开放大世界的碰撞与物理

众所周知，物理开销一直是 CPU 的一个大头，而且还很容易出问题。对于开放世界，该如何进行物理运算，以及采用什么方案计算碰撞。

本文针对这个问题做了一些细微的研究，算是对 Unity 下的解决方案有了一个大致的方向。

1、现有物理方案

目前 Unity 里可用的物理方案（现成的）有3种：

Unity 默认的 PhysicsX：默认的物理，大家用得最熟的就是这个；
Unity Dots Physics：在 Dots 系统中的物理；
Unity Havok Physics：基于 Havok 的物理系统；

这里我们对三种方案都进行一个测试：

1、底部放置一个 Mesh （地形），尺寸约 2000*100*800，顶点数 1229，三角面 2171 ：

2、之后在空中 100*100 区域的范围洒落球/立方体碰撞：

3、等方块/球落地后基本稳定、帧数不变之后，记录当前的实体数量；

4、记录帧数刚好在 60/45/30 时对应的实体数量；

注：这里的测试方案我是选择了对于物理系统最不友好的方式（大量物体都积累在同一区域相互碰撞），如果物体均匀分散，性能压力会小很多。但进行压力测试时，都是考虑的最差情况。

这里我在小米9上进行了真机测试，结果如下：

三种物理系统的差别并不算大，Havok 的性能会好一些，而 Unity.Physics 和默认的 PhysicsX 没有太大差异。究其原因，Unity 的默认碰撞 PhysicsX，其实也是多线程。

2、开放世界物理方案

通过上文的测试，无论采用什么方案，如果数量到达了数千的地步，都是接受不了的。如果考虑到开放世界中的场景丰度：石头、树木、关卡交互等，数量可以非常庞大。考虑到小米9 并不是支持的最低端手机，因此建议同时激活的带碰撞的物体要一直控制在 1000 以下。我后面也没有纠结物理系统了，就直接使用 Unity 的 PhysicsX 就行了（会的人多，实现起来简单），即便使用其他的方案也不会有质变。

之前看到一个方案，就是通过射线检测来替代物理碰撞（《腾讯游戏开发精粹Ⅱ》第10章物理查询介绍及玩法应用、第11章基于物理的角色翻越攀爬通用解决方案），也能大大降低性能消耗。我这里简单介绍下这个方案的思路：

在玩家的移动方向上打射线（不一定只能从上往下打），越靠近玩家射线的精度越高。在计算时，先在最远处检测，如果检测到有障碍，便激活中距离的检测（精度更高、性能开销也越大）；如果在中距离检测到了，便激活近处的射线检测（此时检测到的数据就与玩法相关，以实现爬墙、跳跃等规则）。
这种分级射线检测的好处，在玩家处于空旷地块时，可大幅减少射线检测的频率。此外，使用射线代替碰撞，能减少大量物理开销，也能减少因为物理碰撞产生的各种飞天遁地等表现异常。

3、岛屿轮廓的碰撞

我们的地形数据是生成的高度图，岛屿形状其实并不能在 CPU 中体现，自然也无法获取到类似于网格这种的碰撞数据。需求上，有需要船只会被岛屿边缘弹开（有类似推开的物理效果）的功能。针对海岛，我设计了基于有向距离场（Signed Distance Function，以下简称 SDF）的碰撞方案。

关于 SDF，建议先参考以下文章：

Unity 手把手教你实现有向距离场（SDF）图像生成工具（1）【猴子都能学会】 - 哔哩哔哩本文将采用Dead Reckoning算法实现一个有向距离场的生成工具，并实现一个如下的简单变形效果，当然对于SDF应用远不止于此，诸如原神的脸部阴影之类的，这个网上很多就不在这里详细讲了。该算法的优势相较于遍历全局耗时更少，虽有一定的精度下降，但相较于近似方法消除了产生的棱角，毕竟对于一张1024*1024的图要遍历全局的时间都够下楼买杯奶茶再上来了，而采用该算法可以在2秒内计算完成。首先先创建一个ComputeShader和一个脚本如何创建ComputeShader给ComputeShader命名为https://www.bilibili.com/read/cv24786763/ 在我们游戏中，其至少有以下2个功能：

海水波浪计算：在岛屿靠近岛屿区域时，海浪高度（强度）减弱，且海浪不能漫过岛屿。
行船碰撞计算：开船不能直接撞上岛屿，也不能直接生硬拦停，通过SDF图可以拟合渐变实现碰撞转向的效果。

因为这个值需要在CPU、GPU都读取，在Unity2020+中可以使用 RawBuffer 辅助两边的数据共享。这里使用实时在线生成的方式生成SDF图，由GPU进行计算。

动态生成的好处是能支持动态的阻挡物，而且全局唯一一份（只在船或相机附近生成）固定大小的图，更为节省内存。但缺点是生成的结果不能立即拿到，需要一定时间进行生成，可能在2s左右才能获得最终结果（由于海洋主题中，船只的行进都是较慢的，所以问题不大）。

以玩家（相机）为中心，生成一张 1024*1024 的贴图，数据存储为 RGBA 32 bit，也就是每个像素4个字节。其中RG表示最近障碍物的距离，BA表示法线。整张图的重构逻辑依旧是AOI的九宫拆分：

SDF图的重建逻辑：初始化时，以玩家（相机）为中心生成一张1024*1024的贴图。玩家从A点移动到C点：当玩家在B点（黄色区域时）仍使用当前数据。当玩家移动到C点（离开黄色区域）则开始按照C点为初始点构建新的图（重新构建时有4~6个格子的数据可以复用，但一般还是直接整张图重建）。
在 ComputeShader 中，每帧进行一次迭代，每个像素计算周围8个格子，类似于流场的做法。虽然理论上，最坏情况需要 52 万次才能迭代完成，但实际应用中收敛次数不会这么多，具体需要测试。预测会在2~3s内完成收敛（迭代30~60次）。

之后，CPU 和 GPU 都可以通过 SDF 图数据来计算了。