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布偶物理系统：角色模型骨骼发展简史作者：佘名
全文约4300字，读起来只需要8分钟。 【Fanbyte独家授权信息在篝火营】编者按：自从90年代布偶系统问世以来，我们的游戏世界发生了很多变化。 它使游戏中的交互更加真实，给游戏开发带来了很多挑战。 一起了解布偶物理系统的由来吧。 我不知道你有没有做过EA的《UFC 2》，我想用它来举例。 首先，插入Ronda Rousey和Miesha Tate的比赛视频。 Tate的头部被猛烈枪击，身体整体失去了平衡。 她开始踉跄后退，膝盖不着地，终于失去了意识，比赛也结束了。 这个场面抓住心肺，但不是实际的挑战，而是游戏模拟。
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其实，这是多边形和骨骼合作的战斗。 所有的人物都由多边形构成，这些曲面上的顶点依赖于骨骼，动作由程序的算法控制。 物体之间发生碰撞时，程序会计算应该产生的力，并判断这些力对周围产生什么影响。 虚拟的Tate在模拟重力和生物参数的共同作用下无法倒下，输掉了比赛，成为了布偶物理系统的“受害者”。 该系统模拟虚拟角色骨骼的受力表现，包括角色的姿势和移动。 布偶的物理系统非常适合于体育格斗游戏，但在其他游戏中也频繁出现。 无论是在游戏大作中摔倒的尸体，还是在《基友大合体》中重叠的裸体男人，都是布偶物理系统的产物。 但是从游戏的发展来看，布偶的物理系统是新人。 它的出现，在一定程度上要感谢计算机处理能力和硬件水平的提高。 20世纪90年代，基于物理的建模和虚拟场景中的实时计算成为学术界关注的焦点。 1996年，Looking Glass Studios发表了游戏《Terra Nova: Strike Force Centauri》。 该科幻射击游戏采用反向运动学建立游戏的角色模型，结合3D terrain制作角色腿部动作。 到了1998年，该团队的主要成员在此基础上继续开发同样建模的《重返侏罗纪》。
《重返侏罗纪》这个第一人称射击游戏是《侏罗纪公园》的衍生游戏。 那个开发者想模拟现实世界的物理系统，以便物体和人物的模型能够动态地应对重力和玩家的交互。 该物理系统的关键在于主角手臂，通过逆运动学，实现手臂碰撞、加速、惯性时的各种动作。 恐龙的模型也使用了逆运动学。 游戏设计师Richard Wyckoff在一篇分析文章中承认，这个系统并不那么乐观。 “倒车动力转向系统无法完全控制那只恐龙的动作。 脚经常会伸直、弯曲、弹跳。 那只恐龙之所以看起来很荒谬，是因为它缺乏现实肌肉对骨骼的限制。 ”尽管如此，《重返侏罗纪》的建模和行为还是很有独创性的。 随着迅猛龙的没落，布偶的物理系统成为了焦点。 同期，丹麦数学家Thomas Jakobsen在论文《Advanced Character Physics》中发表了新的公式。 通过计算方式，分析物体中粒子的运动，模拟物体受到的物理影响。 Jakobsen这样解释道。 “如果使粒子的位置成比例地移动到受力，速度就会自然地变化。 ”用游戏用语说明的话，有在攻击某个角色后被攻击者击退，或者向某个方向倒下的效果。 开发者IO Interactive将Jakobsen的理论成果应用于《杀手：代号 47》的物理对话系统。 2000年发布的这款游戏开创了包括可变形衣服和植物在内的许多先河。 但据游戏制片人Jonas Eneroth介绍，玩具游戏的物理系统实现了“游戏模式的转换”。
Eneroth说：“其实这是游戏的中心概念，也是制作游戏的原动力。 这个系统重要而新颖，与众不同。 它可以影响游戏的剧情、玩法等所有游戏内容。 “游戏真实地再现了人体碰撞的效果，但这只是布偶物理系统的一小部分成果。 在很多情况下，布偶物理系统的宏观作用是实现游戏玩法，比如允许玩家拖动和隐藏尸体。 IO的许多游戏作品也继承了冰川引擎，包括《自由战士》、《凯恩与林奇》和2006年发行的《杀手 4：血钱》。 但是，在业界，出现了更广泛的物理引擎。 都柏林圣三一学院的研究小组开发出了非常灵活的物理模拟器，最初应用于教育游戏。 随后，该系统在政府的许可下开始走向商业化。 研究小组改名为Havok，在1999年的游戏开发者会议上介绍了这个开发软件。 Hugh Reynolds是Havok的共同创始人之一，也是圣三一学院的早期研究成员。 他把这个形容为魔法。 “想用什么动作传达感情的时候，发现角色做不到。 物理锅应该由物理引擎开发人员承担，不能给剧本作家带来压力。 我们Havok物理引擎要做的就是释放剧本作家，给他们充分发挥才能的空间。 ” ”
