Transcript Física e inteligencia artificial para jogos utilizando xna

Física e Inteligência Artificial
para jogos utilizando XNA
Nome
Roger Tang
Empresa GLU Mobile
Agenda
Física
Primeira lei de Newton
Modelando Velocidade, Atrito e Aceleração
Impulso e Quantidade de Movimento
Colisão e Conservação de energia
Exemplo
Engines de Física
Inteligência Artificial
Chase – Perseguição
Evade – Fuga
Exemplos
Física
Conceito de amostragem
É necessário armazenar o tempo transcorrido entre duas
amostragens para efetuar uma simulação física.
A amostragem temporal do jogo (Frames por segundo) não é
contínua.
A variação temporal entre duas interações de “Update” não pode ser
considerada 1 e deve ser calculada a cada interação
O XNA possui a classe auxiliar GameTime que permite calcular o
tempo transcorrido entre duas interações
Primeira Lei de Newton
Lei da Inércia
Na ausência de forças, um corpo em repouso
continua em repouso, e um corpo em
movimento, continua em movimento retilíneo
uniforme (MRU).
Modelo
Em uma simulação onde existe uma esfera
rolando sobre uma superfície a força que faz com
que o corpo desacelere e perca velocidade é a
força de atrito. Esta força é contrária ao vetor
velocidade.
atrito
velocidade
Demonstração
Modelando Velocidade em XNA
A velocidade é a derivada do espaço no tempo
v
ds
dt
 s f  si  v t
Codificando em XNA
private Vector3 posicao = new Vector3(-200, 0, 0);
private Vector3 velocidade = new Vector3(1, 0, 0);
p u b l i c o v e r r i d e v o i d U p d a t e ( M i c r o s o f t . X n a . F r a m e w o r k .G a m e T i m e g a m e T i m e )
{
// Calcula Dt - Tempo transcorrido
float timeDelta = (float)gameTime.ElapsedGameTime.TotalSeconds;
// Calcula nova posição. sf = si + vDt
posicao += velocidade * timeDelta;
}
Modelando Atrito em XNA
O atrito é força contrária
ao movimento
atrito
velocidade
private Vector3 posicao = new Vector3(-200, 0, 0);
private Vector3 velocidade = new Vector3(1, 0, 0);
const float coeficienteAtrito = 0.1f;
p u b l i c o v e r r i d e v o i d U p d a t e ( M i c r o s o f t . X n a . F r a m e w o r k .G a m e T i m e g a m e T i m e )
{
// Calcula Dt - Tempo transcorrido
float timeDelta = (float)gameTime.ElapsedGameTime.TotalSeconds;
// Calcula atrito. Vetor contrário a velocidade
Vector3 direcaoAtrito = -velocidade;
direcaoAtrito.Normalize();
direcaoAtrito *= coeficienteAtrito;
// Calcula nova velocidade
velocidade += direcaoAtrito;
// Calcula nova posição. sf = si + vDt
posicao += velocidade * timeDelta;
}
Modelando Aceleração em XNA
A aceleração é a derivada da velocidade no
tempo
a
dv
dt
 v f  vi  a  t
Codificando em XNA
private Vector3 posicao = new Vector3(-200, 0, 0);
private Vector3 velocidade = new Vector3(0, 0, 0);
private Vector3 aceleracao = new Vector3(1, 0, 0);
p u b l i c o v e r r i d e v o i d U p d a t e ( M i c r o s o f t . X n a . F r a m e w o r k .G a m e T i m e g a m e T i m e )
{
// Calcula Dt - Tempo transcorrido
float timeDelta = (float)gameTime.ElapsedGameTime.TotalSeconds;
// Calcula nova velocidade. vf = vi + vDt
velocidade += aceleracao * timeDelta;
// Calcula nova posição. sf = si + vDt
posicao += velocidade * timeDelta;
}
Impulso e Quantidade de Movimento
Para o caso do exemplo anterior, como a aceleração é constante, a
velocidade cresce exponencialmente a cada ciclo de “Update”.
Logo a velocidade tende ao infinito. Como queremos apenas alterar
a velocidade em um curto espaço de tempo, vamos aplicar um
Impulso
I  F  t  ma  t
I m
v
t
v f  vi 
t  mv  P
I
m
No nosso modelo vamos aplicar o Impulso no intervalo de tempo de
apenas um ciclo de “Update”. Desta forma assim que processarmos
a nova velocidade vamos zerar o valor do impulso.
