物理引擎介绍

一、简介

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。为每个游戏使用物理引擎并不是完全必要的—简单的“牛顿”物理（比如加速和减速）也可以在一定程度上通过编程或编写脚本来实现。

然而，当游戏需要比较复杂的物体碰撞、滚动、滑动或者弹跳的时候（比如赛车类游戏或者保龄球游戏），通过编程的方法就比较困难了。

 

物理引擎使用对象属性（动量、扭矩或者弹性）来模拟刚体行为，这不仅可以得到更加真实的结果，对于开发人员来说也比编写行为脚本要更加容易掌握。好的物理引擎允许有复杂的机械装置，像球形关节、轮子、气缸或者铰链。有些也支持非刚性体的物理属性，比如流体。

物理引擎可以从另外的厂商购买，而一些游戏开发系统具备完整的物理引擎。但是要注意，虽然有的系统在其特性列表中说他们有物理引擎，但其实是一些简单的加速和碰撞检测属性而已。

　自从游戏中加入了物理引擎后就不一样了，物理引擎完全突破了以往按预定脚本执行的方式，而是要求在3D游戏中的那些物体都要遵行物理参数来运行。这样的好处就是如果你的显卡和处理器足够强大，物理引擎就能模拟真实世界中各种物体运动的规律来运动。不过所谓的“物理引擎”并不是指那些实实在在的物理效果，物理引擎和此前理解的3D游戏引擎类似，是给游戏开发者的一个平台，允许游戏开发人员只用几行代码就能在游戏中加入烟雾等效果，非常方便。

　　举个简单的例子，在几年前还没有物理引擎的时候，在那种FPS游戏中，一位士兵往一个油桶旁边扔一个手雷，手雷爆炸，引起了油桶的爆炸。不过这个过程显得相当死板，不管是把手雷丢在油桶的左边还是右边，油桶都只会按照预先设计的样子爆炸，不会有区别。如果有了物理引擎，手雷扔在油桶的左边或右边都会产生不同的爆炸效果，石块会朝不同的角度飞溅起来，烟雾也会慢慢冒起来……通过物理引擎，实现这些物体之间相互影响的效果是相当简单的。这是物理计算最初给的印象，虽然这样的设计有点意思，但老是看这些爆炸场景看多以后，但总让人感觉物理引擎的效果也就仅局限于那些爆炸后石头飞起来的场景，感觉有点单一。

 

 

 

 

1. Havok:

效率来说Havok是软件模拟最快的。网址，http://www.havok.com/  要license的。

 

　　老牌的君王，支持功能如下：

　　· Collision Detection - including Continuous Physics?

　　· MOPP? Technology - for compact representation of large collision meshes

　　· Dynamics and Constraint Solving

　　· Vehicle Dynamics

　　· Data Serialization and Art Tool Support

　　· Visual Debugger for in-game diagnostic feedback

　　有不少游戏和软件都选择了他做物理引擎，比如HALO3，失落星球，HL2， 细胞分裂，指环王Online ..etc现在Havok被Intel收购了，以后可能对Intel的CPU会有特别的优化。

　　Havok对PS2、XBOX、GameCube、PC多种游戏平台都有支持。也是世界顶级游戏公司Valve（Half Life的公司），Pandemci，Remedy等的合作伙伴。这个物理引擎曾经支持过各种类型的游戏，包括racing game，first-persion shooter，MMOGs，adventure games，puzzle games等等。Hovak还曾经负责电影Matrix的部分效果处理。

　　成功案例：

　　Crash Nitro Kart、Half-Life 2、Max Payne 2、Medal of Honor、F.E.A.R.、Lord of the Rings: Middle Earth Online。

2. NovodeX --- AGEIA PhysX

而PhysX提供的接口是非常好和简单易学的。physX SDK是可以免费使用的，只要注册就可以下载。网址，http://www.ageia.com/

属于NVIDIA。

 

　　新兴的王者，支持功能如下：

　　· Massively Parallel Physics Architecture

　　· High-speed GDDR3 Memory Interface

　　· AGEIA Universal Continuous Collision Detection

　　· AGEIA Physical Smart Particle Technology

　　· AGEIA Complex Object Physics System

　　· AGEIA Scalable Terrain Fidelity

　　· AGEIA Dynamic Gaming Framework

　　因为特有的硬件卡（物理加速卡-PPU）支持，所以能处理大量的物理运算，其他几款暂时没得比。Unreal3，GameBryo， Reality Engine等多款商业引擎和游戏都使用了他。

　　NovodeX是由开发PPU的公司AGEIA进行维护，因此对于将来PPU硬件的支持，无疑NovodeX是最有优势的。NovodeX是一个模拟刚体动力学的物理引擎，支持速度，加速度，动量，冲量，碰撞等等的物理概念。NovodeX的开发库支持跨平台，多线程，高速碰撞检测等特性，专门对汽车物理的模拟做了优化。案例：

　　根据官方文档，已经有超过60个游戏工作室、公司和研究机构采用了NovodeX的技术。

扩展：（PPU介绍）

PPU就是Physics Processing Unit（物理运算处理器），如果CPU是为了达到更快的运算速度，GPU是为了达到更好的图像效果，那么PPU就是为了使游戏更加真实。在以前的3D游戏中，大多数的背景和物体都只是一些死死的贴图效果，毫无真实感可言。而在去年发布的FPS游戏大作Half Life 2（半条命2）中，游戏开发商就给了玩家们一个非常真实的物理世界。你可以在游戏中捡起一个废纸盒，然后把它抛向远处，然后可以看见它撞击到墙壁以后反弹到上地面上，溅起一阵灰尘。接近于真实物理效果使得游戏不再是由一个个的贴图组成，任何物体都是可移动的，它们都遵守着游戏中的物理参数，组成了一个“真实”的游戏世界。

 

3. Bullet

　　开源届的霸主，支持功能如下：

　　· Multi Platform support

　　· Supports various shape types:

　　· Discrete Collision Detection for Rigid Body Simulation

　　· Single Queries:

　　· Sweep and Prune Broadphase

　　· Documentation and Support

　　· Auto generation of MSVC project files,comes with Jam build system

　　· Bullet Collision Detection works with Bullet Dynamics,but there is also a sample integration with Open Dynamics Engine.

