可可西

nVidia的物理系统

PhysX

PhysX（wiki en  中文，physx wiki   physx wiki2）是nVidia公司一款跨平台实时物理引擎，可使用硬件（GPU、PPU: Physics Processing Unit, 物理处理器）加速，广泛用于游戏、虚拟现实、工程仿真等领域。

支持刚体（rigid bodies）、软体（soft bodies）、流体（fluids）、面料（cloths）、力场（force fields）等

PhysX 完成基础物理计算：

  • 刚体动力学 (Rigid Body)
  • 碰撞检测
  • 关节和约束
  • 软体/布料物理（新版本集成，早期由Apex单独提供）

 

目前已在github上开源，有3个开源项目：

PhysX3.3（私有库）：其中集成了Apex1.3.4

PhysX3.4（公有库）：其中集成了Apex1.4，UE4.22-UE4.27集成的是该版本  源代码路径：Engine\Source\ThirdParty\PhysX3   运行时库：Engine\Binaries\ThirdParty\PhysX3   

                                     注：UE4集成的PhysX具体版本号在Engine\Source\ThirdParty\PhysX3\PhysX_3.4\release_notes.html

                                     ApexDestruction：Engine\Plugins\Runtime\ApexDestruction

                                     NvCloth：Engine\Source\ThirdParty\PhysX3\NvCloth

                                     Blast：Engine\Plugins\Experimental\BlastPlugin\Source\ThirdParty

PhysX（公有库）：最新版本为4.1

 

UE4可在Build.cs中通过以下设置来控制是否使用PhysX及其相关组件

Target.bCompilePhysX

Target.bCompileAPEX

Target.bCompileNvCloth

 

== 以PhysX3为例，说明不同版本dll的区别==

PhysX3DEBUG_x64.dll  // Debug版本

PhysX3CHECKED_x64.dll   // 宏断言版本

PhysX3PROFILE_x64.dll  // 带性能数据收集功能版本

PhysX3_x64.dll    // Release版本

 

具体宏详见：

/** PhysX3\PxShared\include\foundation\PxPreprocessor.h */
/*
define anything not defined through the command line to 0
*/
#ifndef PX_DEBUG
#define PX_DEBUG 0
#endif
#ifndef PX_CHECKED
#define PX_CHECKED 0
#endif
#ifndef PX_PROFILE
#define PX_PROFILE 0
#endif

 

UE中WITH_IMMEDIATE_PHYSX宏默认为0，它与 WITH_CHAOS、PHYSICS_INTERFACE_PHYSX 是三选一的物理后端切换宏

在 PhysicsInterfaceDeclaresCore.h 里，开启 Immediate Mode后，所有物理句柄类型全部换成 _ImmediatePhysX 版：

类型别名WITH_IMMEDIATE_PHYSX=0（默认）WITH_IMMEDIATE_PHYSX=1
FPhysScene FPhysScene_PhysX FPhysScene_ImmediatePhysX
FPhysicsInterface FPhysicsInterface_PhysX FPhysicsInterface_ImmediatePhysX
FPhysicsActorHandle FPhysicsActorHandle_PhysX FPhysicsActorReference_ImmediatePhysX
FPhysicsConstraintHandle FPhysicsShapeHandle FPhysicsMaterialHandle FPhysicsAggregateHandle FPhysicsCommand / FPhysicsGeometryCollection *_PhysX *_ImmediatePhysX

另外，PhysScene_PhysX.cpp文件被 #if !WITH_CHAOS && !WITH_IMMEDIATE_PHYSX 包起来，开启后整体不编译  注：而这个文件走的是完整的 PxScene::simulate() → fetchResults() 的高层 SDK 流程，包含 broadphase、SAP/MBP、PVD、异步场景、APEX 等一整套。

意味着PhysX 的 Immediate Mode抛弃了 PxScene 高层管线，改用 physx::immediate 低层 API + 自己维护的 SOA（Struct Of Array）数据（PxRigidBodyData、PxSolverBody、Gu::ContactPoint / 自研线性分配器），理论目标是获得零场景开销、可精确控制的 solver。

但当前实现里 StartFrame 的 GenerateContacts / BatchConstraints / PrepareConstraints / SolveAndIntegrate 被 #if 0 屏蔽，且 substep、custom physics、异步场景、APEX、加密、SQ 一大批功能不是空函数就是 check(false)。

 

所以Immediate Mode在 PhysX 里是一个实验性、未完成的物理后端——启用后能编过、能建 Actor/加力，但真正的模拟推进并没有被实现，属于给自定义或轻量物理（比如物理动画、局部子解算器）预留的骨架。

