物 理 引 擎 介 绍 什 么 是 物 理 引 擎 物 理 引 擎 和 3D 图 形 引 擎 是 两 个 截 然 不 同 的 引 擎, 但 是 它 们 两 者 又 有 着 密 不 可 分 的 联 系, 一 起 创 造 了 虚 拟 现 实 的 世 界 在 虚 拟 现 实 世 界 中, 人 们 的 需 求 已 经 从 观 看 离 线 渲 染 的 3D 动 画 片 的 方 式 过 渡 到 了 使 用 实 时 渲 染 技 术 的 VR 交 互 浏 览 方 式, 这 一 步 的 迈 进 主 要 归 功 于 3D 图 形 引 擎 的 发 展 然 而, 只 有 图 形 引 擎 的 VR 模 拟 只 是 一 些 三 角 形 面 片 的 涂 色 显 示 而 已, 虚 拟 世 界 中 的 物 体 只 具 有 一 个 外 表, 没 有 内 在 的 实 体, 就 像 一 堆 幽 灵 彼 此 之 间 无 法 相 互 作 用, 用 户 更 不 能 和 他 们 产 生 具 有 逼 真 的 动 作 交 互 物 理 引 擎, 简 单 的 说 就 是 计 算 3D 场 景 中, 物 体 与 场 景 之 间, 物 体 与 角 色 之 间 物 体 与 物 体 之 间 的 运 动 交 互 和 动 力 学 特 性 在 物 理 引 擎 的 支 持 下,VR 场 景 中 的 模 型 有 了 实 体, 一 个 物 体 可 以 具 有 质 量 可 以 受 到 重 力 可 以 落 在 地 面 上 可 以 和 别 的 物 体 发 生 碰 撞 可 以 反 应 用 户 施 加 的 推 力 可 以 因 为 压 力 而 变 形 可 以 有 液 体 在 表 面 上 流 动 物 理 引 擎 的 应 用 领 域 1) 游 戏 领 域 近 年 来, 物 理 元 素 越 来 越 多 的 融 入 到 游 戏 中, 半 条 命 2 虚 幻 竞 技 场 3 等 物 理 大 作 的 出 现 已 带 给 玩 家 巨 大 的 感 官 冲 击, 物 理 引 擎 也 被 植 入 PS2 XBOX 等 电 视 游 戏 机 中 用 来 增 加 游 戏 的 真 实 感 物 理 引 擎 在 游 戏 中 起 到 的 作 用 是 不 能 忽 视 的 : 角 色 是 否 能 穿 越 墙 面, 子 弹 是 否 击 中 目 标 风 吹 动 草 丛 等 画 面 都 是 需 要 进 行 大 量 物 理 计 算 在 游 戏 世 界 中, 电 脑 要 即 时 的 演 算 物 体 碰 撞 下 落 反 转 等 物 理 逻 辑 的 画 面, 这 些 功 能 都 是 物 理 引 擎 来 完 成 在 没 有 物 理 引 擎 的 时 候, 无 论 楼 房 受 到 怎 样 的 攻 击 都 只 会 按 照 设 计 好 的 动 画 方 案 崩 溃, 画 面 也 比 较 简 陋 ; 现 在, 大 楼 会 根 据 攻 击 的 方 向 力 度, 倒 向 不 同 方 向, 同 时 落 下 数 以 千 记 的 尘 埃 和 碎 片, 产 生 更 为 真 实 和 震 撼 的 画 面 游 戏 所 有 对 象 都 是 可 破 坏 的, 对 象 的 毁 坏 都 真 实 地 依 据 弹 体 材 料 和 物 理 三 方 面 来 考 量 每 个 作 战 单 位 不 但 有 更 逼 真 的 动 作 交 互, 甚 至 连 游 戏 中 的 所 有 建 筑 物 场 景 也 是 可 以 破 坏 的, 所 以 玩 家 别 以 为 只 是 把 作 战 单 位 躲 避 到 建 筑 物 后 方 就 不 会 受 到 伤 害, 因 为 建 筑 物 一 直 受 到 攻 击 也 是 会 损 坏 的 士 兵 和 载 具 因 不 同 部 位 受 创 引 起 损 伤 而 影 响 相 关 的 行 动 建 筑 因 爆 炸 而 出 现 部 件 结 构 式 的 连 环 塌 陷 地 面 和 墙 体 因 枪 林 弹 雨 和 轰 炸 形 成 的 弹 道 坑 洼 等 物 理 效 果 都 表 现 地 淋 漓 尽 致
