[游戏] PhysX物理引擎(编程入门)

来源：http://blog.csdn.net/huawenguang/archive/2007/02/09/932105.aspx

Author: 华文广   E-MAIL: huawenguang@sina.com  DATE:06/7/20

      Hi,大家好,好久没有写过东西了.最近在研究物理引擎,在网上搜索了一下,发现相关的技术文章特别少,于是我心血来潮,决定给有兴趣向这方面发展的朋友写一篇入门教程，希望有所帮助。更多相关学习，请到http://www.physdev.com 物理开发网。

      如果你是一名超级游戏爱好者,那想必你会听说过PPU。要是你不知道什么是PPU，那也不要紧，但至少你要知道什么是“物理加速卡”。

      Ageia是PhysX物理芯片的开发商，一家名不见经传的公司，成为敢吃螃蟹的第一人。说不定不久的将来,我们的计算机里会出现CPU,GPU,PPU三足鼎立的局面，而物理编程，也将成为游戏程序员的必修课程。本文是PhysX编和的入门教程。

一、安装

      在国际上,出名的物理引擎有Havok，Vortex，ODE，Novodex，Takamak等等,其中ode是一个免费开源的物理引擎，而Novodex就是PhysX的前身,被Ageia收购之后,改名为PhysX，是一个可以免费用于非商品用途的引擎。在这里选用PhysX来作为入门教程，主要是因为,它的帮助比较丰富,而且开发包可以免费获得。

      关于PhysX sdk的安装.首先要进入http://support.ageia.com下载SDK，注意的是Ageia的SDK只对注册用户开放下载。注册是免费的，但好像要经过审核才会开通，不过一般都会通过的。我注册的时候好像是第二天才收到开通邮件。有两个安装文件是必须下载的System Software.exe和PhysX 2.3.3 SDK Core.exe前一个是底层驱动,后一个是程序内核,最新的SDK是2.4.1,但是只针对商业客户开放。对于初学者来说,最好把PhysX 2.3.3 SDK Training Pragrams.exe也一起下载，里面包含了从初级到高级的一系列教程，对学习这个引擎很有帮助。把所有东西下载下来之后，接着是安装了,安装很简单,一路next下去就可以了,但是为了让VC中设置方便一点,建设把PhysX 2.3.3 SDK Core.exe的安装路径改短一点,例如我的就是安装在D:\PhysX中。

安装好了之后,后开始对VC编译环境进行设置。

首先,在Tools→Options→Directories→Inclund Fik中加入以下目录.

　　D:\PhysX\SDKS\Physics\include

　　D:\PhysX\SDKS\Founddation\include

　　D:\PhysX\SDKS\PhysXLoader\include

然后在…àLibrary Fiks中加入以下目录：

　　D:\PhysX\sdks\LIB\Win32

以上用到的“D:\PhysX”指的是sdk安装目录,以你机器中的安装路径为准,本教程的示例程序用到了opengl和glut作为渲染引擎,你的计算机如何没有安装glut库,那也请先到www.opengl.org上下载一个安装上去。在这里就不打算深入讨论glut了，没有基础的朋友可以先自学一下。

二、PhysX概述

       首先来介绍一下PhysX编程的几个术语以及它们之间的相互联系。

1.     Scene场景：就像演员表演都需要一个舞台一样, PhysX的所有物理运动都在这个scene中进行。

2.     Actor角色：在场景中,所有参与运算的实体都是一个角色或许我这样表达不是很正确,大家慢慢体会吧!

3.     bosy刚体：用来记录物体之间世界交互的各种系数,如速度,阻尼等.

4.     shape形状：描述和表达某一角色的外形,PhysX中提供4种基本形状，盒子，球，胶囊以及平面。

      从上面图可以看到，PhysX编程其实很简单,首先,定义各种不同的角色（actor）,然后指定每个角色的形状（shape）属性和刚体（body）属性，最后是把这些角色都加入到场景（scene）空间中去,这样就可以构造出一个完整的物理世界。下面我将详细描述编程的步骤.