如果需要在项目中实际使用，必须自己把 #if 0 段落里的 ConstructSolverBodies / GenerateContacts / BatchConstraints / PrepareConstraints / SolveAndIntegrate 的实现补齐

 

UE4 在 ImmediatePhysics 模块（UnrealEngine\Engine\Source\Runtime\Engine\Public\Physics\ImmediatePhysics）实现了这部分逻辑，可以直接作为 PhysScene_ImmediatePhysX 缺失部分的参考蓝本

在 FPhysScene_ImmediatePhysX::StartFrame() 里：

void FPhysScene_ImmediatePhysX::StartFrame()
{
#if 0
    GenerateContacts();
    BatchConstraints();
    PrepareConstraints(DeltaSeconds);
    SolveAndIntegrate(DeltaSeconds);
#endif
}

 

同样这五个函数在 ImmediatePhysics_PhysX::FSimulation 里全部有完整实现，且被 Simulate_AssumesLocked 正常串起来

void FSimulation::Simulate_AssumesLocked(float DeltaTime, const FVector& Gravity)
{
    DeltaTime = FMath::Min(DeltaTime, 0.033f); // 强制上限30帧
    if (DeltaTime > 0)
    {
        ++SimCount;
        ConstructSolverBodies(DeltaTime, Gravity);   // 施加外力 + 计算无约束速度
        if (bRecreateIterationCache)
            PrepareIterationCache();                 // 打平 shape SOA + 预计算跳过表
        GenerateContacts();                          // 近场接触点生成（自建 broadphase），没有broadphase树，就是双重循环 + 半径包围球剔除
        BatchConstraints();                          // 约束批处理
        PrepareConstraints(DeltaTime);               // 生成求解描述符
        SolveAndIntegrate(DeltaTime);                // 迭代求解 + 时间积分
        Workspace.Reset();
    }
}

 

对比 FPhysScene_ImmediatePhysX（头文件私有字段）与 ImmediatePhysics_PhysX::FSimulation：

TArray<FActorHandle*> ActorHandles;
TArray<FJointHandle*> JointHandles;
TArray<FActor>  Actors;
TArray<FJoint>  Joints;

FLinearBlockAllocator Workspace;    // 每帧临时内存

TArray<immediate::PxRigidBodyData>  RigidBodiesData;   // 位姿、速度、质量、阻尼...
TArray<PxSolverBodyData>            SolverBodiesData;  // 求解器专用
TArray<FImmediateKinematicTarget>   KinematicTargets;
TArray<PxVec3>                      PendingAcceleration;
TArray<Gu::ContactPoint>            ContactPoints;

struct FShapeSOA {                 // 全部 shape 打平存
    TArray<PxTransform> LocalTMs;
    TArray<FMaterial>   Materials;
    TArray<const PxGeometry*> Geometries;
    TArray<float>       Bounds;
    TArray<PxVec3>      BoundsOffsets;
    TArray<int32>       OwningActors;
#if PERSISTENT_CONTACT_PAIRS
    TArray<FPersistentContactPairData> ContactPairData;
#endif
} ShapeSOA;

PxSolverBody*                       SolverBodies;       // 每帧从 Workspace 分配
TArray<PxSolverConstraintDesc>      OrderedDescriptors;
TArray<PxConstraintBatchHeader>     BatchHeaders;
TArray<D6JointData>                 JointData;

int32 NumSimulatedBodies;            // Dynamic 数量
int32 NumActiveSimulatedBodies;      // 其中真正激活的
int32 NumKinematicBodies;
int32 NumSimulatedShapesWithCollision;
int32 NumPositionIterations;         // 默认 8
int32 NumVelocityIterations;         // 默认 1

TMap<FActorHandle*, TSet<FActorHandle*>> IgnoreCollisionPairTable;
TSet<FActorHandle*>                      IgnoreCollisionActors;
bool  bRecreateIterationCache;
TArray<int32> SkipCollisionCache;    // 记录可以跳过的接触遍历序号

 

