问题

为什么单机游戏中的碰撞很不真实?物理引擎真的很难做到和现实一样吗?

回答
你这个问题问得太好了,很多玩游戏的我们都有同感:为什么游戏里的角色撞一下,感觉轻飘飘的,或者奇怪地卡住,跟现实里两块石头撞在一起完全不一样?这背后其实有很多复杂的原因,咱们就掰开了揉碎了聊聊。

首先,得承认,物理引擎想做到和现实一模一样,是真的非常、非常难,甚至可以说是几乎不可能。 这可不是随便找个“物理老师”就能搞定的事。

咱们先从“现实中的碰撞”是怎么回事儿说起。

现实中的碰撞:一个极其复杂且精密的舞蹈

想象一下,你扔一个球,它撞到墙壁。这个过程,在现实中,涉及到太多我们根本没意识到的细节:

1. 物质的微观结构: 那个球,那个墙,都不是铁板一块。它们是由无数个原子和分子组成的。当它们接触时,是这些原子和分子之间的电磁力在起作用,它们互相推斥,阻止彼此穿透。这种推斥力不是突然出现、也不是简单的“弹开”,而是一个复杂函数根据距离变化。
2. 形变与能量传递: 即使是看起来坚硬的物体,在碰撞时也会发生微小的形变。球会稍微变扁,墙壁也会有痕迹。形变会吸收一部分动能,然后这些形变又会释放能量,让物体弹开。这个形变过程的快慢、程度,跟材质的弹性、塑性、硬度、密度等等息息相关。
3. 动量守恒与能量守恒(但现实中总有损耗): 宏观上,我们学习物理时知道动量守恒和能量守恒。但现实中,碰撞往往伴随着能量的损失:
热能: 碰撞瞬间会产生摩擦和形变,这些都会转化为热量散失。
声能: 碰撞会发出声音,这也是能量的损失。
形变能: 如果物体被永久形变(比如球撞坏了),那部分能量也就固定在那了。
4. 摩擦力: 球在墙上滑动时,会有摩擦力,这个力会减缓球的速度,甚至改变它的旋转。摩擦力的计算也相当复杂,它取决于接触表面的材质、压力以及相对速度。
5. 空气阻力: 球在空中飞行时,空气会对其产生阻力,减缓其速度。
6. 重力: 球落地时,重力会一直作用。

关键是,这些因素是相互关联、并且在瞬间发生的。 要精确模拟所有这些,需要考虑每个粒子、每个微小形变的能量传递,这在计算上简直是天文数字。

游戏中的碰撞:取舍与妥协的艺术

游戏设计师和程序员不可能把现实的每一个细节都搬到游戏里,因为那会导致:

1. 计算量爆炸: 假设一个游戏里有1000个可互动的物体,每个物体都得模拟成千上万个原子的行为,再加上形变、摩擦、空气阻力……电脑非得当场“石化”不可。显卡和CPU会直接过载,游戏帧数可能低到个位数,玩家体验直线下降。
2. 美术风格与游戏性的冲突: 很多游戏追求的是特定的艺术风格,比如卡通风格、赛博朋克风,或者强调快速、爽快的战斗。如果每个碰撞都像现实一样,一个角色被撞到可能会发生夸张的形变、弹飞很远,或者因为摩擦力太大而卡住,这跟游戏想要营造的氛围和玩家的操控感是相悖的。
3. 玩家的预期: 玩家玩游戏,是在一个“游戏规则”的世界里。他们期待的是一个相对一致、可预测的反馈。如果一个简单的跳跃,落地时因为物理引擎的“真实”,角色突然扭曲、卡住,那玩家会觉得游戏“坏了”,而不是“太真实了”。

所以,游戏中的物理引擎,尤其是碰撞检测和响应,是一种高度简化的模型,是“足够好”而不是“完全真实”的艺术。

游戏中的碰撞是如何运作的(简化版)

游戏中的碰撞通常是这样进行的:

