物理引擎(刚体属性)(1)

本文深入解析游戏开发中刚体组件的六大核心属性:质量、阻力、旋转阻力、重力使用、运动学规律遵循及碰撞检测模式。通过调整这些属性,开发者能够实现从羽毛飘落到子弹击中敌人的逼真物理效果。

写在前面

刚体是在使用物理引擎过程中经常用到的一个组件,刚体可以使物体在物理作用力的控制下运动,任何一个非角色对象,如果希望通过作用力及扭转力进行仿真运动,都需要挂在一个刚体组件,刚体设置了许多属性,变量和相关方法。

刚体属性的介绍

1.Mass(质量):
Mass属性表示刚体的质量,其数据类型是float默认值是1,在开发人员进行项目开发的时候一般这个属性的属性值应该设置成0.1~10.0,这样才符合日常生活,这个属性可以通过保持物体与物体之间的质量比来力高其物理仿真程度。

2.Drag(阻力):
这里面的阻力与物理材质球里面的阻力不一样,这里的阻力是指物体在移动过程中的阻力,当设置了这个属性,不管物体想那个方向移动,都会受到相同的Drag影响,类型为float默认值是0,其作用方向与物体的运动方向相反,通过设置这个属性,可以仿真制作羽毛与石子下落的场景。

3.Augular(旋转阻力):
旋转阻力是用来阻碍物体旋转的属性,如果将其设置为0,当给物体添加一个瞬时力的时候,物体将永不停歇的一直旋转下去,若不是0,则物体的旋转速度会越来越慢。

4.Use Gravity(是否使用重力);

5.Is Kinematic(是否遵循运动学规律):
该属性是指挂载这个组建的游戏对象是否遵循运动学规律,其数据类型是bool,默认是false,需要注意的是,当该属性值为true的时候,表示挂载这个组件的游戏对象只受脚本与动画的影响,作用力、关节、和碰撞都不会对其产生任何作用,但是这个物体还是会影响其他物体的运动状态,只有其值设为false时才能正常的进行物理计算。
应用:在射击类型的游戏中,当子弹打中敌人,敌人倒地,这个时候 Is Kinematic设为true。
6.Collision Dection(碰撞检测模式):

这个属性有四个模式Discrete、continuous、Continuous Dynamic、Continuous Speculative,
默认的模式是占用资源较少的Discrete,对于运动较慢,或者静止的物体建议使用这种模式,而对于体积较小并且告诉运动的物体建议使用Continuois Dynamic模式,而被使用了连续监测模式的物体所撞击的物体,则应该使用Continuous Dynamic模式。

使用检测其实是使用了两个不同的变量一个是contactOffset另一个是restOffset,添加这两个变量的初衷是为了让SDK能更好的控制相互靠近的物体,尽快将物体稳定下来;
我们可以粗俗一点的理解,contactOffset的作用相当于是把物体的碰撞形体变得肥了那么一点点,这样SDK可以更早以及更持续的获取两个物体之间的碰撞信息;
而restOffset的作用则是允许两个物体的嵌入深度,只要嵌入的不够深,那么SDK不会用力把物体分开。