字段PhysScene_ImmediatePhysXImmediatePhysics_PhysX::FSimulation
TArray<FActor> Actors ✅ ✅
TArray<FJoint> Joints ✅ ✅
TArray<immediate::PxRigidBodyData> RigidBodiesData ✅ ✅
TArray<PxSolverBodyData> SolverBodiesData ✅ ✅
TArray<FKinematicTarget> KinematicTargets ✅ ✅
TArray<PxVec3> PendingAcceleration ✅ ✅
TArray<Gu::ContactPoint> ContactPoints ✅ ✅
FShapeSOA ✅ ✅
PxSolverBody* SolverBodies ✅ ✅
TArray<PxSolverConstraintDesc> OrderedDescriptors ✅ ✅
TArray<PxConstraintBatchHeader> BatchHeaders ✅ ✅
TArray<D6JointData> JointData ✅ ✅
FLinearBlockAllocator Workspace ✅ ✅
FCacheAllocator / FConstraintAllocator ✅ ✅
NumSimulatedBodies / NumActiveSimulatedBodies / NumKinematicBodies / NumPositionIterations / NumVelocityIterations ✅ ✅
bRecreateIterationCache / SkipCollisionCache ✅ ✅

但要让 WITH_IMMEDIATE_PHYSX 真正成为可替换 PxScene 的全局后端，除了搬这五个函数，还得补齐 broadphase、场景查询、事件回调、substep、双场景等这些外围管线

然而，Epic 后来选择的路是"直接押注 Chaos"，所以 WITH_IMMEDIATE_PHYSX 就永远停在骨架状态

 

在UE4中ImmediatePhysics 模块现在作为 AnimNode_RigidBody 的骨骼级物理在引擎中被使用而长期存活了下来

它也给AnimNode_RigidBody（"RigidBody" 动画蓝图节点，也叫 PhAT 里的物理动画节点，以及 Physical Animation Component 的部分场景） 提供的一套 自建、独立于主 PxScene 的、每骨骼帧同步驱动的物理求解器

注：PhAT 是 Physics Asset Tool（物理资产工具），是 UE 编辑器里用于编辑 UPhysicsAsset 的模块——你可以给骨骼网格（SkeletalMesh）的每根骨骼添加/调整碰撞体（box/sphere/capsule/convex）、配置物理约束（constraint），并实时 "Simulate" 预览物理表现

 

获取nVidia Gameworks私有github库方法，大致步骤如下：

1. 注册NVIDIA Developer开发者账号（不是有NVIDIA账号就能直接登录的，必须是开发者账号）

2.同意最终用户许可协议（EULA），并在最后把自己的GitHub用户名输入。

3. 在一段时间后，会收到github上NvidiaGameWorksAdmin拉你入NVIDIAGameWorks组的邮件。

4. 加入NVIDIAGameWorks后，会收到NVIDIA GameWorks用github邮箱发的邮件，告诉你已经把你拉入GameWorks_EULA_Access Team，并被赋予“Pull”权限。

5. 访问https://github.com/NVIDIAGameWorks，这个时候就能看见NvCloth、Blast、Flex、Flow等私有库。

 

在UE3中使用PhysX（udn  en  中文）

① UE3中Pawn行走时的碰撞检测、重力、武器射击、流体（FluidSurfaceActor）的模拟是自己实现的

② 人物死亡，调用SetPawnRBChannels(TRUE)开启布娃娃系统（ragdoll），并且将SetPhysics(PHYS_RigidBody)，则会使用Pawn的PhysicsAsset数据进行PhysX物理模拟

③ 载具使用是PhysX物理模拟  （udn 设置载具   载具系统技术指南）

④ 从RigidBodyBase派生的Actor（如：RB_ConstraintActor、RB_PrismaticActor）开启模拟后，会进行PhysX物理模拟

⑤ 破坏（FracturedStaticMesh）、软体会使用PhysX进行物理模拟

 

在UE4中使用PhysX（en  中文）

 

Apex

Apex（physx wiki）在PhysX之上开发一套跨平台SDK，用于制作和运行复杂的物理数据（如带破坏模型、面料等）

Apex 不是独立的物理引擎，而是 PhysX 之上的 “物理内容中间层库”

Apex 重点在于做动画和特效解决方案，比如：

  • 布料模拟（Apex Clothing）
  • 破碎/瓦砾/毁坏模拟（Apex Destruction）
  • 粒子/流体效应（Apex Particles）
  • 毛发效果（Apex Turbulence）

这些模块利用 PhysX 提供的底层动力学和碰撞，但封装成易用的特效 API。

Apex 里所有物理相关的计算、碰撞、刚体约束最终都“委托”给 PhysX 完成。比如 Apex Clothing（布料）用的是 PhysX Cloth 底层算法；Apex Destruction 用的是 PhysX 的物体拆分、碰撞响应。

结构图示例：

应用/Game引擎
     ↓
Apex (Clothing、Destruction...)
     ↓
PhysX (Rigid/Soft/Cloth collision, Dynamics, etc.)
     ↓
CPU/GPU（硬件加速，不同端实现）

 

