Havok和Physx对比

物理引擎主要包含游戏世界中的物体之间、物体和场景之间发生碰撞后的力学模拟,以及发生碰撞后的物体骨骼运动的力学模拟。目前从市面上来讲,比较出名的就是havok公司的game dynamics sdk和刚刚加入NVIDIA 公司的PHYSX。在此我想讨论和比较的是两款物理引擎的性能的目前发展。
200824,全球视觉计算技术的行业领袖NVIDIA宣布,公司已经签署了收购物理游戏技术的行业领袖AGEIA科技公司的最终协议。NVIDIA(英伟达)公司(www.nvidia.cn联合创始人、总裁兼首席执行官黄仁勋(Jen-Hsun Huang)表示:“AGEIA公司是一个世界级的团队,他们与我们从事于同样的事业——那就是创造最令人惊异和最令人流连忘返的游戏体验。与创造了世界上最普及的GPU(图形处理器)和物理引擎品牌的团队联合,我们现在可以将采用了PhysX加速的GeForce?显卡奉献给全世界的亿万游戏玩家 AGEIA公司(http://www.ageia.com创始人兼首席执行官Manju Hegde表示:“NVIDIA(英伟达)公司对我们来说非常合适,他们拥有全球最先进的并行运算技术,同时他们还是GPU(图形处理器)以及游戏领域拥有前瞻性思维的领路人。我们一致的理念源自我们为用户提供创新的、孜孜不倦的游戏体验的激情,正是这一理念促使我们走到一起
且不说是否真的是如AGEIA所说的这次合作仅仅是为了“强强联手”,但是尽看physX 的目前相关资料可以看出,加入NVIDIA对于推动physX 所提出的“物理加速”这一想法的实施是有很大功劳的。且看NVIDIA官网上的这段资料:
Adobe Systems正式发布了新版多媒体创作软件“Adobe Director 11”,拥有更富弹性、更易用的创作环境,可以让多媒体作者、动画师、开发人员创作更强大的交互式程序、游戏、电子学习和模拟产品。

有了Director 11,再加上Shockwave Player,用户就可以把Flash SWF文件导入项目中,使用Director或者Shockwave播放、使用Flash CS3 Professsional编辑。此外,Director 11还支持大量的第三方插件扩展、支持Unicode编码支持AGEIA PhysX物理引擎,运用其强大专业的物理运算处理,可实现精密庞大的物理运算,呈现各种复杂而真实的物理运动,真实场景所带来的震撼体验将犹如身临其境!

Director 11支持40多种音频、视频和图形格式,并增加了对Adobe Flash 9技术和位图过滤,为文字、图形增加阴影和火焰效果将更加简单。此外,Director 11支持JavaScriptLingo编程语言,其中后者是Director的原生脚本语言,同时提供了增强的脚本浏览器,可以对代码进行拖拽操作。

Adobe Director 11英文版定于3月底上市。该软件支持Windows XP SP2Windows VistaMac OS X 10.4等操作系统。
官方说法:NVIDIA PhysX是一种功能强大的物理加速引擎,利用具备数百个内核的强大处理器来进行硬件加速。加上GPU超强的并行处理能力,PhysX将使物理加速处理能力呈指数倍增长并将您的游戏体验提升至一个全新的水平,在游戏中呈现丰富多彩、身临其境的物理学游戏环境。其中特色包括:

爆炸引起的烟尘和随之产生的碎片、复杂和连贯的几何学计算使人物的动作和互动更加逼真、其视觉效果令人叹为观止的全新武器、布纹的编织和撕裂效果非常自然、运动物体周围烟雾翻腾。http://itbbs.pconline.com.cn/diy/9141194.html

NV在收购了AGEIA公司以后,把物理加速卡整合到了GPU中,并且通过驱动支持全系列的GF89系列显卡,提升GPU在实际游戏中的表现,既为NVGPU的发展注入了一剂强心针,又给广大的游戏爱好者带来的全新的物理加速体验。在这次的NV举办的NVISION08中,黄仁勋亲自演示了物理加速DEMO,可以看到nvidia对物理加速的重视程度,而推广物理加速以及游戏中采用物理加速引擎将是一场游戏的革命。它带给我们感官上的改变将大大促进游戏的3D化进程。





