вперёд, а вбок, что при выходе из заноса приведёт к потерянным секундах и может стоить призового места. В играх же дрифт награждает умелых игроков, но редко наказывает за неудачи: обычно потери в скорости из-за неточного дрифта минимальны и их легко компенсировать.
Forza Motorsport 7
Вторая важная сторона дрифтинга — руление, ведь управляемый занос требует ещё и правильно выбранного угла движения. Более аркадные гонки сильно упрощают работу руля, чтобы не портить жизнь игрокам с геймпадами и клавиатурами. Например, серия Forza Motorsport щадяще относится к резким поворотам руля, хотя в реальности водитель не может моментально выкрутить баранку с крайнего левого положения в крайнее правое.
Автосимы в духе iRacing, рассчитанные на специальные контроллеры, в этом плане честнее. Обычно они ограничиваются только базовыми «электронными помощниками» — например, позволяют ограничить поворот руля, чтобы игрок нечаянно не ушёл в дрифт там, где это не нужно. Правда, из-за этого можно создать обратный эффект: не рассчитать скорость и вылететь с трассы — но это уже вопрос мастерства.
iRacing
Сложность физики шин — в том, что движок должен обрабатывать её для всех четырёх колёс по отдельности. Ведь машина, которая целиком стоит на асфальте, будет вести себя совершенно не так, как заехавшая двумя колёсами на заросший грунт. И это только то, что касается взаимодействия с дорогой: а ведь ещё нужно учитывать нагрузку на колёса, давление шин, их деформацию и другие факторы.
Поэтому разработчики стараются хотя бы частично использовать заранее готовые параметры покрышек. Так, авторы Forza Motorsport 4 сотрудничали с производителями самих шин — представители Pirelli, Toyo, Goodyear предоставили студии необходимые данные, которые напрямую попали в игру. Кстати, позже разработчики сравнили «официальные» цифры с результатами своих физических симуляций и обнаружили, что параметры почти совпали.
Forza Motorsport 4
Температура шин — более замороченный параметр, за которым внимательно следят профессиональные гонщики, — однако большинству игроков до него нет дела. В аркадных гонках он почти не встречается, а в более реалистичных температура шин обычно представлена опцией — если игрок хочет переживать из-за прогрева шин, он может включить специальную галочку в настройках.
Так, в последних частях F1 разработчики из Codemasters вместе с инженерами «Формулы-1» настроили игровые шины так, чтобы их температура не просто влияла на геймплей, но ещё и просчитывалась на нескольких уровнях. Движок игры отдельно обрабатывает внутренний и внешний нагрев покрышки: прогреть внешний слой шины и подготовить её к гонке легко, но для прогрева внутреннего слоя необходимо более интенсивное вождение — а это уже чревато разрывом покрышки.
F1 2020
Поведение шин сильно зависит от дорожного покрытия. И речь не только о всевозможных грунтовых и мокрых дорогах — даже обычный сухой асфальт будет по-разному влиять на движение автомобиля в зависимости от того, холодный он или нагретый на солнце. На трассе могут встречаться оба типа асфальта — например, залитый солнцем и раскалённый участок за поворотом сменится затенённым отрезком в лесу. В таких ситуациях разработчики обращаются за консультацией к профессиональным гонщикам.
Допустим, наши водители сочли управляемость в игре довольно реалистичной. А потом мы включаем на трассе дождь — и всё ломается. Нужно вернуться и перенастроить множество параметров. В процессе мы можем нечаянно изменить что-то в шинах, и сломается уже управляемость на сухом асфальте — нужно настраивать опять. Это очень сложно, но мы раз за разом прогоняли наш движок через этот процесс, пока наши эксперты-гонщики не подтвердили, что всё работает правильно.
Коммерческий директор Project Cars 2
Источник цитаты: redbull.com
Project Cars 2
Трассы без асфальта предлагают другие типы покрытий, с которыми ещё больше сложностей. Так, серия DiRT Rally загоняет игроков на разные грунтовые дороги, для реалистичной симуляции которых разработчики придумали несколько хитростей. Например, для грязи они используют не физику жидкости, которую с трудом переварит современный процессор, а упрощённую модель. В её основе лежит плотность — чем глубже колёса погружаются в грязь, тем сложнее становится управление автомобилем.
Такая система позволила разработчикам точно настроить параметры каждой грунтовой трассы. Например, гравийная дорога в Финляндии — это относительно устойчивая грунтовка с хорошим сцеплением, а песочная трасса в Греции легко отправляет автомобиль в занос. Причём с плотностью дорожного покрытия взаимодействует и вес машины — автомобили в DiRT Rally по-разному проваливается в разные типы грунта.
DiRT Rally 2.0
В современных автомобилях хорошая подвеска чаще нужна для комфорта пассажиров, а не для улучшения ходовых качеств. Исключение — раллийные машины, которым по долгу службы полагается правильно отрабатывать все ямы, удары и прыжки. В играх же физическая обработка подвески нужна, чтобы игрок мог лучше считывать поверхность под машиной, а сам автомобиль — реагировать на любые неровности, поэтому разработчики часто берут за основу именно раллийные машины. Хотя без упрощений и тут не обходится.
