黑神话·悟空：物理引擎揭秘，打造极致游戏体验
黑神话·悟空：物理引擎揭秘，打造极致游戏体验
近日，国产游戏《黑神话·悟空》在被誉为“游戏界奥斯卡”的TGA（The Game Awards）2024年度评选中，一举斩获最佳动作游戏奖和玩家之声奖。这是中国首款3A单机游戏获得此奖项，不仅实现了中国游戏在国际舞台上的重大突破，也让全球玩家见证了中国游戏开发技术的飞速进步。
《黑神话·悟空》的成功，离不开其卓越的物理引擎技术。物理引擎是游戏开发中的核心技术之一，负责模拟游戏世界中的物理过程，如碰撞、运动、形变等。在《黑神话·悟空》中，物理引擎的出色表现，让游戏中的水波涟漪、雪地脚印等自然现象显得栩栩如生，极大地提升了玩家的沉浸感。
碰撞检测：虚拟世界的物理法则
碰撞检测是物理引擎中最基本也是最关键的部分。在经典物理世界中，物体的运动遵循牛顿第二定律：
[ F = ma ]
其中，( F ) 为物体所受的净力，( m ) 为物体的质量，( a ) 为加速度。通过对每一时刻物体所受合力和合力矩进行计算，可以得到现实生活中物体的物理状态。在计算机游戏中，物理引擎同样利用这个原理更新物体的速度与位置。
然而，游戏世界中的物理模拟并非完全等同于现实。由于计算机需要根据每个物体的状态一帧一帧地更新位置，物理模拟所用的帧率越高，计算结果就越精确。在游戏中，通常会采用数值积分方法来实现这一过程，如欧拉法、龙格-库塔法，或更为稳定和高级的半隐式积分器等。这些方法能够在保证计算效率的同时，提供足够准确的物体位置和状态。
但是，由于游戏世界的模拟是离散的，无法完全动态模拟两个物体从接触到离开过程中的每一个细微变化，这就会导致一些复杂的碰撞看起来反直觉。为了解决这个问题，现代游戏引擎通常会将游戏的计算帧率与现实帧率分开，以避免此类问题。
此外，实际游戏过程中的建模为了美观是非常复杂的，从模型来说一般来说有几千个三角面。但是物理引擎在计算这些原始的模型碰撞时计算量会几何程度递增，或者由于某个比较奇怪的建模角度，碰撞计算会给出与现实出入较大的结果。所以我们需要简化物体的物理外形， 这也就是我们游戏中常说的碰撞体积。
约束：自由与限制的艺术
除了刚体的碰撞外，游戏中自然少不了许多部件的连接与转动，这就是约束这一物理概念在背后起作用。例如，游戏中的小人要想抓取一个物体，就相当于手与物体的接触面产生了约束。
在物理引擎中，约束（Constraints）用于限制物体的运动范围和相对位置。它们在游戏和仿真中有着广泛的应用，如角色的骨骼动画、机械臂、车轮等。在模拟过程中，如果做不好约束很可能得到非常奇怪的游戏画面。
在经典力学中，约束是描述系统中物体或物体之间相互关系的条件。约束力学是研究如何在一个多物体系统中考虑运动的限制条件的分支。根据自由度的不同，物体之间的相对运动受到不同类型的限制。
在物理引擎中，约束通常通过数学方程来描述，并基于经典力学中的拉格朗日力学（Lagrangian Mechanics）和牛顿力学（Newtonian Mechanics）来求解。
物体之间的相对运动由施加在物体上的约束力（Constraint Forces）决定，这些约束力使得物体遵循约定的运动轨迹，防止它们发生不符合物理规律的运动。具体来说，约束力通过改变物体的加速度来限制其自由度，从而确保其运动不会违反约束条件。
人物的关节就是一种约束形式，称为铰链关节，它允许两个物体绕一个轴旋转，同时限制其他自由度。其物理学原理可以追溯到转动惯量（Moment of Inertia）和角动量守恒（Conservation of Angular Momentum）。
在实际的游戏中，约束同样存在计算量限制的问题，需要简化计算量，所以游戏中通常由预设好的通用约束，比如以下几种
PhysX 中的 Joints 例子
布料与流体模拟：真实感的极致追求
在游戏中，柔体、布料和流体的模拟用于呈现物体的形变和流动行为，这些行为不仅遵循经典物理定律，还依赖于数值计算方法来实现。通过这些模拟，游戏可以展示更加细腻、真实的物理效果，如人物在水中跑动激起的涟漪、挥动武器时带动附近草木的吹动等现象。
柔体是指在外力作用下会发生形变的物体，相比于刚体，它们不再是完全不可变形的。柔体模拟的核心目标是准确描述物体在受到力时的变形行为。