1. 碰撞检测(Collision Detection):
碰撞体(Collider): 游戏里的物体,比如角色、箱子、墙壁,不会直接用它们复杂的三维模型去计算碰撞。取而代之的是,会给它们附加一个或多个“碰撞体”。这些碰撞体通常是简单的几何形状,比如:
球体(Sphere): 最简单,一个点加一个半径。
盒子(Box): 一个长方体。
胶囊体(Capsule): 一个圆柱体两端加上半球,非常适合模拟角色。
网格(Mesh Collider): 有时会用物体的简化的模型网格来做碰撞,但这会比前几种消耗更多资源。
检测算法: 引擎会用这些简单的几何形状来判断两个物体是否“接触”了。有很多算法来优化这个过程,比如:
AABB(AxisAligned Bounding Box): 轴对齐包围盒,物体相对于世界坐标轴的边界盒,检测非常快。
OBB(Oriented Bounding Box): 方向性包围盒,盒子的方向可以和物体一起旋转,更贴合物体,但计算量大一些。
球体球体、球体盒子等: 各种简单形状之间的交叉检测,算法成熟且高效。
层级检测: 为了避免每帧都检查所有物体之间的碰撞,游戏会使用层级结构,比如八叉树(Octree)或kd树(kdtree),将物体分组,只检测可能发生碰撞的物体对。

2. 碰撞响应(Collision Response):
找出“穿透”: 当检测到两个碰撞体发生重叠(穿透)时,就需要“响应”。
分离轴定理(SAT Separating Axis Theorem): 这是用来计算非球体碰撞体(如盒子)如何正确响应的最常用方法之一,它能找到使两个物体分离的最短距离和方向。
反弹/滑动:
刚体(Rigid Body): 游戏中的物理对象通常被标记为“刚体”,这意味着它们会受到力的影响,并且有质量、速度、角速度等属性。
反弹系数(Bounciness / Restitution): 这是游戏里最常见的“不真实”来源之一。现实中,碰撞后的速度是根据动量守恒和材料属性计算的。但在游戏里,通常会设定一个“反弹系数”,这个系数决定了物体撞后能“弹”回多高。一个系数为1代表完全弹性碰撞(没有能量损失),系数为0代表完全非弹性碰撞(物体粘在一起)。游戏里的设定往往是介于两者之间,或者为了视觉效果而刻意调高(比如球撞到地板弹得很高)。
摩擦系数(Friction): 类似反弹系数,游戏里也会简化摩擦力的计算。有时候,物体在地面滑动时,你会发现它滑得比现实中远,或者停得太快,都是因为摩擦系数的简化。
施加“冲量”(Impulse): 当发生碰撞时,引擎会给物体施加一个“冲量”(冲量 = 力 × 时间),这个冲量会改变物体的动量(质量 × 速度)。冲量的方向和大小是根据分离轴、反弹系数、摩擦系数等因素计算出来的。
“穿模”与“卡住”: 为什么角色会穿墙?或者卡在缝隙里?
速度过快: 如果物体速度太快,在上一帧它可能还没接触到墙,但到下一帧,它就已经“穿过”墙体了。简单的形状碰撞检测可能无法在中间过程捕捉到这次碰撞。
碰撞体设置问题: 角色可能被一个大盒子包围,这个盒子跟墙壁的复杂模型之间的碰撞计算就会很粗糙。
算法限制: 即使是SAT,在处理复杂形状(比如角色身体各个部分)的碰撞时,如果碰撞体形状不够贴合,也可能出现问题。
解决办法(但也带来了不真实): 为了防止穿模,一些引擎会采用“连续碰撞检测”(Continuous Collision Detection, CCD)。它会根据物体的速度,在它可能经过的轨迹上投射一个射线或扫描一个形状来检测是否穿过了其他物体。但CCD计算量更大。另一种常见做法是在角色身体不同部位设置多个小碰撞体,或者给角色一个更适合的“胶囊体”碰撞体。

为什么游戏里的“反馈”感觉不一样?

