仓库里的木箱

阿诚正在做一个仓库解谜 Demo。场景中央堆着十几只木箱，玩家可以推箱子、拉货架，也可以从二楼扔下一袋水泥。他在 UE4 时代就做过类似的玩法，当时用的是 PhysX：箱子叠高了会莫名抖动，快速抛出的物体会穿过地面，睡着的刚体被碰撞唤醒后偶尔会抽搐一下。升级到 UE5.8 之后，底层换成了 Chaos Physics。阿诚发现同样数量的箱子稳定了许多，但一些旧项目的调参经验不再完全适用。这篇文章从这次仓库搬箱子的经历出发，把 Chaos 里最常见的几个基础概念串一遍。

Chaos 与旧 PhysX 的差异

PhysX 是 NVIDIA 的闭源物理引擎，Epic 在 UE4 中把它深度集成到 FPhysScene 与 UBodyInstance 里。开发者大部分时候只接触蓝图节点和碰撞预设，黑盒内部却很难干预。Chaos 是 Epic 自研的求解器，从 UE5 开始全面替代 PhysX。两者最直观的区别并不是 API，而是所有权结构：Chaos 把几何、刚体、约束、求解器都放进了引擎自己的模块，调试、扩展和定制都更直接。

group engine[Unreal Engine 5.8]
    service game[Game Thread] in engine
    service tick[Physics Tick] in engine
    service chaos[Chaos Solver] in engine
    service broad[Broadphase] in engine
    service narrow[Narrowphase] in engine
game:B --> T:tick
tick:B --> T:chaos
chaos:B --> T:broad
broad:B --> T:narrow

上面的示意图只画到碰撞阶段。真实管线还会经过约束求解、积分、同步渲染位置等步骤。PhysX 时代这些步骤在第三方库内部完成；Chaos 时代 Epic 把管线拆得更开，方便后续做 Determinism、Replay、网络同步和破坏系统。阿诚的实际感受是：同样的蓝图调用，Add Impulse 和 Set Physics Linear Velocity 行为基本一致，但堆叠稳定性、CCD 表现和报错信息都变好了。

Chaos 还统一了刚体与破坏的数据表示。PhysX 的破坏需要 APEX 或单独的插件；Chaos 的 Geometry Collection 直接复用同一套刚体与约束框架，因此可以做出“一堵墙被砸开后碎片继续参与物理交互”的效果，而不用在多个子系统之间切换。

刚体模拟基础

刚体是物理世界最常见的抽象：它假设物体内部任意两点之间的距离不变，因此只需要记录位置、朝向、线速度、角速度、质量和惯性张量。阿诚在仓库里放了一只圆桶，让它从斜坡上滚下来。圆桶的质量是 $20\,\text{kg}$ ，重力加速度取 $9.8\,\text{m/s}^2$ ，那么重力给它的合力就是 $196\,\text{N}$ 。

动力学方程用最朴素的形式写就是：

\mathbf{F} = m\mathbf{a}, \quad \boldsymbol{\tau} = \mathbf{I}\boldsymbol{\alpha}

其中 $\mathbf{F}$ 是合外力， $m$ 是质量， $\mathbf{a}$ 是线加速度；\boldsymbol{\tau} 是合外力矩， $\mathbf{I}$ 是惯性张量，\boldsymbol{\alpha} 是角加速度。游戏引擎里不会真的去解这个连续方程，而是把每帧切成很小的时间片，做数值积分。

最常用的显式欧拉积分写成递推式：

$\mathbf{x}_{t+1} = \mathbf{x}_t + \mathbf{v}_t \Delta t, \quad \mathbf{v}_{t+1} = \mathbf{v}_t + \mathbf{a}_t \Delta t$

这里 $\Delta t$ 是当前步长。步长越大，误差越明显：圆桶可能直接滚进坡底，也可能因为速度过大而穿透地面。Chaos 默认以固定频率运行物理 tick，具体数值可以在 Project Settings > Physics > Physics Simulation 里找到，默认通常是 $60\,\text{Hz}$ ，也就是每步约 $16.67\,\text{ms}$ 。

刚体还有两个容易被忽略的属性：质心和阻尼。质心决定了力施加在哪里会产生纯平动还是转动；阻尼则像空气阻力一样持续消耗动能。阿诚一度把圆桶的线性阻尼设得很高，以为这样滚动会更稳，结果箱子像泡在水里一样慢吞吞。后来他只在需要快速稳定的地方提高角阻尼，保留线性阻尼默认值。

碰撞检测与响应

圆桶滚下斜坡后撞上了一摞木箱。碰撞检测并不是一上来就计算精确接触点，而是分两步走。

第一步是 Broadphase。Chaos 会给每个参与物理的物体维护一个轴对齐包围盒（AABB），只在包围盒重叠的物体对之间进入下一步。这一步把 $O(n^2)$ 的配对降到接近 $O(n)$ 。

