UE4 PhyX物理引擎应用介绍

游戏中的物理系统

游戏物理主要是解决两个问题,其一是碰撞查询(Query),比如我面前有一堵墙,我还可以走多远就会被撞到;其二是物理模拟(Simulation),比如游戏角度死亡后身体该如何倒下,飞驰的载具被路上的矮石墩碰到后如何表现等。

 

UE4物理模块集成的是Nvidia的PhysX。这里介绍下PhysX的基础对象

  1. PxScene 场景对象,同一个场景中的物体才有可能进行物理碰撞等,因此场景是一个场景物体的管理者

  2. PxRigidActor 刚体对象(Rigidbody)的封装

  3. PxShape几何体的封装, 每个 PxRigidActor 可以绑定多个 PxShape 对象,一般是通过 PxRigidActor 来创建 PxShape

UE4中是如何建立物理系统

UE4.21前的版本采用的是NVIDIA的PhysX做为其默认的物理引擎,用于计算3D世界的碰撞查询与物理模拟。自4.21版本开始改物理调用接口。在2019GDC大会上放出了正在自建Chaos物理系统的消息,从4.22预览版中已经可以看到相关代码,官方预计4.23就可以开始使用Chaos物理系统。

UE4自身提供PrimitiveComponent,拥有BodyInstance,上面记录了PhysX所需要的物理数据,会将这些信息传递给PhysX所创建的物理世界,然后由PhyX进行处理,并得到其返回的结果。

创建物理数据

游戏中的对象需要将其几何数据发送到PhyxX,以便在UE与PhyS间的交互物理场景(PxScene)中进行模拟。

创建静态网络的物理数据(StaticMesh)

一个静态网格(StaicMesh)资产在内存中以UStaticMesh的对象表示,打开某一个静态网格资产,你可以看到静态网格编辑器中详细面板的配置都来自于该类的成员变量,我们对静态网格的操作,比如静态网格几何碰撞信息的创建和删除就是在这里进行的。特别的,其成员变量UStaticMesh::BodySetup用于存储物理相关的数据,并在UStaticMesh::Serialize函数中实现了对该数据的存取。

简单碰撞

静态网格可能由复杂的三角面组成,如果不要求精确的碰撞和交互,可以给其添加一个或多个简单几何碰撞体,这样既可以节省复杂碰撞带来的内存开销,也可以提升物理模拟的效率。

在静态网格编辑器中可以通过菜单“Collision”的下拉列表中选择要添加简单碰撞,比如,如果选择了“添加球体简单碰撞”,那么编辑器会自动调用GenerateSphereAsSimpleCollision(UStaticMesh* StaticMesh)函数为你正在操作的StaticMesh创建球体碰撞数据,类似的Generate(KDop/Box/Sphyl)AsSimpleCollision(UStaticMesh* StaticMesh)函数分别生成KDop、Box和胶囊体碰撞。

UE4是可以为一个静态网格创建多个简单碰撞的,这些生成的简单碰撞保存在UBodySetup::AggGeom成员中,其类型为FKAggregateGeom:

 

struct
ENGINE_APIFKAggregateGeom{
TArray<FKSphereElem>SphereElems;
TArray<FKBoxElem>BoxElems;
TArray<FKSphylElem>SphylElems;TArray<FKConvexElem>ConvexElems;
}

 

凸面体碰撞和三角面碰撞

它们的物理数据的创建都可以在静态网格编辑器中完成。在你确认创建凸面体碰撞之后编辑器会自动调用DecomposeMeshToHulls函数进行创建,得到的凸面体几何数据保存在UBodySetup::AggGeom::ConvexElems结构体中。

碰撞复杂度的的缺省值是CTF_UseDefault(在静态网格编辑器详细面板中的Collision Complexity项配置),这种情况下静态网格即生成简单碰撞,也生成复杂碰撞(每三角面碰撞),也就是简单的场景查询使用简单碰撞,复杂的场景查询使用复杂碰撞。

你可以选择Collision Complexity里提供的其它两个选项:

 

CTF_UseSimpleAsComplex//简单和复杂的场景查询使用简单碰撞
CTF_UseComplexAsSimple//简单和复杂的场景查询使用复杂碰撞。

 

当Collision Complexity选项变更时,编辑器会自动调用UBodySetup::CreatePhysicsMeshes函数为静态网格创建物理数据,该过程会对静态网格的几何数据进行Cook。

使用碰撞前Cook目的及流程

PhysX使用凸面体和三角面进行模拟时需要先Cook,目的是将网格数据转换成PhysX使用的数据形式,以实现更高效的碰撞检测和模拟。

在UBodySetup::CreatePhysicsMeshes执行过程中,UE4会调用PhysX的Cooking库提供的接口对凸面体和三角面进行Cook(CookConvex和CookTriMesh),前者数据源来自UBodySetup::AggGeom::ConvexElems,后者数据源来自静态网格的顶点数据。Cooked后的数据分别保存在UBodySetup::AggGeom::ConvexElems::ConvexMesh和UBodySetup::TriMeshes。所有这些过程都是在编辑器下完成的,当然你也可以在运行时进行Cook,但考虑到性能上的影响,最好使用预先Cook好的数据,同时如果不需要非常精确的复杂碰撞,那么使用简单碰撞其实已经能够满足大部分游戏的需求,这可以节省内存和提升效率。

创建骨骼网格的物理数据(SkeletalMesh)

SkeletalMesh的物理数据由UPhysicsAsset提供。

  1. 在物理资产编辑器中为每个骨骼添加不同形状的简单碰撞,编辑器会自动调用MakeNewBody函数为该骨骼创建一个新的UBodySetup,并加入到UPhysicsAsset::BodySetup数组中,

支持的碰撞体形状有:

  • Sphere

  • Box

  • Capsule

  • Convex Mesh

  1. 跟StaticMesh一样,碰撞体的几何数据保存在UBodySetup::AggGeom结构中。在该函数创建完成后,会遍历所有使用该物理资产的骨骼网格组件,并调用USkleletalMeshComponent::RecreatePhysicsState()函数重新创建组件的物理状态。

  2. 过勾选骨骼网格编辑器中的EnablePerPolyCollision项启用。编辑器会自动调用USkeletalMesh::BuildPhysicsData函数,进而调用UBodySetup::CreatePhysicsMeshes函数,执行和静态网格创建复杂碰撞一样的Cook三角面过程。

其他

常见带有物理数据的物品还有

  1. 胶囊体

  2. Landscape地形

  3. PhysicsVolume(BrushComponent)

UBodySetup与UBodyInstance

    对于一个静态网格物体StaticMesh,他的物理一般在建模软件里面就应该创建好,导入到编辑器时UE就会根据导入的数据创建物理信息,当然UE4本身也提供了物理碰撞的创建,如图1-1所示。不过无论哪种做法,本质上都是在编辑器里给UStaticMeshComponent构建一个UBodySetup,在开始游戏的时候在创建运行时的基本物理数据UBodyInstance。

UBodySetup

UBodySetup就是一个静态的物理数据,一般在在游戏运行前就已经构建好了。。你可以理解为一个类,编译以后就存在了。

UBodyInstance

UBodyInstance是一个在游戏时真正起作用的物理数据,可以理解为通过这个类创建的对象,运行时才真正出现。通过一个UBodySetup是可以创建出多个UBodyInstance的)

而对于骨骼网格物体SkeletalMesh,由于数据比较多,他的物理数据存储在PhysicsAsset里面。在游戏运行的时候,SkeletalMeshComponent会读取物理资产里面的数据UBodySetup随后再通过UBodySetup给角色创建对应的基本物理数据UBodyInstance。

FBodyInstance对应一个PhysX的一个actor。一个UBodyStep实例可以被多个FBodyInstance实例使用。一个UPrimitiveComponent可以包含多个FBodyInstance(UStaticMeshComponent包含一个,USkeletonMeshComponent包含多个)。

 

 

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