Delivering physics in games is no easy task. It's an extremely compute-intensive environment based on a unique set of physics algorithms that require tremendous amounts of simultaneous mathematical and logical calculations. 
This is where NVIDIA? PhysX? Technology and GeForce? processors come in. NVIDIA PhysX is a powerful physics engine which enables real-time physics in leading edge PC and console games. PhysX software is widely adopted by over 150 games, is used by more than 10,000 registered users and is supported on Sony Playstation 3, Microsoft Xbox 360, Nintendo Wii and PC. 
In addition, PhysX is designed specifically for hardware acceleration by powerful processors with hundreds of cores. Combined with the tremendous parallel processing capability of the GPU, PhysX will provide an exponential increase in physics processing power and will take gaming to a new level delivering rich, immersive physical gaming environments with features such as: 
·Explosions that cause dust and collateral debris 
·Characters with complex, jointed geometries for more life-like motion and interaction 
·Spectacular new weapons with incredible effects 
·Cloth that drapes and tears naturally 
·Dense smoke & fog that billow around objects in motion 
The only way to get real physics with the scale, sophistication, fidelity and level of interactivity that dramatically alters your entertainment experience will be with one of the millions of NVIDIA PhysX-ready GeForce processors.* 
*Note: NVIDIA will deploy PhysX on CUDA-enabled GPUs later this year. The exact models and availability will be announced in the near future.
PhysX 是一套由 NVIDIA 设计的执行复杂的物理运算的技术. 2005720日,索尼同意在即将发售的 Playstation3中使用 NVIDIA  PhysX 和它的 SDK —— NovodeX NVIDIA 声称,PhysX 将会使设计师在开发游戏的过程中使用复杂的物理效果而不需要像以往那样耗费漫长的时间开发一套物理引擎,而且使用了物理引擎还会使一些配置较低的电脑无法流畅运行。NVIDIA 更宣称 PhysX 执行物理运算的效率比当前的 CPU 与物理处理软件的组合高出 100 倍。游戏设计语言Dark Basic Pro 将会支持 PhysX,并允许其用户利用 PhysX 执行物理运算。
在游戏中实现物理加速绝非易事。它是一种对计算性能要求极高的环境,以一整套独特的物理学算法集为基础,需要同时运行大量的数学和逻辑运算。
这正是NVIDIA?(英伟达?PhysX? 技术与GeForce? 处理器的用武之地。NVIDIA PhysX是一种功能强大的物理加速引擎,可在顶级PC和游戏中实现实时的物理学计算。PhysX软件被广泛应用于150多个游戏中,软件注册用户数量已超过10,000名。索尼的Playstation 3、微软的Xbox 360、任天堂的Wii以及个人计算机均支持PhysX
此外,PhysX设计用途是利用具备数百个内核的强大处理器来进行硬件加速。加上GPU超强的并行处理能力,PhysX将使物理加速处理能力呈指数倍增长并将您的游戏体验提升至一个全新的水平,在游戏中呈现丰富多彩、身临其境的物理学游戏环境。其中特色如下:

爆炸引起的烟尘和随之产生的碎片

复杂、连贯的几何学计算使人物的动作和互动更加逼真

其视觉效果令人叹为观止的全新武器

布纹的编织和撕裂效果非常自然

运动物体周围烟雾翻腾

采用NVIDIA支持PhysXGeForce处理器是实现真实物理加速效果的唯一途径,其可缩放、复杂、逼真、高度互动的特性将彻底颠覆您的娱乐体验。)

但是,就网络显示来讲,Havok的物理引擎在国内的发展并不似physX的理想。
San Francisco, CA (August 27, 2008) – Havok?, the premier provider of interactive software services to digital creators in the games and movie industries, today announced that Turbine, Inc., creators of The Lord of the Rings Online?, Dungeons & Dragons Online? and Asheron's Call? has officially licensed Havok Physics, Havok Animation, and Havok Behavior 6.0 for use in the creation of its upcoming MMO games for the console and the PC. 

