Wie funktioniert die Physik in Videospielen?

(W-Seminar in Physik/Informatik)

Am Ludwigsgymnasium haben sich zirka ein Dutzend Schüler zum W-Seminar "Wie funktioniert die Physik in Videospielen?" angemeldet. Das Seminar hat bereits begonnen und findet damit in den Schuljahren 2009/10 und 2010/11 statt.

Das Seminar ist eine ziemlich interessante fächerübergreifende Mischung zwischen Physik und Informatik. Denn häufig stecken hinter den tollen, realistischen Bewegungen von Mario, Sonic & Co. nur ganz wenige, simple Physikprinzipien.

Das Ziel des Seminars ist: Die Teilnehmer können die wesentlichen Mechanismen verstehen lernen, die die wirklichkeitsnahen Bewegungen von Videospielfiguren auf einem PC ermöglichen.

Welche Themen sind geplant?

• Einführung in Vektorrechnung: Videospiele finden stets im zweidimensionalen Raum (d.h. in einer flachen Ebene) oder gar im dreidimensionalen Raum statt. Wer Bewegungen im zwei- oder dreidimensionalen Raum berechnen möchte, verwendet am besten die Vektorrechnung. Erfreulicherweise schreiben sich fast alle physikalischen Gesetze mit Vektoren genauso, wie wir sie schon bisher kennen. Dort, wo Unterschiede bestehen, werden wir das im Seminar besprechen. Dass Vektorrechnung bei der Programmierung ziemlich einfach handzuhaben ist, werden wir in ersten Projekten ausführlich testen.
  
  
• Die nötigen physikalische Gesetze: Egal ob das Männchen im Videospiel einfach nur hüpft oder von einer Wand abprallt oder durch einer Sprungfeder in Riesenhöhen katapultiert wird oder an einer Liane von Ast zu Ast schwingt oder, oder, oder...- es stecken praktisch immer die elementaren physikalischen Bewegungsgesetze (Newtons drei Gesetze, Impuls & Drehimpuls) dahinter. Diese Gesetze werden wir im Seminar theoretisch und praktisch (in Programmbeispielen) kennen lernen.
  
  
• Interaktion von Objekten: Wenn zwei "Objekte" (Ball mit Mauer? Auto mit anderem Auto? Kanonenkugel mit Steinblöcken? Männchen hängt an Liane? usw.) sich gegenseitig beeinflussen (Kollision, Reflexion an Mauern, usw.), dann müssen wir sie korrekt darauf reagieren lassen. Beispielsweise kann ein Männchen problemlos herumlaufen, solange es Boden unter den Füßen hat. Ohne diesen Boden stürzt es wegen der Gravitationskraft in die Tiefe. Ein Rennauto, das von einem anderen Rennauto gerammt wird, wird (mehr oder weniger) aus seiner bisherigen Bahn abgelenkt. Wie wir dieses Verhalten korrekt auf einem PC darstellen, soll das dritte Thema des Seminars sein. Die zugehörigen Beispiele sind dann schon echt richtig interessant!
  
  
• Grafische Gestaltung (Grundprinzipien): Bislang sehen unsere Programmbeispiele relativ "technisch" aus. Denn die beteiligten Objekte werden vor allem aus den Grundformen Kreis, Rechteck und Linie aufgebaut. Wer statt "Strichmännchen" oder Rechtecke als Autos schönere Grafiken verwenden will, wird in diesem Seminar zumindest Grundlagen dazu kennenlernen. Es hängt dabei aber auch viel vom Talent der einzelnen Teilnehmer ab, Grafiken am PC zu kreieren - und auch von der Geduld: Es könnte zum Beispiel sein, dass man alleine für die Laufbewegung eines Männchens 5 bis 10 verschiedene Bewegungsphasen zeichnen muss.
  
  

Download von Programmcode

• Headerdatei "physikengine_v1_11.h" mit den nötigen Bibliotheken zur Vektorrechnung und Bildschirmdarstellung als Grundlage zum Herunterladen. Die physikalischen Gesetze fehlen in dieser Datei komplett. Die werden wir im Seminar Schritt für Schritt ergänzen. (physikengine_v1_11.h, 19 KB)
  
• Headerdatei "physikengine_v1_20.h": Eine spätere Version der Bibliothek mit einigen implementierten physikalischen Gesetzen. Beispielsweise gibt es in der Bibliothek die Gravitations-, die Reibungs-, die Feder- und die Auftriebskraft. Außerdem ist ein einfacher Kollisionsdetektor bereits eingebaut und eine Verwaltungsklasse namens Szene, mit der Du physikalische Testszenen recht komfortabel zusammenbauen kannst. (physikengine_v1_20.h, 41 KB)