嗡嗡！給視覺裝上“引擎”

文/ 沉舟舟 圖/ 芝士多多

物理引擎是什么

你知道，蘋果成熟之后，會因?yàn)橹亓ν侣洌患眲x車時(shí)，人會在慣性的作用下往前沖。這些物體運(yùn)動的規(guī)律，就是物理學(xué)研究的對象。小到螞蟻爬行，大到星球運(yùn)轉(zhuǎn)，真實(shí)世界中的萬事萬物都是在物理的“約束”下運(yùn)行的。

用電腦模擬出的虛擬世界，物理就管不著了。蘋果可以落地，也可以飛向外太空；人可以服從慣性，也可以在急剎車時(shí)穩(wěn)如泰山。但是，我們已經(jīng)在潛移默化中習(xí)慣了真實(shí)世界的物理現(xiàn)象，因此電影里的情節(jié)也必須在物理的框架內(nèi)展現(xiàn)，這樣看起來才真實(shí)，才有代入感。

于是，物理引擎就出現(xiàn)了。物理引擎通過一系列復(fù)雜的計(jì)算，讓電腦中的虛擬世界也能遵照現(xiàn)實(shí)世界里的物理定律。比如，它能“告訴”電腦，虛擬導(dǎo)彈只能按照物理定律中的彈道前進(jìn)，不能毫無限制地隨意亂飛。

物體的運(yùn)動是非常復(fù)雜的，物理引擎也是從模擬簡單的動作開始，慢慢升級，慢慢成長。瞧，到現(xiàn)在，仍有一些動作它無法完美模擬呢！讓我們一起來看看物理引擎成長道路上的幾道難關(guān)吧。

①粒子運(yùn)動

汽車轉(zhuǎn)彎激起的塵土，超人和怪獸大戰(zhàn)撞飛的山石，炸彈爆炸沖擊而起的碎片等大量而微小的物體的運(yùn)動。

難處：這些看似簡單的場景，都有無數(shù)粉塵、細(xì)屑等微小物體（統(tǒng)稱為粒子）在運(yùn)動，要將它們的運(yùn)動規(guī)律統(tǒng)一模擬出來，難度可想而知。

②流體運(yùn)動

波濤洶涌的大海、洗澡時(shí)飛濺的水花、落在身上的雨滴等液體的運(yùn)動。

難處：液體沒有固定的形狀，運(yùn)動軌跡難以捉摸。如果要模擬物體在液體中的運(yùn)動，比如海上航船的顛簸，難度就更大了。

③軟體運(yùn)動

鼻涕蟲、果凍、外星怪獸一類軟軟的物體的運(yùn)動。

難處：觀察抖動的果凍就能知道，軟軟的物體運(yùn)動起來，可以用“牽一發(fā)而動全身”來形容，需要在把握整體動作的時(shí)候關(guān)注身體的每一個(gè)細(xì)節(jié)。

④身體運(yùn)動

行走、奔跑、打斗等人或動物身體的運(yùn)動。

難處：身體運(yùn)動不僅僅是關(guān)節(jié)或肌肉的活動，還與重力、慣性等息息相關(guān)。例如，在虛擬角色爬上高臺的畫面中，不但要展示出角色的動作，還要讓觀眾能感受到角色的“體重”，而不是輕飄飄的。

⑤布料運(yùn)動

旗幟飄揚(yáng)、衣服抖動等布料的運(yùn)動。

難處：布料運(yùn)動的難度在于模擬布料和人體的互動。瞧，一個(gè)簡單的抬手動作，衣服就會產(chǎn)生各種不同的褶皺，更不用說穿脫衣服時(shí)衣服褶皺的復(fù)雜變化。

那么，這些難關(guān)都克服了嗎？

前面幾項(xiàng)基本上都克服了，就是最后的布料運(yùn)動還無法達(dá)到“完美”，因此，我們很少在電影中看到虛擬人物穿脫衣服的畫面。

那還真是“看起來簡單，做起來難”。

你瞧，物理引擎不但能模擬單一物體的運(yùn)動，還能設(shè)計(jì)復(fù)雜的運(yùn)動場景，比如：兩輛車相撞后，各自按照怎樣的路線運(yùn)行，它們激起的煙塵是怎樣的狀態(tài)，車內(nèi)的人該如何運(yùn)動，等等。

聽起來，物理引擎好像很強(qiáng)大，但僅僅用來拍電影，有些大材小用了吧？

哈哈，被你說對了。

物理引擎用處多

用處 1 制作電子游戲

跟電影一樣，電子游戲的畫面也需要借助物理引擎來完成。與電影不同的是，游戲中的角色更自由，需要更加強(qiáng)大的物理引擎來“規(guī)范”他們的動作。

舉個(gè)簡單的例子，電影中的士兵只會往一個(gè)設(shè)定好的方向射擊，而游戲中的士兵可以在玩家的操作下，往任意方向射擊，子彈的飛行軌跡、擊中物體后的效果等都會因此發(fā)生相應(yīng)的改變。這就需要物理引擎對相關(guān)物體之間的關(guān)系進(jìn)行全方位的計(jì)算。

用處 2 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程試裝

大家對網(wǎng)絡(luò)購物應(yīng)該非常熟悉了。在網(wǎng)上買衣服的一大問題，就是無法試穿。買家不知道這件衣服的樣式和大小到底是否適合自己，只能買了再說。

有研究人員估計(jì)遭遇過類似的煩惱，因此他們將物理引擎用到了在線試衣系統(tǒng)里。他們對衣服的材質(zhì)、重量、質(zhì)感、光澤等都進(jìn)行了逼真的模擬。用戶可以選擇與自己體形相似的虛擬模特試穿這些衣服，并且可以實(shí)時(shí)控制模特做出旋轉(zhuǎn)、跳躍、抬腿、下蹲等動作。用戶就能由此全方位了解衣服的情況。

等這項(xiàng)技術(shù)成熟推廣，我們足不出戶就能買到稱心如意的衣服了。

用處 3 輔助課堂教學(xué)

聽說過“兩個(gè)鐵球同時(shí)落地”的故事嗎？有了物理引擎，老師就可以像真的一樣演示在高塔上扔球了。

想驗(yàn)證用杠桿是否可以翹起地球？通過物理引擎將地球簡化成一個(gè)小球，再設(shè)置一根無限長的杠桿和一個(gè)不會被壓潰或移動的支點(diǎn)，然后去看看結(jié)果就可以啦。

理論上，羽毛和鐵球在真空中會同時(shí)落地，可課堂上如何制造真空呢？找物理引擎幫忙就能實(shí)現(xiàn)。

有了物理引擎的幫助，這些與物理有關(guān)的經(jīng)典場景都能展現(xiàn)在課堂上，我們就能更直觀地了解物理的奧秘。

用處 4 解決工程問題

既然能走進(jìn)課堂輔助教學(xué)，物理引擎自然能夠更進(jìn)一步，走上科學(xué)研究的崗位。據(jù)說，研究人員設(shè)計(jì)物理引擎的初衷之一，就是模擬火炮的彈道，再根據(jù)模擬結(jié)果修正火炮結(jié)構(gòu)。

除此之外，物理引擎在工程上還有許多用處，比如，可以模擬高速水流沖擊橋墩的情景，以測試橋墩的強(qiáng)度；可以對挖掘土壤的過程進(jìn)行仿真分析，以設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更合理的挖掘機(jī)；可以模仿交通事故，來改進(jìn)車輛的安全性能。