Apex1.3.4（随PhysX3.3）和Apex1.4（随PhysX3.4）已开源，具体文档详见：NVIDIA(R) APEX(TM) SDK Documentation

1.4版本之后（PhysX 4.x 后），nVidia放弃了Apex，并发布了一些新开源项目NvCloth、Blast、Flow（私有库）来替换Apex中各个组件

Apex的发布记录：NVIDIA(R) APEX(TM) SDK Release Notes

Apex的架构如下：

注1：Authoring为制作物理资源的组件集合，Run-time为运行物理资源的组件集合

注2：绿色部分为nVidia提供的物理组件工具集

Apex包括如下组件模块：

APEX Clothing（面料） --> NvCloth（docs   私有库 github）
APEX Destruction（破碎与破坏，Fracture and Destruction） --> Blast（api docs    authoring docs  私有库 github）    ue的Blast插件代码（私有库）：https://github.com/NvPhysX/UnrealEngine/tree/4.20.3-Blast_1.1.4
APEX Particles（粒子） --> Flow（docs  私有库  github）  ue的Flow插件代码（私有库）：https://github.com/NvPhysX/UnrealEngine/tree/NvFlow-4.19
APEX Turbulence（湍流）
APEX ForceField（力场）
APEX Vegetation (植被 开发已暂停)

 

在UE3中使用Apex

APEX Framework（udn en  中文）

布料：APEX Clothing in UE3（udn  en  中文） 

破坏：APEX Destruction in UE3（udn  en  中文）

 

在UE4中使用Apex （en  中文）

 

从UE4.16起，APEX Cloth 已被 NVIDIA的NvCloth解算器取代，求解基于 Position Based Dynamics，逐粒子而非刚体。这是一个轻巧的服装布料解算器，负责运行布料服装的模拟

NvCloth使用碰撞球 / 胶囊 / 凸平面做碰撞体，不与场景刚体自动碰撞。这也意味着布料不参与刚体的 broad phase，开发者必须把角色的骨骼胶囊、场景碰撞体手动喂给 cloth 的 collision 数据。这是布料"穿模"最常见的原因。

该服装布料模拟器集成轻巧且非常可扩展，因为我们现在可以直接访问此数据。而APEX Clothing是一个复杂的SDK，可以一站式地进行服装模拟，同时处理模拟和渲染

 

Android、iOS等移动平台默认就不编译Apex

在PC windows平台，如果不需要Apex中的功能（如破坏、粒子、毛发等），可以将Apex不进行编译

 

; BaseEngine.ini
[/Script/BuildSettings.BuildSettings]
bCompileAPEX = false;

 

 

FleX

FleX（physx wiki）是GPU加速基于粒子模型（paticle）的物理模拟库，其源码也在Github上开源（私有库）

支持刚体（rigid bodies）、变形体（deformable bodies）、软体（soft bodies）、流体（fluids）、面料（cloths）、气体（gases）等

FleX Documentation

FleX UE4 Plugin Documentation     ue4的FleX插件代码（私有库）：https://github.com/NvPhysX/UnrealEngine/tree/FleX-4.19.2

相关youtube视频：

Introduction on how to use Nvidia Flex in UE 4

Flex tutorial 1 Rigids, cloth and softbodies

Flex tutorial 2 Fluids

Flex tutorial 3 - containers

Flex tutorial 4 - How to change container values ingame

Flex tutorial 5 - Overlap events with Flex

 

PhysX资料和相关软件

nVidia Gameworks documentation simulation中列出了所有物理相关的SDK组件

GameWorks PhysX Overview中介绍了最新的PhysX及基于PhysX的组件 

 

nVidia Gameworks Download Center中提供了PhysX相关的软件下载（需要登录nVidia开发者账号），如下为PhysX SDK3.4.0的下载内容：

3D Studio Max DCC plug-in for PhysX：PhysX的3Ds Max插件

Maya DCC plug-in for PhysX ：PhysX的Maya插件

注：① DCC为Digital Content Creation简称  ② DCC plug-in for PhysX

PhysX Visual Debugger（PVD）：PhysX的可视化调试软件。通过与被调试的PhysX程序建立连接，实时地将其物理元素可视化到PVD中

PhysX Lab：为APEX Destruction（破坏）和APEX Particles（粒子）制作数据的工具

 

参考

nVidia Developer站内搜索

nVidia Gameworks youtube频道

NVIDIA GameWorks and UE4 

NvPhysX/UnrealEngine  github 

百度百科 PhysX 

 

posted on 2019-05-06 22:16  可可西  阅读(3421)  评论(0)    收藏  举报

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