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Modelagem Física Felipe Cavalcanti Ferreira (fcf3) Filipe César Andrade (fcsa)

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1 Modelagem Física Felipe Cavalcanti Ferreira (fcf3) Filipe César Andrade (fcsa)

2 Índice Modelagem Física ▫Propriedades físicas ▫API’s Open Dynamics Engine – ODE Havok Conclusão

3 Modelagem Física Simulação física em ambientes virtuais Como os objetos se movem, interagem e reagem ao ambiente em volta Requer uma imensa quantidade de cálculos lógicos e matemáticos

4 Propriedades Físicas Materiais ▫Fricção ▫Dureza Leis de Newton ▫Forças aplicadas e aceleração ▫Ação e reação Detecção de colisão Juntas e molas ▫Objetos complexos

5 Propriedades Físicas Fluidos ▫Sangue ▫Movimento de rios e oceanos Sistemas de partículas ▫Fumaça ▫Explosões

6 API’s Físicas API’s comerciais ▫Physx ▫Havok API’s não comerciais ▫Open Dynamics Engine ▫Newton Game Dynamics ▫Tokamak

7 Open Dynamics Engine Utilizado para simular o movimento de corpos rígidos em ambientes virtuais dinâmicos Possui um sistema integrado de detecção de colisões Independente da API gráfica Open-source

8 Open Dynamics Engine Criado inicialmente por Russell Smith Escrito em C++, mas prover uma interface em C Troca exatidão por velocidade Relativamente estável comparado com outros simuladores

9 Tipos básicos de ODE Mundo ▫Gravidade e integração do tempo Espaço ▫Otimização de colisões Corpo Rígido ▫Objeto físico que sofre ações das leis da física Juntas ▫Ligação entre dois corpos Geometria ▫Forma dos corpos

10 Mundo Contentor de corpos Gravidade Step(dt) ▫Aproximação física entre mundos real e virtual

11 Espaço Contentor de geometrias ▫Geometria que contem outras geometrias Modos de colisão ▫Entre geometrias dentro do mesmo espaço ▫Entre geometrias de espaços diferentes Estrutura de dados ▫Simples, hash table e quad tree

12 Corpo Rígido Corpo indeformável, cujas posições relativas permanecem fixas, independentemente de quais as forças aplicadas.

13 Corpo Rígido Propriedades constantes ▫Massa ▫Centro de massa ▫Matriz de inércia Propriedades variáveis ▫Posição vetorial (centro de massa) ▫Velocidade linear ▫Velocidade angular ▫Orientação (matriz de rotação)

14 Juntas Estabelece uma relação entre dois corpos de forma a confinar a posição/orientação de um corpo relativamente ao seu par Vários tipos de juntas Possibilidade de adicionar novas junções

15 Bola e Soquete (Ball and socket) Movimento em torno de números indefinidos de eixos, com o mesmo centro em comum ▫Ex.: Ombro e quadril

16 Dobradiça-1 (Hinge-1) Só permite movimento para frente e para trás no mesmo plano ▫Ex.: Portas de armários, joelhos.

17 Deslizante (Slider) Permite um objeto deslizar em relação ao outro

18 Universal Movimento em qualquer direção ▫Ex.: Motor de transmissão de um carro

19 Deslizante-2 (Hinge-2) Duas dobradiças ligadas em série, com diferentes eixos de dobradiça. ▫Ex.: Volante de um carro

20 Geometrias Rigidez Propriedades geométricas ▫Tamanho, forma, posição, orientação ▫Não tem velocidade e nem massa Forma ▫Esfera, caixa, plano, cilindro fechado, malha triangular, e forma definida pelo usuário ▫Possibilidade de adicionar novas geometrias

21 Geometrias Corpo com várias geometrias Formas mais complexas, mas mantendo a simplicidade física Exemplo: ▫Carro é uma caixa com várias geometrias que descrevem o corpo Corpo separado da geometria ▫Objetos invisíveis são feitos pelo não ligamento da geometria a um corpo ▫Objetos estáticos podem ser feitos criando a geometria sem um corpo

22 Geometrias Estáticas ▫Representam objetos estáticos do ambiente (que nunca se movem) Dinâmicas ▫Associadas a um corpo ▫Posição/orientação iguais a posição/orientação do corpo associado