2) 虚 拟 教 学 物 理 引 擎 可 以 让 虚 拟 现 实 在 教 学 方 面 的 应 用 得 到 更 深 入 的 发 展 在 没 有 物 理 引 擎 的 虚 拟 教 学 环 境 中, 虚 拟 实 验 环 境 只 能 起 到 认 识 学 习 的 目 的, 也 就 是 说 用 户 可 以 从 各 个 角 度 观 察 实 验, 按 照 预 定 的 动 画 播 放 试 验 得 到 结 果, 而 不 能 更 加 真 实 的 交 互 参 与 实 验 在 具 有 物 理 引 擎 的 虚 拟 实 验 环 境 中, 用 户 可 以 直 接 置 身 于 实 验 环 境 中, 通 过 现 场 实 时 交 互 得 到 试 验 成 果, 不 仅 能 达 到 认 识 教 学 的 目 的, 还 能 培 养 使 用 者 的 实 际 操 作 经 验 对 于 一 些 价 格 昂 贵 结 果 严 重 或 者 甚 至 根 本 无 法 实 现 的 教 学 环 境 的 虚 拟 教 学 实 验 完 全 可 以 达 到 替 代 作 用 在 中 学 物 理 教 学 实 验 中, 同 学 们 不 仅 可 以 在 虚 拟 实 验 室 中 自 己 组 装 单 摆 选 择 自 由 落 体 物 质 的 材 料 对 斜 面 设 置 不 同 摩 擦 系 数 的 材 质, 还 可 以 将 试 验 环 境 搬 到 月 球 深 海 或 者 设 置 世 界 为 零 摩 擦 状 态, 可 以 帮 助 同 学 进 一 步 的 认 识 物 理 运 动 本 质 医 学 方 面, 虚 拟 现 实 技 术 可 以 进 行 新 一 代 医 学 仪 器 的 使 用 教 学, 比 如 在 模 拟 微 创 手 术 的 时 候, 学 员 操 作 的 是 同 样 的 设 备, 然 而 目 标 却 不 是 活 生 生 的 致 命 的 人 体, 是 取 而 代 之 的 虚 拟 器 官 为 了 反 映 所 操 作 的 虚 拟 仪 器 对 人 体 器 官 所 产 生 的 影 响, 物 理 引 擎 将 会 根 据 操 作 者 的 动 作, 器 械 与 器 官 碰 撞 的 力 度 人 体 各 种 器 官 的 脆 弱 程 度 来 实 时 的 计 算 试 验 结 果, 统 计 每 次 试 验 对 病 人 将 会 造 成 的 危 害, 不 仅 让 学 员 熟 悉 对 仪 器 的 操 作, 还 能 根 据 实 验 经 验 避 免 仪 器 对 敏 感 器 官 的 碰 触 驾 校 学 习 中, 虚 拟 现 实 的 应 用 已 经 比 较 广 泛, 而 具 有 物 理 引 擎 的 虚 拟 驾 驶 系 统 能 让 学 员 进 一 步 的 体 验 驾 驶 的 真 实 感 带 有 物 理 引 擎 的 虚 拟 驾 驶 系 统 中, 当 汽 车 驶 过 地 上 的 一 个 坑 道 在 高 地 不 平 的 地 面 行 驶 撞 车 时 候 的 受 力 方 位 和 车 体 的 变 形 撞 到 行 人 汽 车 树 桩 广 告 牌 的 感 受 和 表 现 也 迥 然 不 同, 转 弯 时 候 汽 车 的 打 滑 现 象 造 成 的 轮 胎 磨 损 程 度 等 都 能 一 一 反 映 不 仅 如 此, 物 理 引 擎 还 可 以 收 集 每 次 虚 拟 驾 驶 过 程 中 的 某 些 关 键 力 学 数 据 作 为 对 一 个 学