第二步是 Narrowphase。对于真正靠近的几何体，Chaos 使用 GJK 和 EPA 算法计算最近距离、穿透深度和接触法线。GJK 擅长判断两个凸体是否相交，EPA 在相交时给出最小穿透向量。复杂网格通常会被预处理为凸包或三角网格，用于不同精度的查询。

TD
A[Game Tick 开始] --> B[Broadphase AABB 筛选]
B --> C[Narrowphase GJK/EPA]
C --> D{是否存在接触}
D -->|是| E[构建 Contact Manifold]
D -->|否| F[跳过该物体对]
E --> G[求解接触约束]
G --> H[计算冲量并应用]
H --> I[积分更新速度与位置]
I --> J[同步到渲染线程]

碰撞响应基于冲量。两个刚体在接触点交换的冲量大小由相对速度、质量、恢复系数和摩擦系数共同决定。Chaos 内部会把接触约束和其他约束一起放进求解器，迭代若干次后得到满足所有约束的速度。阿诚之前用 PhysX 时，箱子叠到五层以上就开始高频抖动，原因往往是接触法线在不断翻转，求解器每一帧给出的冲量方向都不一致。Chaos 在 Manifold 持久化和 contact offset 上做了不少改进，同样堆叠高度下明显更稳。

Sleep / Wake 机制

木箱被撞散后，有几只滚到墙角停了下来。如果引擎继续为它们做积分、碰撞查询和约束求解，帧时间会白白浪费。Sleep 机制就是为了解决这个问题：当刚体的线速度和角速度都持续低于某个阈值，求解器就把它标记为 Sleeping，暂时停止模拟。

阿诚在场景里放了一座由八只箱子堆成的金字塔。金字塔静止几秒后全部进入 Sleep 状态。此时他控制玩家从二楼扔下一袋水泥，水泥袋撞到底部箱子，Chaos 会把被撞的箱子 Wake 起来，箱子再带动上面一层，整个金字塔像多米诺一样逐层苏醒。

participant Player as 玩家
participant Bag as 水泥袋
participant Bottom as 底层木箱
participant Top as 顶层木箱
participant Solver as Chaos Solver
Player->>Bag: 投掷
Solver->>Bag: 速度高于阈值，保持 Wake
Bag->>Bottom: 碰撞
Solver->>Bottom: Wake
Bottom->>Top: 接触并传递力
Solver->>Top: Wake
Solver->>Solver: 求解整帧约束
Top-->>Bottom: 位移与速度更新

Sleep 阈值可以在 Project Settings > Physics 里调整，也能在单个 Primitive Component 上覆盖。需要注意的是，Sleep 并不代表物体从世界中移除，只是不再主动积分。如果其他物体撞上它，或者代码调用 WakeRigidBody，它会立刻恢复模拟。阿诚踩过的一个坑是：他把 Sleep Threshold 设得太低，导致轻微抖动的箱子迟迟不能入睡，CPU 开销居高不下；设得太高又会让应该静止的箱子在玩家注视下微微滑动，破坏沉浸感。

Sub-stepping 与物理频率

阿诚的 Demo 里还有一段弹弓玩法：玩家把石块高速弹射出去，击中远处货架。在 $60\,\text{Hz}$ 的默认物理频率下，石块飞行速度如果太快，单帧位移可能超过自身尺寸，这时 Narrowphase 就来不及捕获接触，石块会直接穿过货架。这种穿透问题叫 Tunneling。

Sub-stepping 是 Chaos 用来缓解 Tunneling 的主要手段。它会在一帧游戏 tick 内把物理时间切成更小的片段，在每个子步里重新跑碰撞检测和积分。Sub-stepping 的数量可以在项目设置里限制，常见做法是 Max Substeps = 5，Fixed Time Step = 0.0167 秒。

TD
A[游戏帧 tick] --> B{当前帧剩余时间 > 0}
B -->|是| C[取最小子步长]
C --> D[在该子步内积分]
D --> E[碰撞检测与约束求解]
E --> F[更新刚体状态]
F --> G[剩余时间 -= 子步长]
G --> B
B -->|否| H[本帧结束，同步结果]

子步带来更高的模拟精度，但代价是 CPU 时间。阿诚在普通仓库场景里保持默认子步，只在弹弓关卡把 Max Substeps 临时调高。他还在代码里用 FMath::Min 钳制了石块的最大角速度，避免过快的自转让接触点频繁跳变。

UE5.8 还继续改进了异步物理 tick。游戏逻辑线程和物理线程不再严格同步，Physics State 通过缓冲区与渲染线程交互。这样即使物理帧率波动，渲染帧率也能保持相对平滑。开发者在蓝图中写物理交互时要小心：不要在 Tick 里直接读取当前帧的物理位置做精确判定，因为读取到的可能是上一物理步的结果。