　　· Framework with 2 different Constraint Solvers

　　· Hinge,Point to Point Constraint,Twist Cone Constraint (ragdolls)

　　· Automatic de-activation (sleeping)

　　· Generic 6 Degree of Freedom Constraint,Motors,Limits

　　· LCP Warm starting of contact points

　　· Collada 1.4 Physics Import using FCollada and COLLADA-DOM

　　· Convex Decomposition Code

　　这款物理引擎的历史也比较久了，但似乎国内知道的ODE的人更多一些，这款物理引擎被Nvidia的开发人员所关注（Nvidia前些时候说过，要用GPU来实现物理加速，可能会最先在这款物理引擎上实现。）

　　（Tip: 这款引擎是开源的，有兴趣的朋友，可以看看。）

4. ODE（Open Dynamics Engine）

        网址， http://www.ode.org/

　　开源的名角，支持功能如下：

　　· Rigid bodies with arbitrary mass distribution.

　　· Joint types: ball-and-socket,hinge,slider (prismatic),hinge-2,fixed,angular motor,linear motor,universal.

　　· Collision primitives: sphere,box,cylinder,capsule,plane,ray,and triangular mesh,convex.

　　· Collision spaces: Quad tree,hash space,and simple.

　　· Simulation method: The equations of motion are derived from a Lagrange multiplier velocity based model due to Trinkle/Stewart and Anitescu/Potra.

　　· A first order integrator is being used. It's fast,but not accurate enough for quantitative engineering yet. Higher order integrators will come later.

　　· Choice of time stepping methods: either the standard ``big matrix'' method or the newer iterative QuickStep method can be used.

　　· Contact and friction model: This is based on the Dantzig LCP solver described by Baraff,although ODE implements a faster approximation to the Coloumb friction model.

　　· Has a native C interface (even though ODE is mostly written in C++).

　　· Has a C++ interface built on top of the C one.

　　· Many unit tests,and more being written all the time.

　　· Platform specific optimizations.

　　· Other stuff I forgot to mention...

　　嘿嘿，这个就不用做过多的介绍了，国内使用和学习这个的人比较多了。只是最近看到他的网页上有这么一句话：“Russell Smith is the primary author of ODE.”不知道是谁又伤害了这位仁兄。

　　（Tip: Google一下，中文文章一大把。）

5. TOKAMAK

　　最近想通了，决定开源了。支持功能如下：

　　· Joints

　　· Friction

　　· Stacking

　　· Collision Detection

　　· Rigid Particle

　　· Breakage

　　这个物理引擎出现也比较早了，作者是日本人，其实日本的游戏也很发达的，能把技术共享出来，难得啊。（日文的技术网站还是很多的。）

6. Newton

　　更多的专注于生活中的实例模拟。

　　⒍ Simple Physics Engine

　　国产精品，支持功能如下：

　　· 使用独创的快速而稳定的Tri-Mesh碰撞检测算法，使载入模型数据异常简单。SPE的碰撞检测系统从一开始就是针对三角形网格（Tri-Mesh）而设计，所以用户可以方便地使用mesh文件创建任意形状的刚体，SPE内部将自动处理所有工作。同时，SPE支持球和胶囊两种基本几何形状，方便用户创建粒子特效和ragdoll系统。此外，SPE支持一定条件下的连续碰撞检测，可以正确地处理大多数情况下的高速运动物体。

　　· 碰撞信息分析。SPE对碰撞检测系统产生的数据进行智能化分析，为碰撞反应计算提供更可靠更正确的原始数据，极大地提高了系统的稳定性。

　　· 稳定的碰撞与接触解决系统。从1.5版开始，SPE采用全新的解决算法，更正确地计算摩擦与反弹，而且更稳定。

　　· SPE提供一种稳定的基本Joint功能，支持最大距离、弹性系数以及破坏力等参数的配置，用户可以使用它方便地创建各种其他类型的Joint。

　　· 实时刚体破碎。（Beta）。SPE提供“形状操作”的功能，任何模型均可被一组平面或另一个模型切成小块，SPE生成的模型中包括用于区分原始表面与切面的属性信息，方便用户更合理地渲染出新的形状。目前，可破坏刚体的API已经开放。

　　· 高并行计算。SPE已经完成了多线程化以充分利用多核心CPU的性能. 90%以上的计算任务都可均匀地分配到任意数量的线程中去. 与单线程相比，双线程至少能提供60%的性能提升，而四线程可以带来150%以上的性能提升。使用SPEWorld::SetNumThreads（）即可在任何时候开启多线程计算。

　　· 简单易用而人性化的接口，极大地降低了SPE与其他软件系统结合的难度，使用户在瞬间即可建立一个具有真实物理属性的世界。