物理引擎和圖形引擎介紹

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1、物理引擎和圖形引擎介紹2015-21引言[1][2]物理引擎是一個仿真物理系統(tǒng)的軟件，它使虛擬世界中的物體運動符合真實世界的物理定律，對虛擬現實中的物體進行運動學、動力學、其它物理學仿真等。在虛擬現實系統(tǒng)開發(fā)中，開發(fā)人員可以使用物理引擎與渲染引擎相結合的方法，不但可以縮短開發(fā)周期，而且可以產生良好的效果。隨著虛擬現實技術的發(fā)展，物理引擎已廣泛應用在游戲、動畫、電影、工程仿真和軍事模擬等諸多領域。在以往的游戲中，例如一位士兵往一個油桶旁邊扔一個手雷，手雷爆炸，引起了油桶的爆炸。不過這個過程顯得相當死板，不管是把手雷丟在油桶的左邊還是右邊，油桶都只會按照設計者預先設計好的腳本方式爆炸，不會

2、有區(qū)別。加入物理引擎后，它完全突破了以往按預定腳本執(zhí)行的方式，在游戲中的物體都遵守物理定律來運行，這樣手雷扔在油桶的左邊或右邊都會產生不同的爆炸效果，石塊會朝不同的角度飛濺起來，煙霧也會慢慢冒起來，使游戲更加富有真實感。通常物理引擎可以分成兩類：高精度物理引擎和實時物理引擎。高精度物理引擎要求計算出精度很高的物理對象，通常用于工程仿真或用電腦制作電影中的動畫。在視頻游戲中，物理引擎通過簡化其運算復雜度，降低其精度來滿足游戲中對實時性的需求，以增加動畫的真實感。物理引擎使用對象屬性（速度、加速度、動量、沖量、碰撞、力、力矩、阻尼、扭矩或彈性等）來模擬剛體的運動、旋轉和碰撞等行為，這不僅可

3、以得到更加真實的結果，對于開發(fā)人員來說也比編寫行為腳本要更加容易掌握。好的物理引擎允許模擬復雜的機械裝置，像球形關節(jié)、輪子、氣缸或者鉸鏈等。有些還支持非剛性體的物理屬性，如軟體、流體等。物理引擎只關心動力學微分方程的求解，而為了獲得逼真的仿真環(huán)境，還需要圖形引擎的配合。輸入場景信息（包括物體的形狀、物理參數和位置等），通過物理引擎計算出場景中所有物體的形狀和位置，再由圖形引擎渲染它們，最終將它們顯示在計算機上。目前常用的物理引擎有Havok、PhysX、Bullet、ODE、Newton、Vortex和TOKAMAK等，常用的圖形引擎有OGRE、OSG、OpenGVS和Vtree等。本

4、文將介紹物理引擎Havok、PhysX、Bullet、ODE和圖形引擎OGRE、OSG的背景、功能、用法及其在工程仿真領域中的應用，以及物理引擎和圖形引擎聯(lián)合應用的方法。171物理引擎1.1Havok[1][3]Havok公司成立于1998年，總部位于愛爾蘭首都都柏林。該公司在2000年游戲開發(fā)者大會上發(fā)布了Havok1.0，在2003年的GDC上發(fā)布了2.0版本，在2007年3月發(fā)布4.5版本，最新版本為5.5。引擎基于C/C++語言而成。2007年9月，Intel宣布收購Havok之后不久，Intel宣布Havok引擎開放源代碼并允許游戲開發(fā)人員免費使用。?自從Havok引擎發(fā)布以

5、來，它已經被應用到數百個游戲之中。最早，使用Havok引擎的游戲大多數都是第一人稱射擊類別，但隨著游戲開發(fā)的復雜度與規(guī)模越來越大，其他類型的游戲也想要有更加真實的物理表現，有越來越多的其他類型的游戲采用Havok引擎。應用Havok的著名游戲有：《暗黑破壞神III》、《星際爭霸II》、《半條命2》、《刺客信條：兄弟會》、《馬克思·佩恩2》、《凱恩與林奇：死人》、《凱恩與林奇2：伏天》、《榮譽勛章:太平洋突襲》、《斬除妖魔》、《帝國時代III》、《極度恐慌》、《細胞分裂：混沌法則》、《光環(huán)2》、《光環(huán)3》、《大亂斗SmashBrothersX》以及《上古卷軸IV：湮沒》等。?使用Havo

6、k的軟件有3DMark06、3DMarkVantage、3dsMax、AdobeAtmosphere和AdobeShockwave等。Havok具有以下主要功能：●碰撞檢測（包括連續(xù)的物理體）●MOPP技術（大碰撞網格的簡潔表達）●動力學和約束的求解●車輛動力學●數據序列和布景工具支持●內置診斷反饋虛擬調試器Havok注重在仿真和游戲中對現實世界物理行為的模擬，提供了大量的應用程序編程接口（API），用于剛體建模、碰撞檢測和實時動力學計算等。利用該引擎，可快速建立虛擬三維物理世界，以及物理世界中的物理實體，并向物理實體添加物理屬性，完成仿真系統(tǒng)的實時計算，并檢測計算結果?！皫笔欠抡嫦?/p>

7、統(tǒng)中的單幅畫面，兩個連續(xù)幀之間的時間間隔稱為幀時間。Havok物理引擎的工作流程就是在上一幀渲染完畢之后，以及下一幀渲染開始之前的幀時間內，將外部設備的輸入信號轉化為物理世界中具有物理屬性的實體的受力，根據實體間的約束信息，進行碰撞檢測以及活動實體的受力分析，求出加速度和角加速度等，最后對時間進行積分求出實體在下一幀中的位置和姿態(tài)。求解完畢之后交付圖形引擎渲染，并進入下一個計算過程。對于交互式仿真系統(tǒng)，物理引擎還要有接收外部設備的輸入信號并轉化