Wiązania w Blender Game Engine (011; 31.07.2009; blender)

Artykuł ten ma na celu opis zastosowania wiązań dla elementów typu Rigid Body w silniku gry Blendera. Szczegółowy opis wiązań i metody ich ustalania uzupełniony został wieloma przykładami.

Wiązanie jest to połączenia dwóch elementów - ograniczenie ich wzajemnego ruchu. Patrząc w ujęciu mechaniki elementy te tworzą parę kinematyczną, a wiązanie to w istocie więzy geometryczne. Jednak wracając do Blendera, wiązania te dotyczyć będą elementów typu Rigid Body i określane są mianem Rigid Body Joints. Należą one do jednej z grupy wiązań (constraints) możliwych do zastosowania w Blenderze.

Przegub kulisty.
Wiązanie kuliste (Ball) łączy dwa elementy w jednym punkcie tak, że oba obiekty mogą obracać się tylko wokół tego punktu, a punkt ten jest punktem wspólnym dla obu obiektów i może się z nimi przemieszczać. Schematycznie można przedstawić to następująco:

Zawias.
Wiązanie zawiasowe (przegubowe, Hinge) łączy dwa elementy w jednej osi tak, że oba mogą obracać się względem niej, oś ta jest wspólna dla obu obiektów i może się razem z nimi poruszać. Schematycznie można przedstawić to następująco:

Do powyżej pokazanych par obiektów utwórzmy odpowiednie wiązania. Plik z obiektami do pobrania.

• Dla obu obiektów używamy kombinacji klawiszy Ctrl + A i wybieramy polecenie Scale and Rotation to ObData (jest to bardzo ważna operacja, bez niej m. in. BGE może mieć błędne dane o lokalizacji i orientacji obiektów).
• Zaznaczmy jeden z obiektów, np. obiekt A (zielony).
• Przejdźmy do panelu Object (F7).
• W zakładce Constraints klikamy na Add Constraint a z listy wybieramy Rigid Body Joint.
  
• Na czerwono podświetlona widnieje nazwa wiązania (kolor ten oznacza błąd niezdefiniowania). Zmieńmy nazwę na Kuliste.
• Poniżej widnieje wybrany typ wiązania Ball z listy Joint Types.
• W polu z treścią toObject: wpisujemy nazwę obiektu do związania z obiektem A, czyli obiekt B (gaśnie czerwone podświetlenie nazwy wiązania).
• Wciskamy przycisk No Collision co powoduje, że obiekty te nie będą ulegać kolizji podczas symulacji i nie nastąpi rozstrzelenie wiązania z powodu przenikających się obszarów obiektów.
• Wciskamy przycisk ShowPivot co spowoduje pokazanie się dodatkowego układu współrzędnych pokrywającego się z układem współrzędnych obiektu (widać go po przejściu do wyświetlania siatkowego - Draw Type/Wireframe - klawisz z). Jeśli układy współrzędnych nie pokrywają się, oznacza to nie zastosowanie się do pierwszego punktu.
• Początek opisanego wyżej układu współrzędnych jest punktem wspólnym obu obiektów i będą mogły one wykonywać tylko obroty względem tego punktu. Musimy zatem przesunąć go w środek kuli symbolizującej wiązanie. Do przesuwania układu wzdłuż osi px, py i pz służą odpowiednio pola: Pivot X, Pivot Y, Pivot Z. Do obrotu układu wokół osi px, py i pz służą odpowiednio pola: Ax X, Ax Y, Ax Z (wartości obrotu podane w stopniach).
• Dla podanego przykładu odpowiednia jest wartość Pivot X równa -1.335. Obroty nie mają wpływu na wiązanie. Warto zauważyć, że środki lokalnych układów współrzędnych obu obiektów połączone są przerywaną linią - symbolizuje ona wiązanie.
  
• Przechodzimy do panelu Logic (F4) i ustalamy dla obiektów A i B Object Type: Rigid Body.
  
• Dodajemy do sceny podłoże oraz bryłę pod jednym z obiektów, aby wymusić kontakt i ukazać działanie wiązania.
• Uruchamiamy symulację (klawisz P). Dwie przykładowe klatki symulacji:
  
  

Wiązanie działa prawidłowo, pozostał jeszcze do rozważenia problem przenikania się obiektów (wywołałem go celowo, aby dokładniej opisać to zagadnienie).

Przyjrzyjmy się dokładnie siatce jaka została utworzona dla obiektów na potrzeby symulacji (a raczej gry, bo to w końcu silnik gry blendera). Zaznaczamy w menu Game opcję Show Physics Visualization oraz przechodzimy do wyświetlania typu Wireframe. Po uruchomieniu symulacji zauważymy białe bryły o środkach w środkach lokalnych układów współrzędnych obu brył nijak nie oddające ich kształtu. Istotnie, nie ustaliliśmy dla obiektów żadnego rodzaju granic (Bounds), zostały zatem dobrane domyślne o średnicy ustalonej parametrem Radius.