Например, авторы The Crew 2 решили не имитировать работу пружин и амортизаторов, а использовать средние значения «упругости», разные для каждого автомобиля. Внедорожные багги в игре могут легко нестись по пересечённой местности благодаря более мягкой подвеске, а вот суперкарам с жёсткой подвеской вроде Ford Mustang GT противопоказан любой съезд с асфальта, зато они сильнее прижимаются к дороге и не теряют тягу в резких поворотах.
The Crew 2
Полная симуляция подвески со всеми узлами редко встречается даже в хардкорных автосимуляторах, но исключения всё же есть — например, BeamNG.drive. Разработчики этого автосимулятора спроектировали игровую подвеску не как цельную систему, а как совокупность отдельных физических узлов.
Но решение BeamNG.drive подходит далеко не всем играм. С одной стороны, оно довольно простое, ведь каждая деталь подвески в игре — базовый физический объект, который функционирует сам, без дополнительных строчек кода для настройки. С другой, проблемы возникают с отдельными сложными элементами — например, с гидравликой, которая должна растягиваться и сжиматься. Причём её приходится регулировать заново для каждого автомобиля.
BeamNG.drive
Также игровая подвеска чувствительна к частоте обновления движка — от неё зависит, как быстро виртуальный автомобиль поймёт, что находится у него под колёсами. Например, в серии F1 высокая частота обновления нужна, чтобы болиды «Формулы» шустро реагировали на бордюры вдоль трассы. А разработчикам GRID 2 пришлось выкрутить частоту обновления до 1000 Гц, чтобы физическая система поспевала даже за быстрыми суперкарами.
GRID 2
Если же неправильно рассчитать частоту обновления, то в игре появятся проблемы с точными манёврами. В той же F1 разработчики долго не могли справиться с неинтуитивной работой подвески — автомобиль игрока мог одним колесом уже скакать по бордюру, а другие колёса не успевали отработать удар. Из-за этого звуковой движок не понимал, когда ему нужно проиграть звук удара или скольжения шин, игрок лишался обратной связи и быстро терял управление.
F1 2011
Физическая симуляция автомобилей в играх не может быть идеальной — технологии ещё не на том уровне, мы же не в Матрице! Физика важна, и мы постоянно её улучшаем, но с точки зрения игрового процесса нужно, чтобы машина не просто хорошо ехала и управлялась, но и чтобы она управлялась весело. А всё это разделение на весёлые аркады и точные автосимы — это глупо.
Креативный директор Forza Motorsport
Источник цитаты: theguardian.com
Пол Коулман, ведущий геймдизайнер DiRT Rally, считает, что чем реалистичнее физика, тем проще управлять машиной. Поэтому все рассказы о хардкорности реалистичных автосимов — это скорее миф (возможно, созданный как раз фанатами этих игр). Ведь по большей части в аркадах и автосимах используются примерно одинаковые физические системы, а вся разница между доступностью и хардкорностью может скрываться в одном меню настроек — «помощь водителю».
DiRT Rally 2.0
Всевозможные электронные помощники встречаются во всех современных автомобилях, откуда видеоигры их и позаимствовали. В реальности ассистенты нужны для безопасности, чтобы уснувший или отвлёкшийся водитель не угробил себя, пассажиров и других участников дорожного движения. А в играх они оказались отличным способом сбалансировать сложность, так как могут напрямую влиять на управляемость машины.
Например, разработчики Project CARS 3 пытались сделать игру одновременно и доступной для новичков, и интересной для хардкорных гонщиков. Идти на откровенные упрощения физической модели авторы не хотели, поэтому обошлись электронными ассистентами: если выкрутить их на максимум, Project CARS 3 превратится в лёгкую аркаду, если отключить целиком — в реалистичный автосим.
Возьмите любую машину из 1960-х — тот же Ford GT40 — и попробуйте проехать на ней скоростной круг по извилистой трассе. Да вы там убьётесь. Но современные машины, даже BMW M5 с пятью сотнями лошадиных сил, позволяют обычным водителям очень опасно ускоряться и обходиться без неприятных последствий. Всё благодаря электронным помощникам — противобуксовочной системе, электроусителям руля и другим. Современные машины напичканы технологиями — а мы просто используем их аналог, чтобы сделать игровую симуляцию удобнее.
Креативный директор Forza Motorsport
Источник цитаты: theguardian.com
Project CARS 3
Если вам больше по душе не современные автомобили, а транспорт в стиле Sci-Fi, обратите внимание на наш курс Hard Surface.
Его ведёт Женя Пак — 3D-художник, который работал над Call of Duty: Infinite Warfare, Love, Death & Robots, Subnautica, фильмом «Аванпост», а последние четыре года посвятил именно направлению Hard Surface.
На курсе студенты научатся придумывать и создавать с нуля 3D-концепты пушек, мин, гранат, турелей и другой техники. Разбор новых тем будет начинаться с теории и референсов, а каждый этап работы преподаватель будет подробно объяснять.
Если вы не уверены, по душе ли вам стилистика научно-фантастической техники, можете для начала пройти Hard Surface Lite. Он короче и быстрее, но даёт общее представление о направлении — а там уже и об основном курсе можно будет задуматься.