Box2D物理引擎架构：从BroadPhase到ContactSolver

Box2D物理引擎架构：从BroadPhase到ContactSolver

【免费下载链接】box2d Box2D is a 2D physics engine for games 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/bo/box2d

Box2D作为一款成熟的2D物理引擎，其核心架构围绕碰撞检测与物理响应展开。本文将深入剖析从BroadPhase（ broad phase，宽相位）到ContactSolver（ contact solver，接触求解器）的完整流程，揭示物理世界中物体交互的底层实现。

物理引擎核心流程概述

Box2D的物理模拟遵循经典的"检测-求解" pipeline（管道），主要包含四个阶段：

• BroadPhase：快速筛选潜在碰撞对，排除明显不相交的物体对
• 碰撞检测：精确计算碰撞点和法向量
• 约束生成：将碰撞信息转化为数学约束
• ContactSolver：求解约束方程组，更新物体运动状态

关键数据结构

物理世界的核心状态由以下模块维护：

• 动态树（src/dynamic_tree.c）：空间划分数据结构，加速碰撞检测
• 接触管理器（src/contact.c）：管理碰撞对生命周期
• 约束图（src/constraint_graph.c）：组织待求解的物理约束

BroadPhase：碰撞检测的第一道防线

BroadPhase（宽相位）阶段的任务是高效找出潜在碰撞的物体对，避免对所有物体对进行昂贵的精确碰撞检测。Box2D采用动态AABB树（Axis-Aligned Bounding Box Tree，轴对齐包围盒树）实现这一功能。

动态AABB树原理

动态AABB树是一种自平衡空间索引结构，每个节点表示一个轴对齐包围盒（AABB）：

// 动态树节点结构 [src/dynamic_tree.c#L19-L50]
typedef struct b2TreeNode
{
    b2AABB aabb;               // 节点包围盒
    uint64_t categoryBits;     // 碰撞过滤掩码
    union {
        struct { int32_t child1, child2; };  // 子节点（内部节点）
        uint64_t userData;                   // 用户数据（叶节点）
    };
    union { int32_t parent; int32_t next; }; // 父节点或自由链表指针
    uint16_t height;           // 节点高度
    uint16_t flags;            // 节点状态标志
} b2TreeNode;

树的构建采用表面积启发式算法（Surface Area Heuristic），通过最小化包围盒表面积来优化查询效率。当物体移动时，树会动态调整结构以保持平衡性。

碰撞对检测流程

1. 移动标记：跟踪位置发生显著变化的物体

   // 标记需要重新检测的物体 [src/broad_phase.h#L74-L82]
   static inline void b2BufferMove(b2BroadPhase* bp, int queryProxy)
   {
       bool alreadyAdded = b2AddKey(&bp->moveSet, queryProxy + 1);
       if (!alreadyAdded) {
           b2IntArray_Push(&bp->moveArray, queryProxy);
       }
   }
   

2. 重叠查询：对移动物体执行AABB重叠测试

3. 碰撞对过滤：使用碰撞掩码（categoryBits）过滤无效碰撞对

4. 结果缓存：将潜在碰撞对存入pairSet集合（[src/broad_phase.h#L48]）

性能优化策略

• 增量更新：仅重新处理移动的物体
• 分层树结构：内部节点自动合并子节点AABB
• SIMD优化：使用SSE指令加速AABB合并计算（[src/dynamic_tree.c#L745-L751]）

从BroadPhase到Contact：碰撞信息的精确计算

经过BroadPhase筛选的潜在碰撞对，需要进行精确碰撞检测以获取碰撞点、法向量等详细信息。

碰撞检测流水线

1. 形状类型路由：根据碰撞体形状类型调用相应的碰撞算法

   // 碰撞检测函数注册 [src/contact.c#L202-L220]
   void b2InitializeContactRegisters(void)
   {
       b2AddType(b2CircleManifold, b2_circleShape, b2_circleShape);
       b2AddType(b2CapsuleAndCircleManifold, b2_capsuleShape, b2_circleShape);
       // ... 其他形状组合
   }
   

2. 流形计算：针对不同形状组合使用专用碰撞算法

   • 圆-圆碰撞：[src/contact.c#L105-L110]
   • 胶囊-圆碰撞：[src/contact.c#L112-L117]
   • 多边形-多边形碰撞：[src/contact.c#L140-L145]