员 的 考 核 参 考 3) 互 动 展 示 如 今 的 三 维 技 术 正 逐 步 走 入 网 页, 厂 商 可 以 将 他 们 的 物 件 制 作 为 三 维 模 型 让 用 户 全 自 由 度 的 观 察 但 是, 简 单 的 三 维 显 示 技 术 在 实 现 一 些 动 态 物 体 的 展 示 方 面 显 得 力 不 从 心, 用 户 能 得 到 的 动 态 交 互 都 是 一 些 预 先 设 置 好 的 动 画 效 果, 不 能 参 与 到 与 展 示 环 境 的 动 态 交 互, 让 虚 拟 作 品 的 真 实 性 大 打 折 扣 比 如 一 个 装 饰 品 网 站 正 在 网 上 虚 拟 展 示 他 们 的 风 铃, 除 了 有 优 秀 的 图 形 引 擎 来 表 达 其 漂 亮 的 外 观 外, 还 需 要 具 有 一 个 物 理 引 擎 来 让 用 户 可 以 交 互 的 拨 弄 风 铃, 让 用 户 体 会 到 风 铃 舞 动 起 来 时 的 优 美, 以 及 碰 撞 产 生 时 候 叮 叮 当 当 的 悦 耳 声 又 比 如 在 进 行 水 龙 头 淋 浴 喷 头 的 3D 物 品 展 示 时, 不 仅 可 以 让 用 户 交 互 的 调 节 喷 发 的 水 流 大 小, 还 可 以 让 虚 拟 角 色 的 伸 手 过 去 感 受 水 流 的 碰 撞, 增 加 更 真 实 的 互 动 房 地 产 展 示 时 候, 通 过 物 理 引 擎, 可 以 设 置 一 些 互 动 的 体 育 设 施 一 些 可 以 拉 动 的 弹 簧 门 以 及 窗 帘 一 些 可 以 参 与 嬉 戏 的 喷 泉 能 使 用 起 来 的 虚 拟 台 球 桌 能 踩 踏 变 形 的 草 地, 所 有 这 些 均 能 让 用 户 感 受 到 一 个 动 态 的 充 满 生 机 的 小 区, 而 不 是 一 个 个 的 静 止 模 型 或 动 态 贴 图 4) 军 事 模 拟 军 事 训 练 中 的 实 战 训 练 不 可 替 代, 但 是 虚 拟 场 景 演 习 也 相 当 重 要, 在 降 低 演 习 成 本 布 置 实 战 战 术 方 面 都 有 着 相 当 重 要 的 作 用, 在 美 国 早 已 经 将 虚 拟 军 事 训 练 作 为 士 兵 培 训 的 必 修 训 练 物 理 引 擎 在 军 事 模 拟 中 的 作 用 显 得 更 加 重 要, 比 如 在 一 个 战 场 地 形 中, 虚 拟 的 炸 弹 在
某 个 地 方 产 生 爆 炸 后, 物 理 引 擎 能 计 算 出 各 个 虚 拟 陆 战 队 员 的 位 置 被 该 爆 炸 波 及 的 程 度, 结 构 脆 弱 的 掩 体 将 会 因 为 该 爆 炸 而 塌 陷, 从 而 通 过 虚 拟 演 示 能 更 好 的 规 划 战 壕 掩 体 或 者 进 攻 线 路 的 抉 择 通 过 物 理 引 擎 的 模 拟, 虚 拟 演 示 可 以 精 确 到 每 一 颗 具 有 不 同 穿 透 力 的 子 弹 打 在 目 标 后 的 反 映, 手 雷 因 受 重 力 和 空 气 阻 尼 在 空 中 飞 行 轨 迹 以 及 落 地 后 的 影 响 范 围, 不 同 威 力 的 炸 弹 能 导 致 了 不 同 的 破 坏 结 果 等 消 防 和 灾 难 救 助 演 习 中, 物 理 引 擎 起 着 关 键 性 的 作 用 比 如 在 消 防 虚 拟 训 练 中, 物 理 引 擎 不 仅 能 真 实 的 实 时 模 拟 烟 雾 和 火 势 的 走 向, 在 救 助 行 动 中, 一 些 脆 弱 的 结 构, 也 会 因 为 被 焚 烧 或 者 踩 踏 而 倒 塌, 增 加 救 助 行 动 的 真 实 度 消 防 员 更 能 主 动 撞 开 一 些 通 道, 或 者 挪 动 一 些 石 块 清 理 救 助 路 线, 当 然 这 些 行 动 如 果 动 摇 了 所 支 撑 的 上 层 结 构 时, 虚 拟 场 景 同 样 也 会 毫 不 留 情 的 塌 陷 下 来 5) 工 程 试 验 工 程 试 验 中, 复 杂 结 构 的 受 力 分 析 是 相 当 复 杂 的 当 不 同 的 杆 件 通 过 各 种 连 接 约 束 构 造 出 一 个 结 构 后, 物 理 引 擎 能 够 轻 松 的 模 拟 出 该 结 构 体 的 力 学 传 递 当 结 构 受 到 某 个 方 向 的 破 坏 力, 虚 拟 结 构 能 从 最 脆 弱 的 部 位 开 始 崩 溃 从 而 可 以 辅 助 工 程 人 员 决 策 工 程 重 点 预 防 结 构 坍 塌, 在 杆 件 搭 建, 桥 梁 施 工 等 工 程 中 都 起 着 重 要 作 用