柔体的形变与物理学中的 应力 （Stress） 和应变 （Strain）密切相关。应力是描述外力作用下物体内部力的分布，通常用应力张量（Stress Tensor）表示。而应变是描述物体因外力而发生的形状或体积的变化。
应力与应变的关系：弹性体在应力作用下会发生线性或非线性的应变。最常用的模型是胡克定律（Hooke's Law），它描述了材料在小变形下的线性弹性行为：
质点模型示意图
质点模型是最常用且计算简单柔体的方法之一。在这个模型中，物体被离散化为若干个质点，每个质点通过弹簧相互连接，模拟材料的弹性行为。每个质点的运动方程由牛顿第二定律给出。
Bullet 引擎展示的布料效果
对于更复杂的物体形变，我们可以使用有限元法 。它通过将物体划分为许多小的单元（如三角形或四面体），并通过求解每个单元的应力和应变来模拟物体的整体行为。 这种方法通常用于模拟更精细的物体形变，能够处理非线性和大变形。
流体模拟是物理引擎中最具挑战性的任务之一，尤其是在真实感方面。流体行为受到连续介质力学的深刻影响，特别是流体动力学和热力学。
流体的运动遵循纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations），这是描述粘性流体流动的基础方程：
方程左边为惯性项，描述了流体的动量变化；右边第一项是压力项，描述了由于压力梯度产生的力，流体由高压区向低压区流动；第二项是黏性项，描述了流体内部的摩擦力（黏性）效应，这部分与流体的速度场的梯度有关；第三项是体积黏性项，这部分是为了考虑流体的体积黏性；最后一项是外力。
对于不可压缩流体有:
进而可以忽略体积黏性项，在游戏中，我们甚至可以忽略黏性项，并只考虑二维的情况，就得到一组很简化的方程，大大减小计算量：
但是得到的流体模拟相对简单，比如我们很难看到游戏中水面有着较远范围的涟漪，相当于把长波长部分的流体波动忽略了。
黑神话中打斗时的水面波纹
游戏物理与科研物理：平衡艺术
无论是游戏开发还是科研领域，都需要模拟物体的运动和相互作用。然而，游戏中的刚体模拟和科研中的刚体模拟在目标、精度、计算方法、约束和求解策略等方面有着明显的不同。
游戏中的模拟主要侧重于实时交互性和视觉真实感。游戏中的物体虽然按照牛顿力学的原理运动，但模拟的精度和细节往往会有所简化，以便达到更好的用户体验和更快的计算速度。模拟结果更多的是用于增强玩家的沉浸感，而不是精确的物理预测。
科研中的刚体模拟目标通常是精确建模和性能评估 ，用于分析物体的力学行为、设计优化或实验验证。模拟的目的是提供可靠的结果，用于实际应用、理论研究或者验证物理现象。
游戏中的模拟与科研中的模拟虽然都基于相同的物理原理，但是游戏中的模拟通常会做很大程度的简化，以确保在每一帧中能够高效地计算物体的运动。
技术创新：从团队到引擎
《黑神话·悟空》的成功，离不开其背后的技术团队——游戏科学（Game Science）。这是一家由前腾讯光子工作室群《战争前线》核心成员创立的游戏工作室，自2014年成立以来，一直致力于高质量游戏的开发。
游戏采用了虚幻引擎4（Unreal Engine 4），这在图形渲染和物理效果上为游戏带来了极高的精度和逼真度。无论是悟空的每一根猴毛，还是古庙中的每一片瓦，都展现出极高的还原度和细节感。此外，游戏还引入了高级的AI技术，使游戏中的NPC（非玩家角色）反应更加智能，自主性更强，提升了玩家的互动体验和游戏平衡性。
文化传承：从游戏到文旅
《黑神话·悟空》不仅是一款技术先进的游戏，更是一场文化盛宴。游戏以中国古典名著《西游记》为蓝本，但又不拘泥于传统故事。游戏不仅关注战斗和探险，更深入挖掘了悟空这一角色背后的心理变化和内心挣扎。玩家将扮演孙悟空，经历他从桀骜不驯的小猴，到伟大的齐天大圣的成长历程。
游戏的成功也带动了外国玩家对中国文化的兴趣，不少外国朋友实地探访中国古建，探寻陕北说书人，重走西游“取经路”。这种“游戏+文旅”的联动效果凸显，不仅为文旅产业发展注入了新的活力，也推动了游戏行业与文旅产业的深度融合。
《黑神话·悟空》的成功，不仅在于其技术的突破，更在于它如何通过这些技术为玩家创造出无与伦比的沉浸体验。这款游戏不仅仅是一场视觉上的盛宴，也是对技术和物理学的深刻应用展示。通过对物理引擎的深入解析，我们不仅能更好地理解游戏的构造，还能提升自己对物理规律的认知。最终，《黑神话·悟空》的成功不仅在于其技术的突破，也在于它如何通过这些技术为玩家创造出无与伦比的沉浸体验。