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游戏中的物理与中间件
Physics in Games & Middleware
今天游戏引擎所说的"物理"，准确说是经典刚体动力学模拟：理想化的、无限坚硬不可形变的物体在力的作用下如何运动和相互作用。它高度依赖碰撞检测系统；反过来，碰撞检测可以独立存在，几乎所有有移动物体的游戏都有某种碰撞检测，但不一定有物理。GEA 先讨论要不要物理、物理是否好玩、它对项目各部门的影响，再列出主流中间件（GEA4 卷 II 第 14 章引言、14.1–14.2）。
物理系统能做什么
动态物体与静态世界的碰撞检测；受重力等力作用的自由刚体；弹簧-质点系统；可破坏的建筑；射线与形状投射（视线、弹着点）；触发体积；复杂机械（吊车、移动平台谜题）；陷阱（滚石）；带真实悬挂的载具；布娃娃死亡；动力布娃娃 (powered rag doll)（传统动画与布娃娃的混合）；晃动的挂件、半真实的头发和衣物；布料；水面与浮力；声音传播。物理模拟也可以离线运行来生成动画片段，Maya 有不少物理插件（卷 II 14.1.1）。
物理好不好玩
刚体模拟本身不保证好玩，其固有的混沌常常有损体验。按类型看（卷 II 14.1.2）：
| 类型 | 物理的角色 |
|---|---|
| 模拟类（Flight Simulator、Gran Turismo、NASCAR Racing） | 真实感正是目标，非常契合 |
| 物理解谜（Bridge Builder、The Incredible Machine、Fantastic Contraption、Crayon Physics） | 核心玩法几乎全靠物理 |
| 沙盒（Besiege、Spore、LittleBigPlanet、Minecraft） | 物理本身可以好玩，但常为趣味牺牲真实（夸张爆炸、改重力），需要调"手感" |
| 目标驱动与叙事驱动 | 很棘手：用控制换真实，失控会妨碍玩家达成目标或叙事。例：平台跳跃角色要好控制而非真实；桥要真实地炸，但碎片不能堵住唯一的路。最好给玩家脱困手段，如《光环》按 X 把翻倒的载具翻正 |
物理对项目的影响
- 设计：可预测性差，必须每次都一样的事最好做成动画；调参（重力、恢复系数）效果间接难以可视化，靠调力让角色朝某方向走远比调走路动画难；会出现涌现行为（《军团要塞经典版》火箭跳、《光环》被炸飞的疣猪号、《PsyOps》的飞行"冲浪板"）。原则：由游戏设计驱动物理需求，而不是反过来（卷 II 14.1.3.1）。
- 工程：工具管线的建设与维护；玩家如何操控物理对象（射击、走进去、捡起，《Trespasser》的虚拟手臂，《半条命 2》的重力枪）；物理用碰撞模型要更细致；AI 寻路在物理物体面前变得不可预测，可能需要处理会移动或被炸掉的动态掩体；"不听话"的物体（弹飞、抖动），可能需要碰撞过滤允许轻微穿插、确保物体能停稳并休眠；布娃娃需要大量调校，动画把肢体推进别的碰撞体后再转布娃娃会极不稳定；图形方面，物理运动影响包围体，可破坏物会让部分预计算光照和阴影失效；网络上，不影响玩法的物理可以各客户端独立模拟，影响玩法的（手雷轨迹）必须在服务器模拟并精确复制；录像回放要求所有系统确定性，物理不确定就是大麻烦（卷 II 14.1.3.2）。
- 美术：要给物体配质量、摩擦、约束等，工作流更复杂；可能要为同一外观做多个碰撞与动力学配置不同的版本（完好版和可破坏版）；物理的不可预测让场景构图难以控制（卷 II 14.1.3.3）。
- 其他：需要工程、美术、音频、设计紧密协作；增加成本、技术与组织复杂度和风险。即便如此，GEA 认为如今多数团队还是会选择集成刚体动力学（卷 II 14.1.3.4）。
碰撞与物理中间件
碰撞/物理系统往往占引擎源码的很大比例，所以多数团队使用中间件（卷 II 14.2）：
| 中间件 | GEA 的描述 |
|---|---|
| ODE (Open Dynamics Engine) | 开源碰撞与刚体动力学 SDK，功能接近 Havok；免费、有完整源码，便于调试和定制 |
| Bullet | 开源，游戏和电影都在用；碰撞引擎与动力学集成，但碰撞也可单独使用；支持连续碰撞检测 (CCD，也叫冲击时间 TOI 检测) |
| PhysX | 源自 Ageia 的 Novodex，为推广物理协处理器而生；被 NVIDIA 收购后可用 GPU 作协处理器，也能纯 CPU 运行；CPU 版免费，付费可得源码；已与 APEX 合并 |
| Havok | GEA 称其为商业物理 SDK 的"金标准"，功能最丰富、性能出色，也最贵；核心碰撞/物理引擎外有载具、可破坏环境和与布娃娃集成的动画 SDK 等附加产品 |
| PAL (Physics Abstraction Layer) | 开源抽象层，让一个项目同时使用多个物理 SDK（PhysX、Newton、ODE、OpenTissue、Tokamak 等） |
| DMM (Digital Molecular Matter) | Pixelux 用有限元方法模拟可形变和可破碎物体，2008 年发布，用于《星球大战：原力释放》 |
UE5 使用自研的 Chaos，见 Chaos 物理与碰撞。
高级物理特性
约束刚体之外的方向（卷 II 14.6）：可形变体（如 DMM）；布料（点质量组成的薄片 + 刚性弹簧，碰撞和数值稳定性都难，Havok 等已提供好用的布料模拟，UE5 见 Chaos 布料）；头发（大量细丝模拟，或把贴了头发纹理的布片用布料模拟驱动，《神秘海域：失落的遗产》中 Chloe 的头发就是这样）；水面与浮力（浮力可以是专门的系统或物理模拟中的力；水面的有机运动常只是渲染效果，物理上把水面当作平面，大位移时移动整个平面；《From Dust》做了动态水面）；一般流体（LittleBigPlanet 用 2D 流体做烟火，PhysX 提供基于位置的 3D 流体）；基于物理的声音合成；GPGPU（Naughty Dog 的布料模拟完全跑在 GPU 上）。
GEA 原书中的问题
- 14.2.3 列出的 PhysX/APEX 支持平台（含 Xbox 360、PS3、Wii）与 14.2.4 的 Havok 平台列表（含 PS Vita、Wii U、Windows 8）都停留在较早的年代；书中也没有提到 UE5 已改用 Chaos（见 Chaos 物理与碰撞）。这里只指出列表的年代感，各 SDK 当前的平台支持以官方为准。
- 14.2.3 称 PhysX 的 CPU 版免费、"付费可获得完整源码"，并说 PhysX "现已与 APEX 结合"。这也是旧情况：NVIDIA 于 2018-12-20 发布 PhysX SDK 4.0，以 3-Clause BSD 许可在 GitHub 开源（PhysX 3.4 同月改为 BSD；主机平台代码仍受 NDA/EULA 约束），而 APEX 1.4 被标为弃用、仅为已有项目保留（NVIDIA Technical Blog "PhysX SDK 4.0 Available Now"，2018；PhysX 4.0 Release Notes；NVIDIAGameWorks/PhysX-3.4 README）。
出处
- Game_Engine_Architecture_4th_Edtion_Volume_2_-_Jason_Gregory.pdf
- Jason Gregory《Game Engine Architecture》第 4 版（2026）卷 II 第 14 章引言、14.1–14.2、14.6 节
- Physics in Unreal Engine
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