三.编程实现

1.创建scene, 

NxsceDesc sceneDesc:
SceneDesc.grauity = gDefaultGravity;  //指定重力加速度(-9.81f)
SceneDesc.broadphase = NX_BROADPHASE_COHERENT;            
SceneDesc.collisionDetection = true;  //是否开启碰撞检测
Gscene = gPhysicsSDK→createScene(sceneDesc);

      首先我们要创建一个场景的描述(Descriptor)，PhysX SDK就利用这个场景描述结构来创建生成一个场景实例.

      描述(Descriptor)在整个SDK编程过程中,会被广泛地使用。描述其实就是一个数据结构,主要是用来保存各种在创建实体时所需要的相关信息。你可以调整描述体中各种参数来达到不同的效果,当然你可以不作任何修改,这样的话实体在创建时会使用描述体的默认值。

在本例子中,我们创建一个指定了重力加速以及碰撞检测算法的场景实例。PhysX SDK中提拱了三种碰撞检测算法提拱给大家选择.这里选用的是“broad phase-coheret collison detoction”。

2.给场景（scene）增加物理材质（Materials） 

      物理材质指的是某一具体物体的表面属性和碰撞属性,这些属性可以确定一个物体和另一个物体发生碰撞时，是如何在该的物体上反弹,滑动或者滚动的。

      你可以给场景中的所有物体指定一个相同的默认物理材质。

//创建默认材质
Nxmaterial* defaultMaterial = gscene->getMaterialFromIndex(0);
defaultMaterial->setRestitution(0.9);     //还原系数为0的时候没有还原.
defaultMaterial->setStaticFriction(0.5);  //静摩擦系数.
defaultMaterial->setDynamicFricfion(0.5); //动摩擦系数.

      以上材质的系数最小值都是0,最大值是1，如果要实现一个物体落在地上会自动弹跳,那就得把还原系数设得大一点。

3.创建地面 

      在本程序例子中,只有两个角色实体,地面和盒子.我们首先来看如何创建地面.

NxPlane shapeDesc planeDesc;
NxActorDesc actorDesc;
actorDesc.shapes.pushBack(&phane Desc);
gscene->createActor(AcforDesc);

      创建一个地面角色,这可能是角色创建的最简单的方法了,只用到了四行代码,首先分别创建一个平面形状描述和角色描述,两个描述都不作任何修改,也就是使用它们的默认值.平面的中心位于世界坐标原点（0,0,0）处，而法线则是指向y轴的正方向。

      第二步,把平面描述添加到角色描述中的形状列表中去，从这里我们也可以看到，一个角色是可以包含多个形状物体的。

      第三步,就是把角色加到场景（scene）中去，也许你会留意到，前面我们所说的一个角色实体必须包括形状描述和刚体描述，两大部份，为什么这里只有形状描述呢？其实，刚体描述也是存在的，当你没有为它指定的时候，角色创建时会自动生成一个默认的刚体描述。一个刚体的默认值是这样的：它不会移动但是会把与它发生碰撞的物体反弹回去。因为它的质量是无限大的。

4、创建盒子 

      前面介绍了如何创建一个地面，这是场景中最简单的一个角色了,下面我们将要创建一个稍为复杂一点的角色，一个盒子。

Int size = 5
NxBodyDesc BodyDesc;
BodyDesc.angularDamping = 0.5f;
BodyDesc.linearVelocity = NxUec3(0.0f,0.0f,0.0f)
NxBoxShapeDesc BoxDesc;
BoxDesc.dinesions = NxUec3(float(size),float(size),float(size));
NxActorDesc BoxActorDesc;
BoxActorDesc.shapes.pushBack(&BosDesc);
BosActorDsec.body = &BodyDesc;
BoxActorDesc.desity = 0.10f;
BoxActorDesc.globalpose.t = NxVec3(0.0.20.0.0.0);
Gscene→createActor(BoxActorDesc)->userData = (viud*)size;

