Jolt物理引擎

一个多核友好的刚体物理和碰撞检测库。适用于游戏和VR应用。被《地平线：西之绝境》使用。


一个展示使用Jolt物理引擎模拟布娃娃堆的YouTube视频。

更多演示和视频请前往示例部分。

设计考虑

为什么要创建另一个物理引擎？首先，这是一个个人学习项目。其次，我想解决一些我在现有物理引擎中遇到的问题：

游戏不仅仅是模拟物理。这些操作跨多个线程进行。我们强调在主模拟更新之外并发访问物理数据：
- 模拟的部分可以在后台加载/卸载。我们在后台线程上准备一批物理体，而不会锁定或影响模拟。我们将批次插入模拟中，对性能的影响最小。
- 碰撞查询可以与添加/删除或更新物体并行运行。如果对物体的更改发生在同一线程上，更改将立即可见。如果更改发生在另一个线程上，查询将看到一致的前或后状态。另一种选择是有世界的读取和写入版本。这会阻止更改立即可见，所以我们避免这种做法。
- 碰撞查询可以与主物理模拟并行运行。我们在模拟步骤之前进行粗略检查（广相检测），然后在后台进行精细检查（窄相检测）。这样，长时间运行的过程（如导航网格生成）可以分散到多个帧中。
物体意外唤醒会在加载/卸载内容时造成性能问题。因此，创建时物体不会自动唤醒。移除物体时，相邻物体也不会被唤醒。如果需要，可以手动触发这些操作。
模拟运行是确定性的。你可以通过简单地复制模拟的输入来将模拟复制到远程客户端。阅读确定性模拟部分以了解其限制。
我们尝试模拟真实世界中刚体的行为，但会做出近似。因此，这个库主要应用于游戏或VR模拟。

特性

使用连续碰撞检测模拟各种形状的刚体：
- 球体
- 盒子
- 胶囊体
- 锥形胶囊体
- 圆柱体
- 凸包
- 平面
- 复合体
- 网格（三角形）
- 地形（高度场）
模拟物体之间的约束：
- 固定
- 点
- 距离（包括弹簧）
- 铰链
- 滑块（也称为棱柱）
- 圆锥
- 齿轮齿条
- 齿轮
- 滑轮
- 平滑样条路径
- 摆动扭转（用于人形肩部）
- 6自由度
驱动约束的电机。
碰撞检测：
- 投射射线。
- 形状vs形状测试。
- 形状vs另一形状的投射。
- 仅广相测试，快速确定哪些对象可能相交。
传感器（触发体积）。
动画布娃娃：
- 硬键控（仅运动学刚体）。
- 软键控（在动态刚体上设置速度）。
- 驱动约束电机到动画姿势。
- 将高细节（动画）骨骼映射到低细节（布娃娃）骨骼，反之亦然。
游戏角色模拟（胶囊体）
- 刚体角色。在物理模拟期间移动。最经济的选择，角色和动态物体之间的碰撞响应最准确。
- 虚拟角色。在模拟中没有刚体，但使用碰撞检查模拟一个。在物理更新之外更新以获得更多控制。与动态物体的交互较不准确。
车辆
- 轮式车辆。
- 履带车辆。
- 摩托车。
软体模拟（如软球或布料）。
- 边缘约束。
- 二面角弯曲约束。
- 四面体体积约束。
- 长距离附着约束（也称为系绳）。
- 限制模拟在蒙皮顶点的某个范围内。
- 内部压力。
- 与模拟刚体的碰撞。
- 对软体的碰撞测试。
水浮力计算。
可选的双精度模式，允许大规模模拟。

支持的平台

Windows（桌面或UWP）x86/x64/ARM32/ARM64
Linux（在Ubuntu上测试）x64/ARM64
FreeBSD
Android x86/x64/ARM32/ARM64
Platform Blue（一个流行的游戏主机）x64
macOS x64/ARM64
iOS x64/ARM64
WebAssembly，请参见这个单独的项目。

所需的CPU特性

在x86/x64上，最低要求是SSE2。该库可以使用SSE4.1、SSE4.2、AVX、AVX2或AVX512编译。
在ARM64上，该库使用NEON和FP16。在ARM32上，它可以在不使用任何特殊CPU指令的情况下编译。

文档

要了解更多关于Jolt的信息，请前往最新的架构和API文档。特定版本的文档也可用。

开始使用时，请查看HelloWorld示例。还有一个使用CMake FetchContent的HelloWorld示例，展示了如何将Jolt Physics集成到CMake项目中。

Jolt使用的一些算法在我的GDC 2022演讲中有详细描述：为《地平线：西之绝境》构建Jolt Physics（幻灯片，带演讲者注释的幻灯片，视频）。

编译

可使用 Visual Studio 2019+、Clang 10+ 或 GCC 9+ 编译。
使用 C++ 17 标准。
仅依赖标准模板库。
不使用 RTTI。
不使用异常。

如果你想在 Platform Blue 上运行，由于 NDA 要求，你需要提供自己的构建环境和 PlatformBlue.h 文件。这个文件可以在 Platform Blue 开发者论坛上获取。

有关构建说明，请查看构建部分。从旧版本库升级时，请查看发布说明或API 变更部分。

性能

如果你对 Jolt 如何随多核 CPU 扩展以及与其他物理引擎的比较感兴趣，请查看这份文档。

文件夹结构

Assets - 该文件夹包含 TestFramework、Samples 和 JoltViewer 使用的资源。
Build - 包含构建库所需的所有内容，详见构建部分。
Docs - 包含库的文档。
HelloWorld - 一个简单的应用程序，演示如何使用 Jolt Physics 库。
Jolt - 库的所有源代码都在这个文件夹中。
JoltViewer - 可以使用 DebugRendererRecorder 类记录物理引擎的输出（.jor 文件），该文件夹包含可视化记录的应用程序源代码。这对于可视化不同平台的 PerformanceTest 输出等非常有用。目前仅适用于 Windows。
PerformanceTest - 包含一个简单的应用程序，用于运行性能测试并收集计时信息。
Samples - 包含示例应用程序，详见示例部分。目前仅适用于 Windows。
TestFramework - 用于可视化物理引擎结果的渲染框架。由 Samples 和 JoltViewer 使用。目前仅适用于 Windows。
UnitTests - 一组用于验证物理引擎行为的单元测试。
WebIncludes - 物理引擎内部分析框架使用的一些 JavaScript 资源。