C++游戏引擎开发指南：使用PhysX实现小球掉落物理模拟-优快云博客

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C++游戏引擎开发指南：使用PhysX实现小球掉落物理模拟

cpp-game-engine-book 从零编写游戏引擎教程 Writing a game engine tutorial from scratch 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/cp/cpp-game-engine-book

物理引擎入门：PhysX基础应用

在游戏开发中，物理引擎是不可或缺的核心组件之一。本文将基于一个C++游戏引擎开发项目，详细介绍如何使用NVIDIA PhysX物理引擎实现一个简单的小球掉落效果。

PhysX简介

PhysX是NVIDIA开发的一款强大的物理引擎，广泛应用于游戏和虚拟现实领域。它提供了刚体动力学、碰撞检测、布料模拟、流体模拟等多种物理模拟功能。作为一款成熟的物理引擎，PhysX具有以下特点：

跨平台支持
多线程优化
硬件加速能力
完善的调试工具

项目环境准备

在开始之前，我们需要确保开发环境已经配置好PhysX SDK。项目使用CMake作为构建系统，PhysX SDK已经集成到项目中。

基础实现步骤

实现小球掉落效果主要分为以下几个步骤：

初始化PhysX引擎
创建物理场景
添加静态地板
创建动态小球
模拟物理更新

让我们逐一分析每个步骤的实现细节。

1. 初始化PhysX引擎

PhysX的初始化是使用引擎的第一步，主要包括创建Foundation对象、连接可视化调试器和初始化物理SDK：

void InitPhysics() {
    // 创建Foundation实例（每个进程只需一个实例）
    gFoundation = PxCreateFoundation(PX_PHYSICS_VERSION, gAllocator, gErrorCallback);
    
    // 连接PVD（PhysX可视化调试器）
    gPvd = PxCreatePvd(*gFoundation);
    PxPvdTransport* transport = PxDefaultPvdSocketTransportCreate("127.0.0.1", 5425, 10);
    gPvd->connect(*transport, PxPvdInstrumentationFlag::eALL);
    
    // 创建PhysX SDK实例
    gPhysics = PxCreatePhysics(PX_PHYSICS_VERSION, *gFoundation, PxTolerancesScale(), true, gPvd);
}

关键点解析：

Foundation对象：是PhysX的核心基础对象，负责内存管理和错误报告
PVD连接：PhysX Visual Debugger是强大的可视化调试工具，可以实时查看物理模拟状态
内存管理：PhysX允许自定义内存分配器和错误回调，但项目中使用默认实现

2. 创建物理场景

物理场景(Scene)是物理模拟的容器，所有物理对象都需要添加到场景中：

void CreateScene() {
    PxSceneDesc sceneDesc(gPhysics->getTolerancesScale());
    sceneDesc.gravity = PxVec3(0.0f, -9.81f, 0.0f);  // 设置重力加速度
    
    // 创建CPU调度器（设置2个工作线程）
    gDispatcher = PxDefaultCpuDispatcherCreate(2);
    sceneDesc.cpuDispatcher = gDispatcher;
    
    // 使用默认的碰撞过滤着色器
    sceneDesc.filterShader = PxDefaultSimulationFilterShader;
    
    // 创建场景
    gScene = gPhysics->createScene(sceneDesc);
    
    // 配置PVD场景客户端
    PxPvdSceneClient* pvdClient = gScene->getScenePvdClient();
    if(pvdClient) {
        pvdClient->setScenePvdFlag(PxPvdSceneFlag::eTRANSMIT_CONSTRAINTS, true);
        pvdClient->setScenePvdFlag(PxPvdSceneFlag::eTRANSMIT_CONTACTS, true);
        pvdClient->setScenePvdFlag(PxPvdSceneFlag::eTRANSMIT_SCENEQUERIES, true);
    }
}

场景参数说明：

重力设置：Y轴负方向，大小9.81m/s²（地球表面重力加速度）
线程配置：可以根据CPU核心数调整工作线程数量
碰撞过滤：默认的过滤着色器可以满足基本需求

3. 创建静态地板

地板是一个静态刚体，不会受物理模拟影响：

void CreatePlane() {
    // 创建物理材质（静摩擦系数0.5，动摩擦系数0.5，恢复系数0.6）
    gMaterial = gPhysics->createMaterial(0.5f, 0.5f, 0.6f);
    
    // 创建地板平面（法向量为Y轴正方向）
    PxRigidStatic* groundPlane = PxCreatePlane(*gPhysics, PxPlane(0,1,0,0), *gMaterial);
    gScene->addActor(*groundPlane);
}

物理材质参数：

静摩擦系数（Static Friction）：物体开始滑动时的阻力
动摩擦系数（Dynamic Friction）：物体滑动时的持续阻力
恢复系数（Restitution）：碰撞后的弹性，1.0表示完全弹性碰撞

4. 创建动态小球

小球是一个动态刚体，会受到重力影响：

void CreateBall() {
    // 创建动态刚体，初始位置(0,10,0)
    PxRigidDynamic* body = gPhysics->createRigidDynamic(PxTransform(PxVec3(0, 10, 0)));
    
    // 创建球体形状，半径0.5
    float radius = 0.5f;
    PxShape* shape = gPhysics->createShape(PxSphereGeometry(radius), *gMaterial);
    body->attachShape(*shape);
    shape->release();  // 减少引用计数
    
    // 计算质量（体积×密度）
    PxRigidBodyExt::updateMassAndInertia(*body, 10.0f);
    
    gScene->addActor(*body);
}

刚体类型说明：

PxRigidDynamic：动态刚体，参与完整的物理模拟
PxRigidStatic：静态刚体，不参与动力学模拟

5. 物理模拟更新

模拟游戏引擎的更新循环：

void Simulate() {
    static const PxU32 frameCount = 10000;
    for(PxU32 i=0; i<frameCount; i++) {
        // 模拟1/60秒的物理状态
        gScene->simulate(1.0f/60.0f);
        // 获取模拟结果
        gScene->fetchResults(true);
    }
}