<think>嗯,用户让我介绍一下PhysX物理引擎刚体动力学核心代码框架。我需要先回想一下PhysX的基本结构。PhysX是NVIDIA开发的物理引擎,广泛应用于游戏和模拟中。刚体动力学是其中重要的一部分,涉及刚体的运动和碰撞响应。 首先,用户可能对PhysX的架构不太熟悉,需要从整体结构讲起。PhysX的核心模块包括场景管理、刚体组件、碰撞检测、约束求解器等。我需要分点解释这些部分,但要注意用户提到的系统级指令,比如数学公式要用$...$,独立公式用$$...$$,并且用中文回答。 接下来,刚体动力学的核心代码可能涉及积分器、碰撞检测、约束求解等。积分器部分,PhysX用的是半隐式欧拉法,需要写出速度更新和位置更新的公式,例如:$$v_{n+1} = v_n + a_n \Delta t$$,$$x_{n+1} = x_n + v_{n+1} \Delta t$$。要确保公式格式正确。 然后,碰撞检测部分可能分为宽相位和窄相位。宽相位用SAP或者MBP,窄相位用GJK或SAT算法。这里需要解释这些缩写,比如SAP是扫描和修剪,GJK是Gilbert-Johnson-Keerthi算法,可能需要简单说明它们的作用。 约束求解器部分,PhysX使用PGS或者APGD方法。PGS是逐次超松弛投影算法,APGD是加速投影梯度下降。这里需要提到求解器的迭代过程,比如速度增量公式:$$\Delta v = J M^{-1} J^T \lambda$$,其中$\lambda$是拉格朗日乘子。要确保公式正确,并且用中文解释这些数学符号的含义。 用户可能还想知道代码结构,比如RigidDynamic类,包含质量、速度、惯性张量等属性。需要提到这些成员变量,以及PhysX如何管理场景中的刚体,比如Scene类的AddActor和Simulate方法。 另外,需要注意PhysX的优化策略,比如SIMD指令和并行计算,这在多核CPU上提高性能。用户可能是开发者,需要了解如何在实际项目中应用或优化PhysX,所以这部分信息对他们有帮助。 可能用户的问题背后是想了解PhysX的内部机制,以便进行定制开发或性能优化。因此,除了框架解读,还需要提到扩展点,比如自定义碰撞检测或约束类型,但PhysX的代码结构较为封闭,可能不太容易修改。 最后,总结PhysX的特点,比如高效、稳定,适合实时应用。确保回答结构清晰,分点说明,并正确使用LaTeX公式,避免使用Markdown格式。同时,语言要口语化,避免生硬的技术术语堆砌,让用户容易理解。</think>PhysX物理引擎(NVIDIA旗下)的刚体动力学实现是其核心模块之一,其代码框架设计体现了实时性、稳定性和物理精确性的平衡。以下分步骤解读关键实现逻辑: --- ### 一、核心架构分层 1. **场景管理层(Scene)** - 管理所有刚体、碰撞体、约束关系的容器 - 通过`PxScene`类实现空间分区加速结构(如SAP/MBP) ```cpp PxSceneDesc sceneDesc(physics->getTolerancesScale()); sceneDesc.gravity = PxVec3(0.0f, -9.81f, 0.0f); sceneDesc.cpuDispatcher = PxDefaultCpuDispatcherCreate(4); ``` 2. **刚体属性容器(RigidDynamic/RigidStatic)** - `PxRigidDynamic`存储质量、速度、角速度等动态属性 - 惯性张量计算通过`PxRigidBodyExt::updateMassAndInertia()`实现 --- ### 二、动力学计算管线 #### 步骤1:外力集成(Integrate External Forces) - 半隐式欧拉积分公式: $$v_{n+1} = v_n + (F_{ext}/m + g) \Delta t$$ $$q_{n+1} = q_n \otimes \left[0, \frac{1}{2}\omega_n \Delta t\right]$$ 代码实现见`Sc::BodyCoreIntegrator.cpp` #### 步骤2:碰撞检测(Collision Detection) 1. **宽相位(Broad Phase)** - 使用SAP(Sweep and Prune)或MBP(Multi Box Pruning)算法快速筛选潜在碰撞对 2. **窄相位(Narrow Phase)** - GJK/EPA算法计算穿透深度(见`Gu::GJKImpl.h`) - SAT(分离轴定理)处理凸多边形碰撞 #### 步骤3:约束求解(Constraint Solver) - 基于PGS(Projected Gauss-Seidel)迭代算法 $$\Delta v = J M^{-1} J^T \lambda$$ 其中$J$为雅可比矩阵,$M$为质量矩阵 - 代码核心在`Dy::SolverCore.cpp`中实现并行化求解 --- ### 三、关键数据结构 ```cpp struct PxRigidBodyData { PxVec3 linearVelocity; // 线速度 PxVec3 angularVelocity; // 角速度 PxReal invMass; // 逆质量 PxMat33 invInertia; // 逆惯性张量 PxTransform globalPose; // 全局位姿 }; ``` --- ### 四、性能优化策略 1. **SIMD向量化** - 使用SSE/AVX指令加速矩阵运算(如`Vec4V`类型) 2. **惰性计算模式** - 仅在需要时更新世界惯性张量(`updateKinematicState()`) 3. **岛屿化(Island Generation)** - 将无相互作用的刚体分组并行处理 --- ### 五、代码扩展点 1. **自定义材质** 继承`PxMaterial`实现摩擦/恢复系数定制 2. **碰撞回调** 通过`PxSimulationEventCallback`实现碰撞事件订阅 3. **用户数据关联** `userData`字段绑定游戏对象指针 --- ### 六、典型代码流程 ```cpp // 创建刚体 PxRigidDynamic* body = physics->createRigidDynamic(pose); body->attachShape(*shape); scene->addActor(*body); // 模拟循环 while (running) { scene->simulate(dt); // 执行物理计算 scene->fetchResults(true); // 获取结果 } ``` --- PhysX的刚体动力学实现通过分层解耦、数学优化和硬件加速,在保持物理真实性的同时满足实时性需求。其核心思想是将连续物理过程离散化为可并行处理的数学问题,并通过迭代逼近真实解。
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