Game Dev Math. Векторы и интегралы

Сегодня хотелось бы поговорить о математике. Математика очень интересная наука и она может сильно пригодиться при разработке игр, да и в целом при работе с компьютерной графикой. Многие (особенно новички) просто не знают о том, как она применяется при разработке. Существует множество задач, не требующих глубокого понимания таких понятий как: интегралы, комплексные числа, группы, кольца и др, но благодаря математике вы можете решать многие интересные задачи. В этой статье мы рассмотрим векторы и интегралы. Иллюстрирующий Unity проект прилагается.

Векторная математика

Векторы и векторная математика являются необходимыми инструментами для разработки игр. Многие операции и действия завязаны на ней целиком. Забавно, что для реализации класса, который отображает стрелочку вектора в Unity, уже потребовалось большинство типовых операций. Если вы хорошо разбираетесь в векторной математике данный блок вам будет неинтересен.

Векторная арифметика и полезные функции

Аналитические формулы и прочие детали легко нагуглить, так что не будем тратить на это время. Сами операции будут проиллюстрированы гиф-анимациями ниже.

Важно понимать, что любая точка в сущности является вектором с началом в нулевой точке.

Гифки делались с помощью Unity, так что нужно было бы реализовывать класс, отвечающий за отрисовку стрелочек. Стрелка вектора состоит из трех основных компонент — линии, наконечника и текста с именем вектора. Для отрисовки линии и наконечника я воспользовался LineRenderer. Посмотрим на класс самого вектора:

Класс VectorArrow:

Так как мы хотим, чтобы вектор был определённой длинны и точно соответствовал точкам, которые мы задаём, то длинна линии рассчитывается по формуле:

В данной формуле (_VectorEnd — _VectorStart).normalized — это направление вектора. Это можно понять из анимации с разницей векторов, приняв что _VectorEnd и _VectorStart — это вектора с началом в (0,0,0).

Дальше разберём две оставшиеся базовые операции:

Нахождение нормали (перпендикуляра) и середины вектора — это очень часто встречающиеся задачи при разработке игр. Разберём их на примере размещения подписи над вектором.

Для того, чтобы разместить текст перпендикулярно вектору нам понадобится нормаль. В 2D графике нормаль находится достаточно просто.

Вот мы и получили нормаль к отрезку.

normal = normal.y > 0? normal: -normal; — эта операция отвечает за то, чтобы текст всегда показывался над вектором.

Дальше остаётся поместить его в середину вектора и поднять по нормали на расстояние, которое будет смотреться красиво.

В коде использованы локальные позиции, чтобы можно была возможность двигать получившуюся стрелочку.

Но это было про 2D, а что же с 3D?

В 3D плюс-минус всё тоже самое. Отличается только формула нормали, так как нормаль уже берётся не к отрезку, а к плоскости.

Скрипт Камеры:

В данном примере контролла нормаль к плоскости используется, чтобы сместить конечную точку траектории право, чтобы планету не загораживал интерфейс. Нормаль в 3д графике — это нормализованное векторное произведение двух векторов. Что удобно, в Юнити есть обе эти операции и мы получаем красивую компактную запись:

Думаю, многим, кто думает, что математика не нужна и зачем вообще это знать, стало чуть понятнее какие задачи с помощью неё можно решать просто и элегантно. Но это был простой вариант, который должен знать каждый разработчик игр не стажёр. Поднимем планку — поговорим об интегралах.

Интегралы

Вообще у интегралов очень много применений, таких как: физические симуляции, VFX, аналитика и многое другое. Я не готов сейчас детально описывать все. Хочется описать простой и визуально понятный. Поговорим про физику.

Допустим есть задача — двигать объект в определённую точку. К примеру, чтобы при вхождении в определённый триггер, должны вылетать книги с полок. Если вы хотите двигать равномерно и без физики, то задача тривиальна и не требует интегралов, но когда книги выталкивает с полки призрак, такое распределение скорости будет смотреться совсем не так.

Что такое интеграл?

По сути это площадь под кривой. Но что это означает в контексте физики? Допустим у вас есть распределение скорости по времени. В данном случае площадь под кривой — это путь который пройдёт объект, а это как раз то, что нам и нужно.

Если перейти от теории к практике, то в Unity есть замечательный инструмент под названием AnimationCurve. С помощью него можно задать распределение скорости с течением времени. Создадим вот такой класс.

Класс MoveObj:

Метод GetApproxSquareAnimCurve — это и есть наше интегрирование. Мы делаем его простейшим численным методом, просто идём по значениям функции и суммируем их определённое число раз. Я выставил 1000 для верности, в целом можно подобрать оптимальнее.

Благодаря этой площади мы дальше уже знаем, какое относительное расстояние. А дальше сравнив два пройденных пути мы получаем коэффициент скорости speedK, который отвечает за то, чтобы мы прошли заданное расстояние.

Можно заметить, что объекты не совсем совпадают, это связано с ошибкой float. В целом можно пересчитать тоже самое в decimal, а потом перегнать в float для большей точности.

Собственно на этом на сегодня всё. Также вот ссылка на GitHub проект, в котором все исходники по данной статье. И с ними можно поиграться.

Источник: habr | GitHub project