有了这个中间件，洋娃娃的效果和粒子的特殊效果都可以很容易地实现。 虽然最初使用Havok引擎的《伦敦赛车手》并不理想，但很快，Havok技术被广泛应用于各个方面，变得无处不在。 其中包括电影《黑客帝国》和Valve的起源引擎。 2003年的《马克思佩恩 2》也很有价值。 该系列标志性的慢动作和Havok物理引擎无缝结合。 2004年的《超能力战警》可以像扔玩具一样到处乱扔敌人。 Havok的技术也应用于《神偷：死亡阴影》和《细胞分裂 3：混沌法则》，可以自由打倒游戏中的物体。
布偶的物理系统主要用于角色死亡或受伤的场景，成为了对玩家的巨大警戒的感觉报酬。 但成立于英国牛津的软件公司NaturalMotion于2001年开始探索物理和生物力学领域。 研究布偶的物理系统会在角色的行走、对话、活动等方面带来怎样的提高。 在集团专业生物学和工程背景下，NaturalMotion开发了Euphoria引擎。 通过模拟人体的运动神经系统、身体和肌肉，使角色能够做出一致的运动行为并响应环境事件。 也就是说，物体和力之间的作用决定了角色模型的实时效果。 2008年，Rockstar Studios认识到了Euphoria引擎的潜力，将其技术融合到了《侠盗猎车手 4》的RAGE引擎中。 当尼克贝里克穿梭在自由城市热闹的街道上时，行人会被他绊倒，挥舞着手臂后退，力求保持身体的平衡。 之后还有基于RAGE引擎开发的《荒野大镖客》和《马克思佩恩 3》。 Euphoria引擎也应用于LucasArts的《星球大战：原力释放》。
除了这些著名的游戏外，Euphoria引擎还应用于2009年的《美式橄榄球》。 在该游戏的宣传视频中，制片人Matthew Best展示了玩家可以操作的几列移动。 这包括抢答器、抢答器、卡片等，可以通过Euphoria引擎来实现。 Best先生这样介绍。 “在物理引擎出现之前，游戏内的所有互动都是由动画师制作，捕捉真人的动作并进行录音。 考虑到各种交互的复杂性，很难想象需要多少动画。” 从这个角度来看，布偶物理系统给开发者带来了很大的便利，降低了大规模动作的制作时间和成本。 《美式橄榄球》的评价不错，但为后来的体育类游戏树立了有说服力的标杆。 因此，使用的是像EA的《FIFA》、《麦登橄榄球》、以及《UFC》那样自行开发的Ignite引擎，动作效果非常突出。 Jonas Eneroth认为布偶物理系统有很多好处，但优秀的动画和模型绑定仍然是必不可少的。 抛开游戏开发的水平，我们这些玩家为什么对游戏中的布偶物理系统这么感兴趣呢？ 当我们看到这些人物模特像真人一样倒下和扭曲时，会感到强烈的满足感吗？ 这是为了让我们对游戏产生对现实的幻想，还是为了提高玩家和游戏角色之间的代入感？
Hugh Reynolds认为，布偶的物理系统支持着我们移情的需求。 与动画和运动捕捉完美配合，带来不可思议的效果。 也许通过用我们熟悉的方式操纵角色，我们可以更好地与广阔的游戏世界联系起来。 正如Thomas Jakobsen在《Advanced Character Physics》中所述，在物理引擎上开发游戏，准确性不是最重要的，可靠性是最重要的目标。 只要能让玩家沉浸在游戏中，使用什么手段都可以。 当然，物理引擎也会出现计算错误，有时会破坏这种沉浸式的感觉。 虽然有时会挫败玩家，但也会产生有趣的游戏体验，比如《辐射 4》的各种bug、《Skate 3》的不合常理的特技、《UFC 2》的怪异战斗姿态等等。 有些玩家还会故意破坏，或者利用物理引擎上的漏洞制造有趣的游戏效果。
如上所述，玩偶物理系统在一定程度上改变游戏模式。 它改变游戏方式的，正是利用了根植于玩家头脑中的牛顿定律。 Hugh Reynolds说：“牛顿定律就像脑子里的开关，可以自然地理解游戏的一切。 然后，根据现有条件，可以预测特定行为或动作会带来什么结果。 ”当玩家能够控制游戏的角色时，就更加能感受到这一点了。 例如，《基佬大乱斗》、《章鱼奶爸：致命捕捉》和《成长家园》。 这些游戏中的布偶角色就像玩偶一样，四肢由玩家控制。 随着虚拟现实的发展，这类玩家控制角色的形式也得到了进一步的发展。 《工作模拟器》是一款VR游戏，允许玩家在游戏中拾起和投掷物品，并展示了通过准确的手势控制布偶角色的可能性。 虽然此时的玩家看起来像是带着笨重的耳机在演木偶剧。
大胆地想想。 如果更换了玩家和游戏的角色，在游戏中力作用于了力量的话，对玩家自身的身体会有什么影响呢？ 例如子弹攻击和交通事故时的冲击效果？ 你期待这种物理作用的反馈吗？ 能适应吗？ 在这些问题解决之前，我们只能让虚拟角色们在游戏中代替我们继续挨打。 译者：嘉儿编辑：方圆