视觉上的夸张: 游戏需要让玩家感受到碰撞,所以往往会夸大视觉和听觉的反馈。比如撞击时的粒子特效、屏幕震动、音效。这些都是为了强化玩家的感知,但跟真实的物理过程是两回事。
为了“可玩性”的调整:
角色不受碰撞影响: 很多时候,比如玩家控制的角色,并不会被其他普通物体(如小箱子)给撞飞。这通常是程序员故意设定了“不响应”或者“响应很小”的碰撞。想象一下,你走路被一个纸盒子撞到就飞出去了,那还怎么玩?
受到的影响可预测: 游戏中的物体受力后的反应,往往比现实中更“干净利落”。现实中,一次碰撞可能会让物体发生复杂的翻滚、滑动、震动,但在游戏里,往往是简单的弹开或滑动。这是为了让玩家更容易预测结果,并做出反应。
“锁定”状态: 有时候,角色在特定动作(比如蓄力、挥刀)时,会“锁定”某些碰撞,使其不受干扰,保证动作的流畅性。
“角色扮演”与“模拟”的区别: 大多数游戏,尤其是动作类、冒险类游戏,本质上是“角色扮演”游戏,物理引擎是服务于“扮演”这个核心的。它们是“模拟”了现实的某些方面,以达到更好的游戏体验,而不是要完全“复制”现实。

总结一下:

游戏中的碰撞之所以“不真实”,是因为:

现实物理太复杂: 动辄涉及量子力学、材料科学、流体力学等,计算量无法承受。
游戏需要取舍: 为了性能、美术风格和玩家体验,必须大量简化物理模型。
游戏有自己的规则: 玩家的预期和游戏的“玩法”往往比物理真实性更重要。

所以,当你觉得游戏里的碰撞“不真实”时,其实是因为它在用一种经过精心设计、高度优化的方式,来尽可能地模拟出“足以让你相信”并“乐在其中”的物理反馈。 物理引擎在努力,但它更像是一位高明的魔术师,而不是一位严谨的科学家,它变出的“奇迹”是为了让你惊叹,而不是为了让你去研究背后的原理。

下次再玩游戏,你可以带着这种理解去体验,也许会发现,那些“不真实”的碰撞,背后隐藏着多少程序员的智慧和妥协。

网友意见

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这个问题提的太好了,既是玩家们很容易察觉到的问题,而深究起来又有很深的技术原理。

这次咱们避免长篇大论,直接直观地看几种物理参数对“真实性”的影响。

1、物理帧率

现实世界是连续的(只要不要深入到量子物理的世界【滑稽】),现实世界也不是由CPU、GPU模拟的;而游戏物理,全靠模拟,模拟真实性的第一个影响因素就是——物理模拟的频率。

先举一个有趣的例子:N年前跑跑卡丁车可以通过截图操作让电脑变卡、然后穿过障碍。这就是物理检测帧率变低导致出现碰撞错误的典型例子。

所以现在成熟的引擎中,通常物理计算频率和显示频率完全是无关的,就算游戏画面卡成了幻灯片,物理也尽可能保证正确性。而物理帧率越高、计算结果就越准确,下面以Unity里的一个简单场景为例,介绍“物理帧率和真实性”的关系。

1、物理50帧(Unity默认的FixedUpdate帧率),小球弹了7下:

2、物理计算降低为20帧,小球弹了9下:

显然,之前50帧的效果比这个20帧的真实太多了。问题是,还能进一步真实吗?答案是可以的。

3、物理计算改为100帧,小球只弹了6下:

有趣的是,进一步降低物理帧率,比如1秒10帧,足球甚至会穿过底板……(穿墙的问题有其他解决办法,不在本回答考虑范围之内)。

好吧,大部分读者到这里应该已经恍然大悟了,由于现实世界的物理过程是连续的,那么只要让物理引擎不断提高计算频率,就可以无限接近真实的物理世界吗?