Najprościej jest zazwyczaj wcisnąć przycisk Bounds i wybrać Convex Hull. Jednak dla tej opcji, wiele niepotrzebnych szczegółów obiektu jest dokładnie odwzorowywane, warto czasem zastanowić się nad zastosowaniem prostszego obszaru kolizji (np. dla kół samochodu użyć typu Cylinder).

Przy okazji nadmienię, że w wizualizacji obiektów do symulacji rozpoznać można kilka kolorów linii. Linie białe tworzą siatkę granicy kolizji obiektów. Gdy obiekt przejdzie w stan uśpienia zmieniają one kolor na zielony (uśpienie następuje, gdy prędkość obiektu będzie dostatecznie mała i nie ma już potrzeby przeliczania jego fizyki; opcję tą można wyłączyć wciskając dla obiektu przycisk No sleeping).

• Dla obu obiektów używamy kombinacji klawiszy Ctrl + A i wybieramy polecenie Scale and Rotation to ObData.
• Zaznaczmy jeden z obiektów, np. obiekt C (zielony).
• Przejdźmy do panelu Object (F7).
• W zakładce Constraints klikamy na Add Constraint a z listy wybieramy Rigid Body Joint.
  
• Zmieńmy nazwę wiązania na Zawias.
• Wybieramy typ wiązania Hinge z listy Joint Types.
• W polu z treścią toObject: wpisujemy nazwę obiektu do połączenia, czyli obiekt D.
• Wciskamy przycisk No Collision.
• Wciskamy przycisk ShowPivot i przechodzimy do wyświetlania siatkowego Wireframe.
• Dla wiązania zawiasowego osią obrotu jest zawsze oś px. Musimy zatem tak ustawić położenie i orientację układu wiązania, aby oś px znalazła się w pożądanej osi obrotu. Zamiast przesuwać układ współrzędnych parametrami wiązania, możemy również przesunąć lokalny układ współrzędnych obiektu (stawiamy kursor w osi lewym kliknięciem myszy, w panelu Editing (F9) w zakładce Mesh klikamy przycisk Center Cursor). Pozostaje już tylko odpowiedni obrót układu o -90 stopni wokół osi py.
  
  
• Przechodzimy do panelu Logic (F4) i ustalamy dla obiektów A i B Object Type: Rigid Body. Wciskamy przycisk Bounds i wybieramy Convex Hull.
• Dodajemy do sceny podłoże oraz bryłę pod jednym z obiektów, aby wymusić kontakt i ukazać działanie wiązania.
• Uruchamiamy symulację (klawisz P). Trzy przykładowe klatki symulacji:

Polecam sprawdzić zachowanie obiektów, gdy wyłączymy w opcjach wiązania przycisk No collision. Jeśli chcemy, aby obiekty ulegały kolizji, musimy koniecznie zadbać, aby kolizja nie występowała w miejscu połączenia oraz dla ruchu w pożądanym zakresie.

Wiązanie to jest wiązaniem, które daje ogromne możliwości, właściwie daje wszystko czego potrzebujemy, aby stworzyć każde wiązanie. Po rozszyfrowaniu nazwa oznacza 6 stopni swobody (6 Degrees of Freedom).

Obiektowi, któremu nadajemy wiązanie ustalmy nieruchomy układ współrzędnych. Nasz obiekt w ogólności może przemieszczać się wzdłuż trzech osi układu odniesienia oraz obracać się wokół tych trzech osi, obiekt ma zatem 6 stopni swobody. Wiązanie 6DOF pozwala nam ograniczyć dowolny ze stopni swobody obiektu zadając wartość maksymalną i minimalną przemieszczenia lub kąta obrotu.

Tworzymy następującą scenę:

W panelu Logic zmieniamy typ obiektu na Rigid Body, klikamy Bounds i wybieramy Box.

Uwaga: Dla obszaru kolizji typu Box użycie polecenia Scale and Rotation to ObData (ctrl+A) powoduje, że obszar sześcianu kolizji jest zawsze zorientowany równolegle do osi układu współrzędnych, a nie jest to pożądane w naszym przykładzie. Polecam sprawdzić jak wygląda obszar kolizji przy włączonej opcji Show Physics Visualization i trybie Wireframe oraz przetestować swobodny spadek obiektu i kolizję z podłożem.

Układ współrzędnych pokrywa się z lokalnym układem obiektu i po uruchomieniu symulacji zostanie w tym miejscu, gdyż jest związany z obiektem Plane (nieruchomym podłożem).
W ustawieniach dokonaliśmy:

• ograniczenia położenia obiektu wzdłuż osi px tylko do wartości z przedziału (0, 2),
• ograniczenia położenia obiektu wzdłuż osi py tylko do wartości z przedziału (-0.2, 0.5),
• całkowitego ograniczenia położenia obiektu wzdłuż osi pz,
• ograniczenia obrotu obiektu wokół osi py tylko do wartości z przedziału (-0.5, 0.8),
• całkowitego ograniczenia obrotu obiektu wokół osi pz,
• nie ograniczenia obrotu obiektu wokół osi px.