      这里我们创建了一个叫“Box”的场景角我。我们可以看到，盒子角色完整地包含了形状和刚体两大部份。和创建平面角色不同的是盒子角色描述中多了“desity”,“globalpose”两个分量,分别指的是密度和初始位置,SDK会根据密度和体积来自动计算角色的质量。

“globalpose”指的是在世界位标中的相对位置,值得注意的是:  PhysX中,与坐标尺寸相关的数值,其单位都是“米”(m)。

5.绘制与运动 

      完成了以上的准备工作之后,接下来便是检验成果的最后冲刺了.

Whik(nbActors--)
{
    NxActor*actor=*actors++;
    If(!actor->userData) continue;
    glpushMatrix();
    float glamat[16];
    actor->getGlobalPose().getColumnMajor44(glmat);
    glColor4f(1.0f,1.0f,1.0f,1.0f);  
    glMultMatrix(glmat); 
    glutWireCube(float(int(actor→userData))*2.0f); 
    glPopMatrix();
}

      上面是绘制场景的程序,这里因为不需要绘制地面,因此第一行跳过平面角色,直接绘制盒子.

      OK,现在我们可以让程序运行起来了,在窗口可以看见生成的一个立方体盒子.但是为什么那个盒子不会落下来，不会运动呢？这是因为我们还没有加入实时运算函数。在绘制盒子之前加入以下三行:

Gscene->fetchResults(NX_RIGID_BODY_FINFSHED);
gsceng->Simulate(1/60.0f);
gscene->flushstream();

      这样,盒子就会产生自由落体运动,其中simulate(1/60.0)是一个积分函数,用来求位移.这里用到了固定间隔时间1/60.0秒,其实最好是使用一些系统时间函数,来计算上一次刷屏到现在的时间，这样会让物体运动更加逼真。

四.总结

      这是一个PhysX物理引擎的Hello World入门程序,为了让大家更清晰地看到程序总体框架,我把程序的功能尽量写得简单。在接下来的一段时间里,我会写一些复杂的相关教程,希望各位网友友持。当然，我也是一边学一边写，难免会出现错差，如果你们发现我的文章有问题的话，请E-mail:huawenguang@sina.com 告诉知我，也欢迎在这方面有共同兴趣的朋友来信交流.

      特别感谢我身边一个朋友的支持!

五、源代码

// A minimal Novodex application test.
// 以下代码，先安装好PhysX SDK，及按要求配置好路径之后才能编译。
// 建义用使用VC2003以上版本，VC6.0在我这里有一个“return”错误，把“return”去掉就可以编译通过。
// 运行的时候如果提示缺少DLL文件，请在<PhysX SDK>/bin/win32 目录中找到相应的DLL文件把它拷贝到工程文件夹中，
// 或者拷贝到系统systems32/ 文件夹中
// NxBoxes by Pierre Terdiman (01.01.04)
// author: huawenguang@sina.com


#define NOMINMAX
#ifdef WIN32
　　#include <windows.h>
　　#include <GL/gl.h>
　　#include <GL/glut.h>
#elif LINUX

#include <GL/gl.h>
#include <GL/glut.h>

#elif __APPLE__
　　#include <OpenGL/gl.h>
　　#include <GLUT/glut.h>
#elif __CELLOS_LV2__
　　#include <GL/glut.h>
#endif

#include <stdio.h>


// Physics code
 #undef random
#include "NxPhysics.h"
//#include "ErrorStream.h"
 #pragma comment( lib, "PhysXLoader.lib" )


static bool             gPause = false;
static NxPhysicsSDK*    gPhysicsSDK = NULL;
static NxScene*         gScene = NULL;
static NxVec3           gDefaultGravity(0.0f, -9.81f, 0.0f);
static float            gRatio=1.0f;


static void InitNx()
{
    // Initialize PhysicsSDK
    gPhysicsSDK = NxCreatePhysicsSDK(NX_PHYSICS_SDK_VERSION, 0, NULL);
    if(!gPhysicsSDK) return;
    gPhysicsSDK->setParameter(NX_MIN_SEPARATION_FOR_PENALTY, -0.05f);