23 Detecção de Colisões Tratado antes de cada etapa da simulação Detecção de colisões ▫Espaços ▫Geometrias Processamento das colisões detectadas ▫Pontos de contatos

24 Junção de contato Evita a intersecção entre corpos no ponto de contato Tempo de vida de um timestep ▫Construída em resposta à detecção de colisões ▫Destruída após processamento da colisão Informação extra sobre o contato, como por exemplo o atrito

25 Junção de contato

26 Criação de um objeto simples

27 Aplicações de ODE Jogos, simulação de robôs, animação 3D, etc.

28 Exemplo de aplicação Modelo simples de um bípede ▫Perna esquerda fixa no chão ▫Forças são aplicadas na perna direita ▫Postura do modelo muda para manter o equilíbrio

29 Vídeos de demonstração

30

31 1- Empresa 2 - Produtos 3- Physics: O que é? 4- Uso 5- O que não é? 6- Funcionamento 7- Havok Dynamics

32 Empresa -Empresa de software que provê software interativos e serviços para desenvolvedores de jogos e cinema -Fundada em 1998 por Hugh Reynolds e Dr. Steven Collins do Dep. Ciência da Computação da Univ. Trinity em Dublin. -Parceria com diversos fabricantes de jogos. Ex: Microsoft, Ubisoft, EA, Sony… -Recentemente comprada pela Intel

33 Produtos -Havok Behavior™Havok Behavior™ -Desenvolvimento do comportamento de objetos baseando-se em eventos -Havok Physics™Havok Physics™ -Estado da arte da física -Havok Animation™Havok Animation™ -Otimização de reprodução e composição em tempo real -Havok Cloth™Havok Cloth™ -Permite adicionar movimentos baseados na física para cabelos, camisas… -Havok Destruction™Havok Destruction™ -Simulação de destruição de objetos rígidos.

34 Physics: O que é? -Havok Physics é uma engine física(middleware). -Desenvolvida para PC’s e Consoles para permitir interação entre objetos em tempo real. -Permite reduzir o tempo gasto com o desenvolvimento do comportamento dos objetos

35 Physics: O que é? -“Havok is committed to providing not only the premier physics software to our customers, but also in giving them new tools, such as Havok Behavior, that can substantially reduce the time it takes teams to develop character behaviors, allowing game programmers to focus on developing the best game they can..” (Diretor Executivo David O'Meara)

36 Uso - Jogos

37 Uso - Aplicações

38 Uso - Cinema Alguns filmes que usaram Havok: Tróia, Matrix, Charlie and the Chocolate Factory, X-Men 3, Harry Potter and the Order Of The Phoenix, 10,000 BC…

39 O que não é? -Kit de construção de jogos -Tecnologia Simples -Caixa preta -Renderizador Comercial

40 Funcionamento -Bibliotecas básicas -Gerenciamento de memória -Temporização -Tipos básicos … -Inicialização static hkResult HK_CALL init( hkMemory* memoryManager, hkThreadMemory* threadMemory, hkErrorReportFunction errorReportFunction void* errorReportObject = HK_NULL );

41 Funcionamento

42 1- Preparar Simulação Particionar objetos em grupos de simulação Grupos mantidos pelo próprio framework

43 Funcionamento

44 2 – Aplicar Ações Controlar o estado dos objetos durante a simulação Métodos applyAction() chamados 3- Definir Restrições Processamento das restrições, como juntas de contato, dobradiças…

45 Funcionamento 4- Solucionador Garantir satisfação das restrições Minimizar possíveis erros 5- Integração Método hkpWorld :: integrate() Cálcular os novos estados de movimento (velocidade, aceleração, posição…) dos objetos

46 Funcionamento 6- Detecção de colisão Dividida em 3 fases: BroadPhase MidPhase NarrowPhase Objeto hkpShape determina forma para propósitos da detecção de colisão

47 Funcionamento 7- Simulação Contínua Soluciona eventos de impacto gerados na fase anterior Eventos de impacto podem gerar novos eventos Na simulação discreta, não é chamada

48 Havok Dynamics Módulo central do sistema Cria mundo simulado Adiciona objetos Avançar no tempo Possui vários elementos: Mundo, corpos rígidos, ações, restrições, ouvintes…