3. 接触点持久化：匹配连续帧中的碰撞点，保持接触状态连续性

   // 接触点匹配 [src/contact.c#L620-L654]
   for (int i = 0; i < pointCount; ++i) {
       b2ManifoldPoint* mp2 = contactSim->manifold.points + i;
       for (int j = 0; j < oldManifold.pointCount; ++j) {
           if (mp1->id == id2) {
               mp2->normalImpulse = mp1->normalImpulse;  // 脉冲继承，用于热启动
               mp2->tangentImpulse = mp1->tangentImpulse;
               mp2->persisted = true;
               break;
           }
       }
   }
   

碰撞信息存储

接触信息被封装在b2Contact和b2ContactSim结构中：

// 接触模拟数据 [src/contact.c#L337-L362]
b2ContactSim* contactSim = b2ContactSimArray_Add(&set->contactSims);
contactSim->contactId = contactId;
contactSim->shapeIdA = shapeIdA;
contactSim->shapeIdB = shapeIdB;
contactSim->cache = b2_emptySimplexCache;
contactSim->manifold = (b2Manifold){ 0 };
contactSim->friction = world->frictionCallback(...);
contactSim->restitution = world->restitutionCallback(...);

b2Manifold结构记录碰撞几何信息，包括法向量和接触点集：

ContactSolver：求解物理约束

ContactSolver（接触求解器）是物理引擎的"心脏"，负责计算物体在碰撞时的受力和运动状态变化。

约束表示

每个碰撞接触点会生成一个法向约束和一个切向约束（摩擦力）：

// 接触约束结构 [src/contact_solver.h#L22-L38]
typedef struct b2ContactConstraint
{
    int indexA;                       // 物体A索引
    int indexB;                       // 物体B索引
    b2ContactConstraintPoint points[2];// 接触点数组
    b2Vec2 normal;                    // 碰撞法线
    float invMassA, invMassB;         //  inverse mass（逆质量）
    float invIA, invIB;               //  inverse inertia（逆转动惯量）
    float friction;                   // 摩擦系数
    float restitution;                // 恢复系数
    float tangentSpeed;               // 切向速度
    float rollingResistance;          // 滚动阻力
    float rollingMass;                // 滚动质量
    float rollingImpulse;             // 滚动冲量
    b2Softness softness;              // 约束柔度
    int pointCount;                   // 接触点数量
} b2ContactConstraint;

约束求解算法

Box2D采用**Sequential Impulse（顺序冲量法）**求解约束系统：

1. 热启动：使用上一帧的冲量值初始化求解器

   // 热启动接触约束 [src/contact_solver.h#L51]
   void b2WarmStartContactsTask(int startIndex, int endIndex, b2StepContext* context, int colorIndex);
   

2. 迭代求解：多次迭代更新冲量，逐步逼近约束方程的解

   // 求解接触约束 [src/contact_solver.h#L52]
   void b2SolveContactsTask(int startIndex, int endIndex, b2StepContext* context, int colorIndex, bool useBias);
   

3. 位置修正：应用位置冲量修正物体位置，防止穿透

并行求解优化

为提升性能，Box2D使用图着色算法将约束划分为独立组，实现并行求解：

// 约束图颜色划分 [src/constraint_graph.c]
b2GraphColor colors[B2_GRAPH_COLOR_COUNT];

每个颜色组的约束可以安全地并行求解，因为组内约束不存在共享物体。这种方法在多核CPU上可显著提升性能。

实战分析：碰撞响应全过程

以下落的箱子撞击地面为例，完整的物理响应流程如下：

1. BroadPhase检测：

   • 箱子AABB与地面AABB重叠
   • 添加到潜在碰撞对列表（[src/broad_phase.h#L35-L36]）

2. 精确碰撞检测：

   • 调用b2CollidePolygonAndPolygon计算碰撞流形
   • 生成2个接触点（[src/contact.c#L620-L654]）

3. 约束生成：

   • 创建b2ContactConstraint结构
   • 设置摩擦系数0.3，恢复系数0.2

4. 约束求解：

   • 热启动：使用上次接触冲量（0）
   • 迭代10次更新冲量
   • 应用冲量改变箱子速度（法向反弹+切向摩擦减速）

总结与扩展

Box2D的物理引擎架构通过分层设计实现了高效精确的物理模拟：

• 空间划分（BroadPhase）减少碰撞检测数量级
• 精确碰撞计算提供详细接触信息
• 约束求解将物理定律转化为数值解

开发者可通过调整以下参数优化物理模拟：

• b2World构造参数：重力、迭代次数
• 形状属性：密度、摩擦系数、恢复系数
• 求解器参数：位置迭代次数、速度迭代次数

深入理解这些核心模块有助于开发更真实的物理交互，解决复杂的碰撞场景和性能瓶颈。更多高级特性可参考官方文档：docs/simulation.md。

【免费下载链接】box2d Box2D is a 2D physics engine for games 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/bo/box2d