物理材质与摩擦力、弹性

仓库地面有时是水磨石，有时是结冰的卸货台。阿诚用 Physical Material 给不同表面区分摩擦和弹性。Physical Material 不是材质球，而是单独的资源，可以在 Static Mesh 的 Collision 部分指定。

两个物体接触时，摩擦力和反弹力由双方的 Physical Material 共同决定。摩擦系数 $\mu$ 的常见混合方式有 Average、Minimum、Maximum 和 Multiply。假设木箱与地面的 $\mu$ 分别是 $0.6$ 和 $0.4$ ，使用 Average 混合后等效摩擦就是 $0.5$ 。

库仑摩擦模型把摩擦力限制在：

$F_{\text{friction}} \leq \mu F_{\text{normal}}$

其中 $F_{\text{normal}}$ 是接触法向力。也就是说，法向压力越大，能提供的最大摩擦力也越大。如果切向力没有超过这个上限，物体就不会滑动。

弹性用恢复系数 $e$ 表示，范围通常在 $0$ 到 $1$ 之间。 $e=0$ 是完全非弹性碰撞，碰撞后两物体贴在一起； $e=1$ 是理想弹性碰撞，动能没有损失。现实中的橡胶球 $e$ 可能在 $0.8$ 左右，沙袋接近 $0$ 。阿诚把水泥袋的恢复系数调到很低，落地时不会乱蹦；把弹弓石块的弹性适中调高，击中货架时更有打击感。

UE5.8 里 Physical Material 的界面和 PhysX 时代看起来差不多，但底层参数已经映射到 Chaos 的摩擦与恢复模型。迁移项目时要重新抽查几个关键表面的手感，旧数值不一定能一比一直接复用。

简单物理交互示例

阿诚写了一个蓝图函数，在玩家点击箱子时给它一个水平冲量。如果用 C++ 实现，可以在继承自 AActor 的类里这样写：

void AMyCrate::OnPoked()
{
    UPrimitiveComponent* Prim = Cast<UPrimitiveComponent>(GetRootComponent());
    if (!Prim || !Prim->IsSimulatingPhysics())
    {
        return;
    }

    FVector Impulse = GetActorForwardVector() * 800.0f;
    FVector Location = GetActorLocation();

    Prim->AddImpulseAtLocation(Impulse, Location);
}

这段代码先判断根组件是不是物理模拟状态，然后沿角色正前方向施加 $800\,\text{N}\cdot\text{s}$ 的冲量。冲量作用点是物体中心，所以不会产生额外转矩。如果想让箱子翻倒，可以把作用点抬高到箱子顶部。

另一个常用调试命令是显示物理休眠状态。在控制台输入：

p.Awake 1
p.Chaos.DebugDraw.Sleep 1

运行时 Sleeping 的物体会被染成深色，Wake 的物体呈亮色。阿诚靠这个快速定位哪些箱子因为阈值不当而一直醒着。

UE5.8 Chaos 的改进

UE5.8 并不是 Chaos 的第一次登场，而是把前几年积累的东西打磨得更适合生产。官方 release notes 把 Dataflow 标为 Production-Ready，这意味着破坏资产可以用节点化、非破坏式的方式反复迭代。Chaos Cloth 也进入 Production-Ready，并通过新的 Dataflow-based Cloth Panel Editor 与服装制作流程对齐。Chaos Hair、Chaos Fluids、Chaos Destruction 和模拟核心本身都收到了大量小幅度更新。

对阿诚这种主要用刚体做Gameplay 的开发者来说，UE5.8 最实在的变化是稳定性和调试体验。堆叠Solver 在接触法线跳变时更稳，异步 tick 的边界情况处理得更干净，Chaos Visual Debugger 也能把物理状态录下来逐帧回放。Epic 还在统一 Chaos Flesh 与 Chaos Cloth 的求解器，未来肌肉与皮肤之间的交互会自然许多。

小结

仓库里的木箱、圆桶和水泥袋，把 Chaos Physics 的几块基础拼图画了出来。Chaos 与 PhysX 最大的不同在于所有权和管线结构；刚体模拟靠质量、惯性、力和积分推进；碰撞检测分 Broadphase 与 Narrowphase；Sleep/Wake 控制静止物体的开销；Sub-stepping 用更多 CPU 换取高速运动时的稳定性；Physical Material 则把摩擦和弹性从美术材质里抽离出来。

阿诚最后把仓库 Demo 的物理频率保持默认，只在弹弓关卡临时提高子步；把箱子堆叠层数放宽到八层而不抖；给不同地面分配了 Physical Material。UE5.8 的 Chaos 已经能撑起这些常见玩法，理解底层机制之后，调参就不再是盲目试错。