Wiązania w prostym pojeździe.

Dla obu obiektów używamy kombinacji klawiszy Ctrl + A i wybieramy polecenie Scale and Rotation to ObData.
Używamy wiązania zawiasowego (Hinge) do przymocowania koła do podwozia, pamiętając o odpowiednim ustawieniu osi px.

Duplikując koło (Shift+d) otrzymujemy pozostałe koła od razu z gotowymi wiązaniami. Odpowiednio nazywamy koła.

Wszystkie obiekty ustawiamy jako Rigid Body. Dla podwozia wybieramy obszar kolizji typu Box, dla kół ustalamy typ Triangle Mesh. Gdy użyjemy kolizji obszaru kół typu Convex Hull w czasie symulacji występują jakieś nieprzewidziane bezpodstawne kolizje obiektów.

Możemy już wstępnie przetestować pojazd - upada z niewielkiej wysokości na podłoże, wiązania trzymają koła.

Zastosujmy napęd do prawego koła tylnego tylnego (tylne koła - czerwone). W panelu logiki obiektu dodajemy sensor typu Keyboard, klikamy pole obok napisu key i wciskamy na klawiaturze strzałkę do góry. Dodajemy kontroler typu AND i łączymy go z sensorem. Dodajemy aktuator typu Motion i w drugim polu wiersza Torque (moment siły) wpisujemy wartość 10 (moment przykładamy wokół osi y lokalnego układu koła, a nie układu wiązania). Przycisk L w tymże wierszu musi być wciśnięty (ponieważ interesuje nas lokalny a nie globalny układ współrzędnych).

Powtarzamy operację dla napędu wstecznego, przy czym wybieramy klawisz strzałka w dół i wpisujemy wartość momentu napędowego -10.

Zaznaczamy drugie tylne koło, następnie z wciśniętym shiftem zaznaczmy koło, któremu nadaliśmy już napęd. Wciskamy kombinacje klawiszy Crtl+c i wybieramy polecenie Logic Bricks. Tym samym dokonaliśmy skopiowania kostek logiki dla drugiego koła - napęd zadziała jednocześnie na oba.

Można już przetestować pojazd. Zauważamy, że pojazd rozpędza się dość wolno, koła doznają poślizgu. Masa podwozia nie może być taka sama jak koła, zwiększmy ją do 200. Aby uniknąć poślizgu zwiększmy dla każdego koła skalowanie momentu bezwładności względem masy ustawiając Form: 10.

Gdy spotkamy się z sytuacją, w której niektóre ściany obiektów są nie widoczne, bądź 'wywracają się' na drugą stronę przechodzimy do trybu Edit Mode (klawisz 'tab'), zaznaczamy cały obiekt (klawisz 'a') i używamy kombinacji klawiszy 'Ctrl+n' i zatwierdzamy polecenie Recalculate normals outside.

Temat ten rozważałem już na forum troman.pl. Skorzystajmy w wcześniej zamodelowanego pojazdu i zmieńmy masę podwozia na 500. Po włączeniu symulacji zauważamy, że opadając i uderzając o podłoże pojazd zachowuje się jakby miał miękkie zawieszenie. Z racji dużej masy we wiązaniach powstają duże siły, które je 'rozciągają'. Może to być korzystny efekt (właśnie w przypadku zawieszenia), jednak gdy niezbędna jest lepsza sztywność wiązań musimy zwiększyć dokładność obliczeń silnika Bullet.
Zaznaczamy kamerę znajdującą się w scenie, przechodzimy do panelu Shading (F5) i w World Buttons odnajdujemy zakładkę Mist/Stars/Physics. Parametr Sub określa ilość kroków symulacji przypadających na klatkę fizyki. Parametr Phys określa liczbę klatek fizyki przypadających na klatkę gry. Zatem dla zwiększenia dokładności obliczeń i tym samym zwiększenia sztywności wiązań zwiększamy paramer Sub.

Gdyby maksymalna możliwa do ustawienia wartość parametru Sub równa 5 była niewystarczająca, istnieje możliwość ustalenia większych wartości za pomocą skryptu pythona. Treść skryptu (dla Sub: 6), który należy jednorazowo uruchomić na początku symulacji za pomocą kontrolera Python wygląda następująco:

import PhysicsConstraints
PhysicsConstraints.setNumTimeSubSteps(6)

Dla każdego obiektu typu Rigid Body możemy zablokować obliczenia wzdłuż osi globalnego układu współrzędnej lub wokół tej osi. Dokonać możemy tego w panelu Logic po wciśnięciu przycisku Advanced (pzyciski Lock X Axis, Lock X Rot Axis itd.).

Pobierz ten artykuł w formacie pdf: PDF