6) 管 道 流 体 模 拟 管 道 设 施 在 建 筑 和 城 市 规 划 中 都 占 有 相 当 重 要 的 份 量 物 理 引 擎 在 这 方 面 可 以 实 时 的 计 算 液 体 或 者 气 体 是 如 何 在 这 些 管 道 内 流 淌, 比 如 观 察 建 筑 在 某 层 积 水 后, 水 流 会 如 何 通 过 管 道 排 放, 发 生 火 灾 后 产 生 的 浓 烟 又 是 如 何 走 向, 工 厂 的 排 污 水 流 又 如 何 被 净 化, 大 坝 泄 洪 后, 水 流 将 沿 着 河 床 如 何 流 淌 7) 动 画 制 作 物 理 引 擎 在 动 画 制 作 中 的 应 用 已 经 相 当 成 熟,3DMAX 和 MAYA 都 已 集 成 了 成 熟 的 物 理 模 块 虽 然 动 画 制 作 软 件 的 离 线 物 理 计 算 到 虚 拟 现 实 中 的 实 时 物 理 计 算, 动 画 制 作 软 件 和 虚 拟 现 实 软 件 中 的 物 理 引 擎 用 到 的 计 算 的 方 法 和 技 术 有 着 显 著 的 不 同, 但 都 有 着 共 同 的 目 的 : (1) 把 动 画 师 从 关 键 帧 动 画 解 放 出 来, 动 画 师 不 再 需 要 一 帧 一 帧 调 节 动 画, 不 需 要 定 制 每 个 物 体 在 空 中 的 飞 行 时 间 和 路 径, 方 便 的 骨 骼 IK 系 统, 对 动 画 师 来 说, 物 理 引 擎 为 他 们 节 省 了 大 量 的 时 间 ; (2) 让 动 画 更 具 有 真 实 感, 物 理 引 擎 让 动 画 中 的 每 个 细 节 都 能 参 与 计 算, 带 碰 撞 的 粒 子 效 果 具 有 扩 散 性 的 烟 雾 具 有 吸 附 力 的 水 面 爆 炸 碎 块 的 碰 撞 以 及 产 生 的 结 果 刮 风 时 引 起 的 细 节 效 果 物 理 引 擎 的 发 展 前 景 物 理 引 擎 无 论 在 工 业 仿 真 游 戏 开 发 动 画 制 作 等 各 方 面 都 起 着 重 要 的 作 用, 在 虚 拟 现 实 的 世 界 中 具 有 着 举 足 轻 重 的 地 位 然 而 在 过 去 的 虚 拟 现 实 发 展 过 程 中, 物 理 引 擎 由 于 硬 件 限 制, 相 对 于 图 形 引 擎 来 说 还 处 于 一 种 初 级 阶 段 随 着 计 算 机 硬 件 的 发 展 CPU 与 GPU 计 算 速 度 的 大 幅 度 提 高, 物 理 计 算 的 比 重 也 将 会 逐 步 加 大, 更 是 由 于 PPU 的 出 现, 物 理 计 算 将 会 具 有 统 一 的 行 业 标 准 目 前,Intel AMD NVIDIA Ageia Havok 等 都 在 竞 争 成 为 该 标 准 的 制 定 者,Microsoft 也 计 划 在 未 来 的 DirectX 版 本 中 添 加 物 理 API, 激 烈 的 竞 争 将 会 带 来 的 是 物 理 引 擎 技 术 的 迅 猛 发 展 目 前 最 新 的 3D 游 戏 大 作 动 画 大 片 虚 拟 现 实 引 擎 无 一 不 乏 物 理 引 擎 的 身 影, 并 且 物 理 引 擎 所 带 来 的 震 撼 效 果 也 让 观 众 更 加 重 视, 大 家 不 仅 想 要 一 个 可 以 观 看 的 虚 拟 世 界, 还 需 要 一 个 活 生 生 的 能 互 动 的 虚 拟 世 界, 而 物 理 引 擎 正 是 这 个 虚 拟 世 界 生 命 的 核 心