(旧金山,加州( 2008827日) -,作为全球的首要提供商,交互式的软件服务以及数字的创造者的h avok?公司,今天号召在游戏和电影业,如 T urbine公司,创作者的魔戒在线,龙与地下城在线?asheron的等已正式领有havok使用牌照的公司建立其即将推出的mmo游戏控制台和PC 。)

Now available, Havok 6.0 is a suite of cross-platform software tools for programmers and artists dramatically accelerating the development of cross platform, cutting edge electronic games and special effects for film. Available for multiple gaming platforms including the PLAYSTATION?3, Xbox 360?, Nintendo Wii? and the PC

 havok 6.0是一套为了程序员和艺术家,能缩短尖端电子游戏和特别效果电影的开发过程的跨平台的软件工具。可提供多个游戏平台,包括的PlayStation ? 3  Xbox 360,任天堂wii ?PC 。)



About Havok

Havok, an Intel company, was founded in Dublin, Ireland in 1998, and is the premier provider of interactive software and services for digital media creators in the games and movie industries. 

Havok works in partnership with the world’s best known game developers - including Sony, Nintendo, Microsoft, EA, Ubisoft and Pandemic Studios. Havok’s cross-platform, professionally supported technology is available for the Xbox360?, PLAYSTATION?3, PlayStation?2, PSP?, Wii?, and the PC. 

Havok’s combination of superior technology and dedication to delivering for our customers every time has led to our technology being used in more than 150 of the world’s best known game titles, including BioShock, Halo 3, MotorStorm, Stranglehold, Crackdown and Age of Empires III.

Havok products have been used to drive special effects in movies such as Harry Potter and The Order of The Phoenix, 10,000 BC, Poseidon, The Matrix, Troy, Kingdom of Heaven and Charlie and the Chocolate Factory.

关于havok 

havok
是一家网络公司,成立于1998年的爱尔兰都柏林,是在游戏和电影业首屈一指的互动软件供应商。 

havok
与世界最知名的游戏开发商都建立有伙伴关系,-包括索尼,任天堂,微软和E A等大型游戏开发公司。 havok的跨平台专业技术支持是包括Xbox360 ? PlayStation ? 3 PlayStation ? 2  PSP ? wii ? ,和PC  

havok
的优越的技术和奉献精神,在150多个的世界最知名的游戏中都有体现,包括bioshock ,最后一战 motorstorm,束缚,打击和年龄世纪帝国III  

havok
产品也用于驱动特别效果的电影,如哈利波特与凤凰令,万卑诗省,波塞冬,矩阵,特洛伊,天国和查理和巧克力工厂。

理论上来说,两种物理引擎可以兼容同时运行,但处理难度会非常大。而Havok目前主要通过CPU来进行运算,处理速度上和通过GPU硬件加速时的PhysX无法相提并论。另外在行业的普及率上,PhysX引擎采用的厂商更多。
另外,PhysX并非只能通过GPU硬件加速。支持PhysX的游戏,如果不是NVGPU,也可以通过CPU来进行运算。而GPU物理加速是由游戏厂商根据游戏本身的情况自动平衡分配显卡的资源,多少用来进行物理加速,不会对显卡造成过多的负担。显卡的流处理器数量、显存位宽、频率等因素都会影响到物理加速的速度。
PhysX在游戏之外的应用,一是微软的机器人培训软件Microsoft Robert Studio,使用了PhysX引擎;二是单兵训练程序,有点类似于COD4训练关那样的培训软件,使用了PhysX技术;三是电影特技,有一些运用了PhysX;四是汽车零部件的装箱,有软件会模拟装箱后搬运过程中的物理效果,从而设计最合理的装箱量。
因此,从现状来看,PhysX技术有着很广泛的发展空间。