不是的,有两个问题:1、帧率越高CPU、GPU负担就越大,迟早要超负荷。2、就算帧率足够足够高了,还会有其他更多问题,下面说。

2、物体外形

以一个简单的模型为例。一般的模型都由美术设计师来制作,包含了许多许多的三角面,以下这把枪,从模型来说一般来说有几千个三角面(因为扳机、枪口等位置都由很多的弧面和凸起)。但是物理系统在处理很复杂的外形时,碰撞检测会成几何级数增加。所以必须采用简化的物理外形:

虽然枪的模型有几千个三角面,但是物理方面,我们把它简化为三个长方体、一个圆柱体。糊弄玩家足够了【滑稽(读者表示其实是4个长方体【滑稽】)】。

Unity也支持直接用3D模型作为网格,但是做出了一个非常苛刻的限制:如果一个物体能够在物理世界中自由运动和反弹(被称作刚体),那么它必须具有简化的物理外形。这个问题这么理解:

  1. 皮球打在不同表面上,它的第一次反弹的方向很容易计算,和入射方向、反弹面的朝向有关。
  2. 如果是一把枪撞击到地面上,它会如何反弹呢?你会发现地面碰到枪的位置略有一点差异,那么反弹方向就会有巨大差异,撞在枪口略上一点、略下一点,最终结果会有天壤之别。

所以物体外形带来的复杂度也会对模拟结果带来巨大影响。

3、物体表面的材质

真实世界的碰撞发生时,两个物体之间一定会发生挤压,这个挤压时间很短、速度很快我们可以忽略它。但是在物理模拟时,我们只能采用近似的公式来估计反弹的速度,这就造成了和现实巨大的不同。

现代物理引擎也有“物理材质”的概念,但是它一般只包含“摩擦力”、“弹力”这两个主要方面,与现实世界细究起来差异太大了。

上图是Unity中的物理材质,参数为:动摩擦力、静摩擦力、弹性系数。下面两个是选择不同的物理算法。

4、其它问题

其它问题都和计算复杂度有关,一是物理公式的迭代次数,二是误差的累计。

很多方程求值时要采用迭代逼近的方法,循环次数越多结果越精确,但是我们只能强行限制到有限的次数,否则会导致运算量不必要的增大。

另外就是为避免无限迭代下去,当物体速度小于某个非常小的值时,我们就假设它“完全静止”了,这样可以省下进一步模拟的计算消耗。

5、总结

实时游戏的开发和设计,是一个“造假”的艺术,只要能让用户觉得“真实”,而且从性能上讲可实现,那么就达到目的了。

所以伟大的开发者们一方面不断让游戏更真实,一方面还要尽可能降低计算的开销。最终达到一个大部分人都可接受的结果。

虽然物理引擎的效果目前似乎还不尽人意,但是从技术手段上来说,已经有了长足的发展。总之,想对题主说:能玩不错了,凑合玩吧【滑稽】

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很难,因为真实世界是连续的(近乎连续),而物理引擎是离散的(不近乎连续)

(以下是一个通俗的解释,并代表目前物理引擎的真实解决方案)

先说时间层面的离散和连续

物理引擎是根据每个物体的状态一帧一帧更新每个物体的位置,当发生碰撞(碰撞盒重叠)时根据2个物体的速度大小、速度方向、材质、碰撞深度(2个碰撞盒重叠了多少)来计算这次碰撞的结果,同时更新2个物体的状态(位置、速度)或者触发某些特殊效果(破碎、变形)

但实际上我们都知道真实世界里2个物体是不会“重叠”的,真正的碰撞发生在2个物体接触的瞬间或者从接触到形变到碰撞结束的整个过程中(回忆一下高中学的冲量和动量的相关知识),是一个连续的过程,而不是一下一下断断续续进行的。

但物理引擎由于是一帧一帧更新位置、计算碰撞结果,无法保证碰撞的时间点正好在某一帧上,也无法真正完全动态模拟2个物体从接触到离开过程中的每一个细微变化,2帧中间的碰撞信息其实是丢失了的

