BEPU物理引擎碰撞系统

概要

前段时间在做项目时为了保证不同设备上的结果一致,需要采用定点数来计算迭代游戏过程中的物理运算。也就是我们通常说的定点数物理引擎(确定性物理引擎)，系统的学习了一下BEPU物理引擎，本篇文章给大家讲解BEPUphysicsint 物理引擎内部是如何管理与控制碰撞规则的。本文主要讲解3个部分:

(1) 物理引擎碰撞计算的全流程详解;

(2) 用户控制碰撞关系的规则详解;

(3) 与物理碰撞相关的其它一些注意事项;

物理引擎碰撞计算的全流程详解

物理引擎的碰撞计算是物理引擎性能消耗的部分之一，物理引擎如何高效的做好物理碰撞计算与物理引擎内核如何标准的处理碰撞检测流程(pipeline),详细的步骤如下:

(1) BroadPhase 快速粗略碰撞检测。通过这个步骤，快速的计算筛选出来可能产生碰撞的物理Entity碰撞对(Entity Collison Pair)。要实现这个设计目标我们可以从物体与场景入手,可以简化物体的形状来做碰撞检测，通过物理场景,快速的排除掉不可能发生碰撞的物体，从而替代简单的暴力搜索。每个物理Entity都有自己的包围盒,能包围住整个物理Entity的形状，当两个物理Entity的包围盒有重叠的时候，物理引擎会产生一个潜在可能的碰撞对,如下图：

找到这个碰撞对后，就会把物理碰撞对加入到物理世界的碰撞列表中，来进行下一步计算。

(2) NarrowPhase 精确的计算碰撞，生成碰信息。经过第一步的粗略计算，找出来了可能发生碰撞的物理Entity碰撞对。接下来就是要根据物理Shape形状与角度来精确的计算出来是否有真实的碰撞以及详细的碰撞点位置，表面法线信息等。注意不是所有的碰撞对都会产生碰撞,如上图1.6-1所示,BroadPhase阶段产生了碰撞，但是NarrowPhase阶段，却发现没有产生碰撞。

(3) Collision Respones阶段: 物理碰撞系统的最后一个阶段就是迭代计算出碰撞对每个物理Entity运动改变的影响。因为物理引擎中不允许两个物理Entity穿透。所以碰撞后就会改变物理Entity的运动状态。

用户控制碰撞关系的规则详解

在物理引擎Pipeline的物理碰撞计算中要筛选出物理Entity碰撞规则。碰撞规则是指进入碰撞标准流程计算中采用哪种策略。用户可以指定物体的碰撞规则,指定碰撞计算策略。用户定义碰撞规则可由有3个地方产生出来, 这3个地方按照优先级进行筛选,如果当前没有,就进入下一个位置筛选，都没有，就用默认的碰撞规则。3个地方的分别如下(按照优先级来区分):

Specific特殊碰撞规则表: 物理Entity有一个Specific列表保存了一些物理的Entity实例以及与这些Entity实例的碰撞规则,如果碰撞对中的Entity实例在这个表中，就返回这个表中的碰撞规则。否则就进入下一个规则产生阶段。
Personal 私有碰撞规则: 针对单个的物理的Entity,如果物理Entity设置了这个碰撞规则，就是用这个碰撞规则。
Group 碰撞分组:每个物体都可以设置一个碰撞分组，如果没有设置就使用默认的碰撞分组。由所在的碰撞分组来决定碰撞规则。

这3个决定碰撞规则的地方的优先级别，如下图所示:

上面提到一个概念,碰撞规则,碰撞规则是决定了物体与物体之间的碰撞该如何处理与计算。BEPU物理引擎分成了几个规则:

CollisionRule.Normal: 允许碰撞对(Collision Pair)经历完整的碰撞计算，完整的碰撞计算包括了broad phase, narrow phase, collision response三个阶段。
CollisionRule.NoSolver: 允许碰撞对经历broad phase, narrow phase阶段,但是不计算碰撞信息与对物体运动状态的改变。
CollisionRule.NoNarrowPhaseUpdate: 允许碰撞对经历broad phase 与第一阶段的narrow phase。但是narrow phase的计算结果不更新到碰撞对中。
CollisionRule.NoNarrowPhasePair: 允许碰撞对经历broad phase的粗略测试,不进行narrow phase 测试。
CollisionRule.NoBroadPhase: 不做任何的碰撞测试。
CollisionRule.Defer: 延后决定，一个比较特殊的状态，上面说了有3个地方可以决定碰撞策略，如果某一个地方没有碰撞策略，就返回CollisionRule.Defer，进入到下一个地方。如果所有都没有，就使用默认的策略。

讲解完这些基本概念以后，我们来介绍一下基于碰撞分组Group如何具体产生碰撞策略。这种模式是我们开发中最常用的模式,当Specific与Personal两个地方无法决定碰撞策略的时候，物体的碰策略就是由它所在的分组来决定。物理引擎内核中有一个CollisionGroupRules字典，描述了哪些Group分组到碰撞规则的映射。当前物体所属哪个组，就可以获得该碰撞规则。要创建一个用户自定义的组，只要new 一个CollisionGroup的实例，然后将与每个其它分组的碰撞规则设置到CollisionGroupRules表中即可。有时候每个物体的类型会有冲突，那么如何取舍呢？

大家注意这里的碰撞策略有一个优先级:

NoBroadPhase>NoNarrowPhasePair>NoNarrowPhaseUpdate>NoSolver>Normal。

与物理碰撞相关的其它一些注意事项

用户可自定义broad phase的测试函数:我们可以通过设置物理Entity的CollisionRuleCalculator 的delegate 回调函数来定制broad phase碰撞测试时候的碰撞算法。这个回调函数最终会存到BroadPhase中的CalculateCollisionRuleCallback中。

kinematic 的物理Entity采用CollisionRule.NoSolver碰撞策略，这样可以不用改变它们的物理的运动状态。

小结

今天的分享就到这里了，后面我会逐步分享一些关于 BEPU 3D定点引擎实战系列的知识点。