49 Havok Dynamics Mundo(1/2) Simulações contém uma ou mais instâncias do objeto hkpWorld. Recipiente para todos os objetos da simulação, chamados de entidades. Necessita de um objeto do tipo hkpWorldCinfo, contendo informações como: Gravidade Tolerância à colisões Parâmetros da simulação contínua (velocidade máxima, tipo de simulação…)

50 Havok Dynamics Mundo(2/2) hkpWorldCinfo info; info.m_simulationType = hkpWorldCinfo::SIMULATION_TYPE_DISCRETE; info.m_gravity.set( 0,-9.8f,0); info.m_collisionTolerance = 0.1f; info.setBroadPhaseWorldSize( 150.0f ); info.setupSolverInfo( hkpWorldCinfo::SOLVER_TYPE_4ITERS_MEDIUM ); m_world = new hkpWorld( info );

51 Havok Dynamics Corpos Rígidos(1/4) Todos os objetos reais imutáveis Simulações só com corpos rígidos são rapidamente criáveis Adaptados para moverem-se realisticamente Pertence à classe hkpRigidBody, subclasse de hkpEntity Contém instância do objeto hkpRigidMotion com as informações sobre como o corpo deve se mover.

52 Havok Dynamics Corpos Rígidos(2/4) Precisa de um objeto do tipo hkpRigidBodyCinfo que contém várias informações do corpo, como por exemplo: hkpShape m_shape – Forma do objeto utilizada para fins de detecção de colisão hkReal m_mass – Massa do corpo rígido. Precisa ser definido. hkReal m_friction – Define o atrito do corpo rígido hkVector4 m_position – Posição inicial do objeto ao ser adicionado ao mundo.

53 Havok Dynamics Corpos Rígidos(3/4) … hkArray dummyPlaneEquations; hkpConvexVerticesShape* pShape = new hkpConvexVerticesShape(stridedVerts, dummyPlaneEquations); hkpRigidBodyCinfo rigidBodyInfo; rigidBodyInfo.m_shape = pShape; hkReal mass = 10.0f; hkpInertiaTensorComputer::setShapeVolumeMassProperties(pShape, mass, rigidBodyInfo); rigidBodyInfo.m_motionType = hkpMotion::MOTION_BOX_INERTIA; rigidBodyInfo.m_qualityType = HK_COLLIDABLE_QUALITY_MOVING; hkpRigidBody* pRigidBody = new hkpRigidBody(rigidBodyInfo);

54 Havok Dynamics Corpos Rígidos(4/4) Exemplo de aplicação de forças: if (m_brakePressed) { hkVector4 zero; zero.setZero4(); m_body->setLinearVelocity(zero); m_body->setAngularVelocity(zero); setBrakePressed(false); } Limitação de pontos na detecção de colisões

55 Havok Dynamics Restrições(1/2) 6 graus de liberdade Limitação da liberdade de movimento Diferentes formas de limitar os movimentos levam a várias aplicações Porta Junção da roda de um carro Quanto maior a complexidade da restrição, maior o tempo gasto com a computação da mesma

56 Havok Dynamics Restrições(2/2) hkpBallAndSocketConstraintData* bsData = new hkpBallAndSocketConstraintData(); hkpConstraintInstance* bsInstance = new hkpConstraintInstance( bodyA, bodyB, bsData ); m_world->addConstraint( bsInstance ); bsData->removeReference(); bsInstance->removeReference();

57 Havok Dynamics Ações(1/2) Forma simples e eficiente de controlar o comportamento físico do mundo simulado Anti-gravidade, controle de vôo de um helicóptero… Implementam o método applyAction() A cada passo da simulação, método é chamado.

58 Havok Dynamics Ações(2/2) Classes de tipos de ações já fornecidas: hkpUnaryAction – Aplicadas a um único corpo. Ex: Motor de turbina hkpBinaryAction – Aplicadas a um par de corpos. Ex: Elástico unindo dois corpos hkpArrayAction – Aplicadas a Vários corpos de uma vez. Ex: Magneto

59 Havok Dynamics Ouvintes Reagem apenas à eventos específicos da simulação Mais utilizados para responder a eventos infrequentes Chamada de retorno passa informações relevantes sobre o evento Podem ser extendidas para eventos de entidades particulares ou do mundo inteiro

60 Conclusão APIs bem avançadas, inclusive as Open source Facilitam bastante a construção de jogos Não é trivial Requer alto processamento de hardware

61 Referências

62 Dúvidas ????


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