06 游戏物理

游戏物理的基本概念

物理引擎是现代商业引擎中一个非常重要模块
物理引擎通过为刚性物体赋予真实的物理属性的方式来计算运动、旋转和碰撞反映实现包括布料，破碎，粒子等各种酷炫的物理效果

主流的物理引擎

PhysX

• 属于NVIDA，现已开源，是UE4和Unitl的主要内置物理引擎，使用它的游戏非常多

Havok

• 老牌的商业引擎，代表作品包括：刺客信条，Doom Eternal，Monster Hunter World等

Chaos

• Epic Games自研的新一代物理引擎，是UE5的唯一物理引擎

特性包括布料，破坏，双精度等，目前仍处于测试阶段

其他

• Bullet Physics(开源)
• Newton Dynamics(开源)

以下如未特别说明，一般以Chaos和PhysX作为代表

游戏物理世界的基本组成

Body和Shape:

• Body是游戏物理引擎的基本模拟对象，它包含着一些基本状态，例如位置，旋转，动量和角动量等等

• Body本身没有碰撞功能，碰撞功能是由附着在其之上的Shape提供的，一个Body可同时拥有多个碰撞体，以逼近视觉体验

Simulated

• 拥有完全模拟特性的Body

Kinematic

• 外部驱动的物理体，拥有无限质量，常用于游戏中一些按轨迹移动的机关，Kinematic之间没有碰撞

Constraint

• 这是一类抽象实体，用来描述Body自身和Body之间的运动限制，一般最常见的是Joint Constraint，它连接着两个Body，提供了6个自由度〔3轴平移和3轴旋转)的限制功能

物理引擎假设的是一个刚性的世界，就Body和Shape本身而言没有变形和塑形的功能，以下会用刚体一词来代称Body

物理引擎中的各种shape

解析类型(最常用，效率最高的碰撞类型)

• Sphere
• Capsule
• Box
• Plane

  Convex Meshes

  • 凸多边形，性能一般

Triangle Meshes

• 任意多边形，性能较差

Height Fields

• 高程，主要用于地形

模拟

模拟相当于把物体的运动托管给物理系统，不需要任何的接口调用，通过simulate对场景进行模拟

物理引擎有自己额外的线程

模拟的基本流程如下

• Pre Physics

  • 模拟前准备，在这个阶段设置好参数

• During Physics

  • 碰撞粗检测，检测碰撞盒的交叉集， 若有，进行进一步检测

- 生成Collision Pair，生成Joint Pair， 生成其他Constraint Pair

- 生成多个island Graph
    - 将有碰撞和被Constraint连接在—起的刚体放到一个容器中，以降低计算复杂度

- 不同island之间可以并行计算，得到结果
    - integrate
    - solve Constraints(Per island)
        - Position
        - Velocity
        - Projection
    - 常见约束不同阶段的用途

        - 碰撞
            - Position：分离姿态
            - velocity：反弹和摩擦
        - 关节
            - Position：关节姿态
            - velocity：临界限制的反弹
            - Projection:后处理修饰

• End Physics

  • 根据收集的模拟结果，回传状态

  检测

主要是场景进行相关的碰撞检测，返回查询结果，一般分为以下三种

• Raycast，射线检测

• Sweep，给定一个直线轨迹，用几何Shape去测试

• Overlap，给定一个Transform，用几何Shape去测试

虚幻引擎的物理应用

碰撞shape类型

• Simple

  • 包括Box / Sphere / Capsule /Convex

  • 支持完整的模拟特性

  • 可用于检测

• Complex

  • 特指Triangle Mesh

  • 可用于检测

  • 在模拟时，仅支持Kinematic Body

• Simple和Complex可以共存于同一个模型资产和Body上，分别用于不同的用途

碰撞通道

• 在同一个物理世界中，经常需要将模拟对象相互隔离，所以要引入碰撞通道的
  概念

• Channel(也称为Object Type）和响应关系

  • 一个刚体拥有一个Channel和一张碰撞响应表

  • 对于检测，API会给出反应Channel

  • 对于碰撞，只有两个刚体的碰撞响应表对彼此的Channel都有响应，才会发生碰撞

  • 可以在Project Settings中添加新的通道

• 三种响应

  • lgnore忽略（对检测和碰撞都没有反应)

  • Overlap重叠〔检测时不阻挡射线，模拟时无碰撞)

  • Block阻挡〔检测时会阻挡射线，模拟时有碰撞)

• 碰撞预设（也称为Profile)

  • 代表─个刚体的Channel和碰撞响应表组合

  • UE默认提供了一组预设，也可以在Project Settings中添加新的预设

  • 也可以在刚体上自定义

• 注意: Profile和Channel往往拥有同一个名字，但它们不是一回事，不要混淆

物理材质

• 记录物理参数的资源格式，包含若干个物理相关的参数

• 可被链接在洁染材质上，方便管理

• 也可直接在蓝图和实例上费盖

Skeletal Mesh Physics

• 骨骼模型的顶点会参与蒙皮动画的计算，位置会随动画变化

• 采用基本几何体和凸包，配合约束作为骨骼模型的Physics Asset

• 理论上，可以添加Complex /Triangle Mesh作为碰撞体，但实践上很少这么做

• 除了角色的Ragdoll，Skeletal Mesh Physics还可以应用在其它场合，比如车辆

物理动画

基于动画及真实物理模拟插值的动画系统，应用到骨骼模型上

• 基本刚体+约束组成

• 骨骼动画更新获取骨骼矩阵

• 刚体基于当前数据，模拟之后获取物理数据

• 基于一定权重做动画与真实物理的融合，得出最终的骨骼位置

物理应用层优化

优化的基本原则

• 降低物理场景的复杂度

• 挑选合适的模拟参数

  • 挑选合适的迭代次数

  • 使用合理的帧率

  • 使用最简单的约束设定以达到关节效果

• 使用合适的查询方法

  • 降低碰撞盒查询得到的对象数量

  • 降低物理查询本身的损耗

  • 返回单一结果

  • 使用异步方法进行批量查询

• 使用“替代物理”

  • 根据应用场景定制规则

  • 与主物理世界隔离

  • 能进行针对性的优化

未来发展

• Tighter integration with gameplay

• Deterministic Simulation

• Big World

• Deformable

• GPU Acceleration

• More data driven, more intelligence