Para o nosso exemplo, o Impulso continuará sendo aplicado
enquanto o botão do “gamepad” estiver sendo pressionado
Modelando Impulso em XNA
O Impulso é aplicado em apenas em ciclo de update
private Vector3 posicao = new Vector3(-200, 0, 0);
private Vector3 velocidade = new Vector3(0, 0, 0);
private Vector3 Impulso = new Vector3(1, 0, 0);
p u b l i c o v e r r i d e v o i d U p d a t e ( M i c r o s o f t . X n a . F r a m e w o r k .G a m e T i m e g a m e T i m e )
{
// Calcula Dt - Tempo transcorrido
float timeDelta = (float)gameTime.ElapsedGameTime.TotalSeconds;
// vf = vi + I/m
velocidade += Impulso / massa;
// Calcula atrito. Vetor contrário a velocidade
Vector3 direcaoAtrito = -velocidade;
direcaoAtrito.Normalize();
direcaoAtrito *= coeficienteAtrito;
// Modela a valiação (redução) de velocidade devido ao atrito
velocidade += direcaoAtrito;
// sf = si + v*Dt - Ajusta posição
Posicao += velocidade * timeDelta;
// O Impulso é aplicado em apenas um ciclo de update
Impulso = Vector3.Zero;
}
Colisão e Conservação de Energia
Conservação da Energia Cinética. A soma da energia
antes da colisão é igual a Energia depois da colisão
E1  E 2  E1  E 2
Conservação do Momento
p1  p 2  p1  p 2
m 1 v1  m 2 v 2  m 1 v 1 f  m 2 v 2 f
Coeficiente de Restituição. É a medida de quanto uma
colisão é Elástica ou Inelástica
e 
(v2
f
 v1 f )
( v1  v 2 )
Resolvendo as velocidades finais
Desta forma as novas velocidades depois da
colisão são dadas por:
v1 f 
v2 f 
( e  1) m 2 v 2  v1 ( m 1  em 2 )
( m1  m 2 )
( e  1) m 1 v1  v 2 ( m 1  em 2 )
( m1  m 2 )
Detectando Colisão
Cria-se uma esfera envolvendo a malha e
verifica se uma esfera intercepta a outra
p u b l i c b o o l D e t e c t a C o l i s a o (E s f e r a e s f e r a )
{
// A massa escala o objeto
BoundingSphere envolucroEsfera1 = new BoundingSphere(Posicao,
Modelo.Meshes[0].BoundingSphere.Radius * Massa);
BoundingSphere envolucroEsfera2 = new BoundingSphere
(esfera.Posicao, esfera.Modelo.Meshes[0].BoundingSphere.Radius *
esfera.Massa);
if (envolucroEsfera1.Intersects(envolucroEsfera2))
{
audio.PlayCue("Bola");
CalculaVelocidades(esfera);
return true;
}
else
return false;
}
Codificando novas velocidades
p r i v a t e v o i d C a l c u l a V e l o c i d a d e s (E s f e r a e s f e r a )
{
float produtoInversoMassas = 1.0f / (Massa + esfera.Massa);
Vector3 velocidade1Nova =
(
(coeficienteRestituicao + 1.0f)*esfera.Massa*esfera.Velocidade
+
Velocidade * (Massa - (coeficienteRestituicao * esfera.Massa))
) * produtoInversoMassas;
Vector3 velocidade2Nova =
(
(coeficienteRestituicao + 1.0f) * Massa * Velocidade
esfera.Velocidade*(Massa-(coeficienteRestituicao*esfera.Massa))
) * produtoInversoMassas;
Velocidade = velocidade1Nova;
esfera.velocidadeColisao = velocidade2Nova;
}
Demonstração
Engines de Física – Open Source
Open Source Engines
Box2D Physics Engine - Engine 2D
Bullet – Multarefa, colisão 3D e Dynamic Rigid Body
ODE (Open Dynamics Engine) - Dynamic Rigid Body
OPAL (Open Physics Abstraction Layer)
PAL (Physics Abstraction Layer )
Tokamak Game Physics
Farseer Physics Engine (engine 2D para Microsoft XNA e Silverlight)
Engines de Física – Profissinais
PhysX – Nvidia – build-in editor, graficos Direct X e som, vertex based
Phyz
Torque X – Garage Games
Newton Game Dynamics
Phun 2D Physics Sandbox
Havok
AgX Multiphysics (software)
Working Model
Inteligência Artificial
Chase - Perseguição
O conceito de perseguição consiste em direcionar o
agente para o alvo e iniciar a perseguição
Vector3 direction = A.position – B.Position;
Lógica para definir lado da rotação
Implementando Perseguição
public void Chase(Asteroids.Asteroid asteroid)
{
// Calculate ship vector between ship and asteroid
Vector3 direction = asteroid.position - Position;
// Calculate direction
direction.Normalize();
Vector3 shipHead = HeadShip;
Vector3 shipSide = HeadSide;
// Calculate the angle between ship and asteroid
float angle = GetAngleSignedBetween2Vectors(shipHead, direction);
// Calculate side dot to verify if we need turn to rigth or left
float sideDot = Vector3.Dot(shipSide, direction);
// Prevent angle to be bigger MaxAngle
if (angle > GameConstants.MaxRotationAngle)
angle = GameConstants.MaxRotationAngle;
if (sideDot > 0)
Rotation -= angle;
else
Rotation += angle;
// Updade velocity
velocity += direction * GameConstants.VelocityScale / 3;
}
Exemplo de Busca e Perseguição
Evade - Fuga
O conceito de fuga consiste em direcionar o agente para
a posição oposta ao alvo
Vector3 posicaoFuga = 2 * A.posicao - B.posicao;
Exemplo de Busca e Perseguição
Estados da IA
Vagando
Capturando
Fugindo
Capturado
Outras técnicas de IA
Sterring Behaviours
Chase and Evade
Wander
...
Redes Neurais
Logica Fuzzy
Pendencias
Alterar a IA da nave de perseguicao
Esplicar o conceito de tomada de decisão
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