    // Create a scene
    NxSceneDesc sceneDesc;
    sceneDesc.setToDefault();
    sceneDesc.gravity = gDefaultGravity;
    gScene = gPhysicsSDK->createScene(sceneDesc);

    NxMaterial * defaultMaterial = gScene->getMaterialFromIndex(0);
    defaultMaterial->setRestitution(0.9f);
    defaultMaterial->setStaticFriction(0.1f);
    defaultMaterial->setDynamicFriction(0.1f);

    // Create ground plane
    NxPlaneShapeDesc PlaneDesc;
    PlaneDesc.d = -5.0f;
    NxActorDesc ActorDesc;
    ActorDesc.shapes.pushBack(&PlaneDesc);
    gScene->createActor(ActorDesc);

    //CreateCube(NxVec3(0.0,20.0,0.0),5);
    // Create body
    //////////////////////////////////////////////////////////////
    int size = 5;
    NxBodyDesc BodyDesc;
    BodyDesc.angularDamping = 0.5f;
　　 //BodyDesc.maxAngularVelocity = 10.0f;

    BodyDesc.linearVelocity = NxVec3(0.0f,0.0f,0.0f);

    NxBoxShapeDesc BoxDesc;
    BoxDesc.dimensions      = NxVec3(float(size), float(size), float(size));

    NxActorDesc BoxActorDesc;
    BoxActorDesc.shapes.pushBack(&BoxDesc);
    BoxActorDesc.body           = &BodyDesc;
    BoxActorDesc.density        = 0.10f;
    BoxActorDesc.globalPose.t  = NxVec3(0.0,20.0,0.0);

    gScene->createActor(BoxActorDesc)->userData = (void*)size;
}



static void RenderCallback()
{
    // Clear buffers
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

    // Setup camera
    glMatrixMode(GL_PROJECTION);
    glLoadIdentity();
    gluPerspective(60.0f, 1.0, 1.0f, 10000.0f);

    glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
    glLoadIdentity();
    gluLookAt(0.0, 5.1, 50.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0f, 1.0f, 0.0f);

    gScene->fetchResults(NX_RIGID_BODY_FINISHED);
    gScene->simulate(1/60.0f);
    gScene->flushStream();

    // Keep physics & graphics in sync
    int nbActors = gScene->getNbActors();
    NxActor** actors = gScene->getActors();
    while(nbActors--)
    {
        NxActor* actor = *actors++;
        if(!actor->userData) continue;

        glPushMatrix();
        float glmat[16];
        actor->getGlobalPose().getColumnMajor44(glmat);
        glMultMatrixf(glmat);
        glColor4f(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
        glutWireCube(float(int(actor->userData))*2.0f);
        glPopMatrix();
    }
    glutSwapBuffers();
}



int main(int argc, char** argv)
{
    // Initialize Glut
    printf("PhysX, Hello World!");
    glutInit(&argc, argv);
    glutInitWindowSize(512, 512);
    glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_DOUBLE | GLUT_DEPTH);
    int mainHandle = glutCreateWindow("PhysX, Hello World!");
    glutSetWindow(mainHandle);
    glutDisplayFunc(RenderCallback);
    glutIdleFunc(RenderCallback);

    // Setup default render states
    glClearColor(0.3f, 0.4f, 0.5f, 1.0);
    glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    glEnable(GL_COLOR_MATERIAL);
    glEnable(GL_CULL_FACE);
    glEnable(GL_LIGHTING);

    // Physics code
    InitNx();
    // ~Physics code

    // Run
    glutMainLoop();

    if(gPhysicsSDK && gScene) gPhysicsSDK->releaseScene(*gScene);
    gPhysicsSDK->release();
    return 0;
}
////////////////////////////////////////////////////
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