例如小球和墙壁相距10个单位,小球按照3单位/帧的速度垂直撞向墙壁,理论上小球会在3.3333帧后撞上墙壁,但是实际上物理引擎处理的效果是:

第0帧:相距10单位

第1帧:相距7单位

第2帧:相距4单位

第3帧:相距1单位

第4帧:相距-2单位,发生碰撞,更新位置到相距2单位,速度方向反向

由于引擎中不存在3.33333帧这个状态,而第四帧的适合2个物体已经重叠了,因此根据这个状态判断小球和墙壁已经撞上了,应该反弹。

而从重叠状态去模拟计算出真实的碰撞效果是必定有误差的,尤其是在物体本身较小、碰撞位置较薄的地方,例如一些手机游戏里建模比较小,很容易出现“反常规”的碰撞结果

微信里的疯狂弹球中我瞄准了红线路径上标号为4的三角的左边尖角位置,按常理球撞到尖角上会向左弹,但实际是向右弹的


再说在空间层面的离散和连续

在物理引擎中会吧一个球、一个方块、一支笔等物体当做一个完整的“刚体”去模拟:光滑、规则、整体结构一致(真空中的球形鸡/滑稽)。但实际中即使是一个完整的物体也并不是真正的一个整体,往大了说一支笔也分成好及个部分,彼此只是黏在一起的,往小了说将物体放大表面也是坑坑洼洼的,再狠一点在原子、分子层面看更是离散得不能再离散了(很多物体的物理性质是和其原子、分子结构相关的,例如石墨和金刚石)。

当把这种离散的物体当做一个整体去模拟时必定会出现不真实,例如碰撞中物体由于受力形变部分动能变为了内能消耗掉了,这个过程其实是由物体前后2个部分的速度差形成的挤压导致的,想要模拟就需要将物体在建模是拆分成很多个“小块”,整个物体发生碰撞时这些小块之间发生彼此的相互作用。

显然这个过程十分复杂,于是引擎只有加入“碰撞系数”这个参数来近似实现碰撞中的能量损耗。但显然即使材质相同,形状不同的物体碰撞时消耗掉能量显然是不同的,不应该一概而论,这就形成了误差,更不提例如物体摔碎、摔断这种现象不将整个物体拆分成很多块是根本模拟不了的,只能靠预先设计好的“碎裂套路”。

另外物体外形对于碰撞效果也有极大的影响,摩擦就是一种典型的表现形式,本质上摩擦就是由于物体表面的不光滑导致的,但是要实现这种不光滑就需要模型构建得非常细致,那碰撞的计算量就巨大。试想1个方块在地面上滑动,方块表面有成千上万个小沟壑和地面上成千上万个小沟壑互相碰撞,这个计算量难以估量。


物理引擎可不可以做到很真实?

肯定是可以的,把帧率越高模拟的效果就越好(上限普朗克时间?),物体网格细分得越细模拟效果就越好(这个上限不好说,小到量子领域就没法模拟了),毕竟通常情景下的物理碰撞不涉及到量子层面,模拟算法越真、材质仿真越真,都可以不断提升真实性,唯一理论层面的难题还是在这种细分、真实到一定细节之后,量子层面的问题始终会出现,但就人的感官“分辨率”而言不用细分到那个程度就足以欺骗人眼了。

(评论区朋友指出,目前物理引擎对于多物体同时互相影响的计算是两两互相求解,这并不真实,这个问题会导致复杂的多物体碰撞从原理上怎么也无法接近真实状态。)

但帧率越高也就意味着计算力要求越高,现在的个人电脑连60帧/秒都难以稳定(包括物理引擎和显卡计算2个方面),因此以目前的硬件技术水平追求拟真程度代价似乎过高,意味着需要更贵的CPU、更低的画面表现力等等,综合看来在游戏领域并不值得。

反过来诸如大气模拟、航空航天模拟在这方面对拟真程度的需求就极高,各种超级计算机也就应运而生了。

如果等到以后个人计算机的计算能力也达到目前超级计算机的水平,那时候游戏中的物理引擎就能真不少了。

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