<think>好的,用户现在问到了物理仿真的原理实现方法。我需要先回顾之前的对话历史。之前用户询问的是如何制作工业设备的数字孪生系统,涉及三维建模、UE引擎开发以及同步运行。当时我提到了物理仿真作为其中的一部分,现在用户想深入了解物理仿真的原理实现。 首先,用户可能是一位工程师或者技术人员,正在开发数字孪生系统,需要整合物理仿真来增强模型的真实性交互性。用户可能对物理仿真的基础概念有一定了解,但需要更详细的技术细节,以便实际应用到项目中。 接下来,我需要解释物理仿真的基本原理。物理仿真的核心是数学模型,比如牛顿力学、刚体动力学、流体力学等。要说明这些数学模型如何模拟真实世界中的物理现象,例如物体的运动、碰撞、变形等。可能还需要提到数值计算方法,如有限元分析(FEA)、粒子系统等,这些方法用于求解复杂的方程。 然后,关于实现部分,用户可能需要具体的步骤工具。需要分步骤讲解,包括数学建模、数值求解、碰撞检测、物理引擎的选择与集成,以及优化方法。要列举常用的物理引擎,如UE的Chaos、PhysX、Bullet等,并说明它们的特点适用场景。 另外,用户可能关心如何在UE中实现物理仿真,所以需要结合之前的数字孪生项目,说明如何将物理仿真与实时数据同步结合。例如,在机械臂的控制中,如何通过物理引擎模拟其运动,并与实际传感器数据同步。 还要考虑用户可能的潜在问题,比如实时性要求、计算资源限制、精度与性能的平衡。需要给出解决方案,如简化模型、使用硬件加速、多线程计算等。 最后,要确保语言通俗易懂,避免过于专业的术语,或者在必要时解释术语,确保用户能够理解。同时,结构要清晰,分点说明,便于用户按步骤实施。</think>物理仿真是通过数学模型算法模拟现实世界物理规律(如力学、运动学、流体力学等)的技术。它让虚拟物体在数字环境中表现出与真实物体一致的物理行为(如碰撞、重力、形变)。以下是其核心原理实现方法: --- ### **一、物理仿真的核心原理** #### **1. 数学模型基础** - **牛顿力学**: 基于牛顿运动定律(F=ma),计算物体的加速度、速度位移。 **公式示例**: \[ \vec{F} = m \cdot \vec{a} \quad \Rightarrow \quad \vec{a} = \frac{\vec{F}}{m} \] 通过积分(如欧拉法、龙格-库塔法)逐帧更新物体位置。 - **刚体动力学**: 模拟不可变形的物体运动,需计算力矩、角加速度旋转。 **公式示例**: \[ \vec{\tau} = I \cdot \vec{\alpha} \quad (力矩=转动惯量×角加速度) \] - **柔体与流体仿真**: - **有限元法(FEA)**:将物体分割为网格,计算每个节点的受力变形(用于材料应力分析)。 - **SPH(光滑粒子流体动力学)**:用粒子模拟流体运动,计算压力、黏度表面张力。 #### **2. 数值计算方法** - **时间积分**: 将连续物理过程离散化为时间步长(Δt),逐帧计算状态。常用方法: - **显式欧拉法**:简单但易不稳定,公式:\( x_{t+1} = x_t + v_t \cdot \Delta t \) - **隐式积分**:稳定性高但计算复杂,适合布料、柔体仿真。 - **约束求解**: 处理物体间的碰撞、关节约束(如铰链、滑块),通过 **拉格朗日乘数法** 或 **投影法** 解决多体系统的联动问题。 #### **3. 碰撞检测与响应** - **碰撞检测**: - **包围盒(AABB/OBB)**:快速筛选可能碰撞的物体。 - **GJK算法**:计算凸体间的穿透深度接触点。 - **分离轴定理(SAT)**:判断多边形是否相交。 - **碰撞响应**: 根据碰撞点的法向量冲量公式计算反弹力,常用 **恢复系数(弹性)** **摩擦系数** 调整效果。 --- ### **二、物理仿真的实现方法** #### **1. 自主开发物理引擎(理论级)** - **步骤**: 1. **定义物理实体**:创建刚体、柔体数据结构(包含质量、位置、速度等)。 2. **实现数值积分器**:编写欧拉法或Verlet积分代码。 3. **碰撞检测模块**:集成AABBGJK算法。 4. **约束求解器**:处理关节碰撞约束。 - **适用场景**:科研、定制化仿真需求(如特殊材料行为)。 - **缺点**:开发周期长,需高性能优化。 #### **2. 使用现有物理引擎(工程级)** - **主流引擎**: | 引擎名称 | 特点 | |---------------|----------------------------------------------------------------------| | **PhysX** | NVIDIA开发,支持GPU加速,集成于UE/Unity,适合游戏实时仿真。 | | **Bullet** | 开源,支持柔体多线程,广泛用于影视机器人仿真(如PyBullet)。 | | **Havok** | 高性能,多用于3A游戏,支持复杂场景碰撞。 | | **UE Chaos** | UE5内置引擎,支持破坏效果、布料车辆物理,适合数字孪生。 | - **实现步骤(以UE5为例)**: 1. **启用Chaos物理引擎**:在项目设置中勾选Chaos物理模块。 2. **设置物理资产**:为模型添加碰撞体(Box/Sphere/Capsule)。 3. **定义物理材质**:调整摩擦力弹性参数。 4. **蓝图/C++控制**:通过代码施加力或扭矩。 ```cpp // 示例:对物体施加一个力 UStaticMeshComponent* MeshComponent = GetComponentByClass<UStaticMeshComponent>(); if (MeshComponent) { MeshComponent->AddForce(FVector(0, 0, 1000)); // 施加向上的力 } ``` 5. **高级仿真**: - **布料仿真**:使用Chaos Cloth组件模拟旗帜、绳索。 - **破坏效果**:通过断裂阈值(Fracture Threshold)实现物体碎裂。 #### **3. 物理仿真与数字孪生的结合** - **传感器数据驱动仿真**: 将实际设备的传感器数据(如电机扭矩)输入物理引擎,驱动虚拟模型运动。 **示例流程**: 1. 通过MQTT接收PLC发送的扭矩值。 2. 在UE中调用 `AddTorque()` 函数,使虚拟电机旋转。 3. 同步结果与实际设备对比,校准仿真参数。 - **反向控制(仿真指导现实)**: 1. 在虚拟环境中测试设备运动轨迹。 2. 将优化后的轨迹数据发送给实际设备控制器(如机械臂路径规划)。 --- ### **三、关键技术挑战与解决方案** | 挑战 | 解决方案 | |-----------------------|--------------------------------------------------------------------------| | **实时性与精度矛盾** | 使用LOD(Level of Detail)技术:近处高精度仿真,远处简化模型。 | | **复杂碰撞计算耗时** | GPU加速(如CUDA)或预计算碰撞网格(V-HACD算法)。 | | **多物体联动不稳定** | 约束求解器迭代次数调优(如增加PSIterations参数)。 | | **流体/柔体仿真性能** | 采用SPH简化模型或使用Niagara GPU粒子系统(UE5)。 | --- ### **四、物理仿真的应用场景** 1. **工业数字孪生**: - 模拟设备运行时的振动、磨损,预测故障。 - 测试机械臂碰撞风险,优化运动路径。 2. **游戏与影视**: - 角色布料摆动、车辆翻覆效果。 3. **机器人训练**: - 在虚拟环境中训练AI控制器(如OpenAI Gym + PyBullet)。 --- ### **五、学习资源推荐** - **书籍**:《Real-Time Collision Detection》《Game Physics Engine Development》。 - **工具**: - **MATLAB/Simulink**:快速验证物理模型。 - **Blender物理模拟**:学习刚体、流体基础。 - **教程**: - UE官方文档《Chaos Physics》 - NVIDIA PhysX SDK开发指南 如果需要具体案例(如如何在UE中实现机械臂碰撞检测),可以进一步展开!
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