嗡嗡！给视觉装上“引擎”

2020-01-01 23:26沉舟舟芝士多多

文/ 沉舟舟图/ 芝士多多

物理引擎是什么

你知道，苹果成熟之后，会因为重力往下落；急刹车时，人会在惯性的作用下往前冲。这些物体运动的规律，就是物理学研究的对象。小到蚂蚁爬行，大到星球运转，真实世界中的万事万物都是在物理的“约束”下运行的。

用电脑模拟出的虚拟世界，物理就管不着了。苹果可以落地，也可以飞向外太空；人可以服从惯性，也可以在急刹车时稳如泰山。但是，我们已经在潜移默化中习惯了真实世界的物理现象，因此电影里的情节也必须在物理的框架内展现，这样看起来才真实，才有代入感。

于是，物理引擎就出现了。物理引擎通过一系列复杂的计算，让电脑中的虚拟世界也能遵照现实世界里的物理定律。比如，它能“告诉”电脑，虚拟导弹只能按照物理定律中的弹道前进，不能毫无限制地随意乱飞。

物体的运动是非常复杂的，物理引擎也是从模拟简单的动作开始，慢慢升级，慢慢成长。瞧，到现在，仍有一些动作它无法完美模拟呢！让我们一起来看看物理引擎成长道路上的几道难关吧。

汽车转弯激起的尘土，超人和怪兽大战撞飞的山石，炸弹爆炸冲击而起的碎片等大量而微小的物体的运动。

难处：这些看似简单的场景，都有无数粉尘、细屑等微小物体（统称为粒子）在运动，要将它们的运动规律统一模拟出来，难度可想而知。

波涛汹涌的大海、洗澡时飞溅的水花、落在身上的雨滴等液体的运动。

难处：液体没有固定的形状，运动轨迹难以捉摸。如果要模拟物体在液体中的运动，比如海上航船的颠簸，难度就更大了。

鼻涕虫、果冻、外星怪兽一类软软的物体的运动。

难处：观察抖动的果冻就能知道，软软的物体运动起来，可以用“牵一发而动全身”来形容，需要在把握整体动作的时候关注身体的每一个细节。

行走、奔跑、打斗等人或动物身体的运动。

难处：身体运动不仅仅是关节或肌肉的活动，还与重力、惯性等息息相关。例如，在虚拟角色爬上高台的画面中，不但要展示出角色的动作，还要让观众能感受到角色的“体重”，而不是轻飘飘的。

旗帜飘扬、衣服抖动等布料的运动。

难处：布料运动的难度在于模拟布料和人体的互动。瞧，一个简单的抬手动作，衣服就会产生各种不同的褶皱，更不用说穿脱衣服时衣服褶皱的复杂变化。

那么，这些难关都克服了吗？

前面几项基本上都克服了，就是最后的布料运动还无法达到“完美”，因此，我们很少在电影中看到虚拟人物穿脱衣服的画面。

那还真是“看起来简单，做起来难”。

你瞧，物理引擎不但能模拟单一物体的运动，还能设计复杂的运动场景，比如：两辆车相撞后，各自按照怎样的路线运行，它们激起的烟尘是怎样的状态，车内的人该如何运动，等等。

听起来，物理引擎好像很强大，但仅仅用来拍电影，有些大材小用了吧？

哈哈，被你说对了。

跟电影一样，电子游戏的画面也需要借助物理引擎来完成。与电影不同的是，游戏中的角色更自由，需要更加强大的物理引擎来“规范”他们的动作。

举个简单的例子，电影中的士兵只会往一个设定好的方向射击，而游戏中的士兵可以在玩家的操作下，往任意方向射击，子弹的飞行轨迹、击中物体后的效果等都会因此发生相应的改变。这就需要物理引擎对相关物体之间的关系进行全方位的计算。

大家对网络购物应该非常熟悉了。在网上买衣服的一大问题，就是无法试穿。买家不知道这件衣服的样式和大小到底是否适合自己，只能买了再说。

有研究人员估计遭遇过类似的烦恼，因此他们将物理引擎用到了在线试衣系统里。他们对衣服的材质、重量、质感、光泽等都进行了逼真的模拟。用户可以选择与自己体形相似的虚拟模特试穿这些衣服，并且可以实时控制模特做出旋转、跳跃、抬腿、下蹲等动作。用户就能由此全方位了解衣服的情况。

等这项技术成熟推广，我们足不出户就能买到称心如意的衣服了。

听说过“两个铁球同时落地”的故事吗？有了物理引擎，老师就可以像真的一样演示在高塔上扔球了。

想验证用杠杆是否可以翘起地球？通过物理引擎将地球简化成一个小球，再设置一根无限长的杠杆和一个不会被压溃或移动的支点，然后去看看结果就可以啦。

理论上，羽毛和铁球在真空中会同时落地，可课堂上如何制造真空呢？找物理引擎帮忙就能实现。

有了物理引擎的帮助，这些与物理有关的经典场景都能展现在课堂上，我们就能更直观地了解物理的奥秘。

既然能走进课堂辅助教学，物理引擎自然能够更进一步，走上科学研究的岗位。据说，研究人员设计物理引擎的初衷之一，就是模拟火炮的弹道，再根据模拟结果修正火炮结构。

除此之外，物理引擎在工程上还有许多用处，比如，可以模拟高速水流冲击桥墩的情景，以测试桥墩的强度；可以对挖掘土壤的过程进行仿真分析，以设计出结构更合理的挖掘机；可以模仿交通事故，来改进车辆的安全性能。