Page 154 - 《摩擦学学报》2021年第4期

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网络三维游戏中物理引擎的核心技术分析

王 鑫（河北美术学院，河北 石家庄 050700）

摩擦学是近几十年来发展起来的重要学科，其研究内容主要包括摩擦、磨损
和润滑的理论和实践，目的是研究具有相对运动特性的工作表面的摩擦过程和工
作机理问题、找寻工程解决方案 . 摩擦学研究包括许多领域，例如力学、机械学、
物理学、化学和材料科学，具有很明显的跨学科特点，研究结果在相关领域的科
学技术发展、工业标准改善和经济发展中起着重要作用 . 本书适合作为中国大学及
相关专业计算机游戏发展方向的本科教材和教育参考，也可以用作公司研发的教
科书或参考手册 .
作为 1 本面向机械工程及相关专业的本科生和研究生的《摩擦学设计基础》
教科书，本书详细介绍摩擦学的背景知识和摩擦学设计方面的相关知识 . 通过该课
程的学习，能够帮助学生了解摩擦学设计的一些基本理论知识，扩展与摩擦学有
关的知识领域，为机械设计及相关领域的研究和设计奠定了坚实的基础 .
《摩擦学设计基础》是在北京航空航天大学出版社出版的《摩擦学基础》（1991）
一书的基础上写作的 . 对《摩擦学基础》（1991）中的一些章节进行了修改，并增
书名：摩擦学设计基础 添了高速旋转部件之间的密封件设计应用程序部分 . 本书共分为 8 章，第 1 章绪论，
作者：王之栎，沈心敏 概述了摩擦学和摩擦学设计 . 第 2 章介绍了摩擦学设计的理论基础，摩擦学设计的
出版单位：北京航空航天大学出社
出版时间：2018 年 2 月 主要研究内容和基础 . 第 3 章流体润滑基本方程式，介绍了摩擦学设计中的润滑动
ISBN：9787512425989 力学基本方程式 . 第 4 章介绍了流体轴承的静态和动态性能以及分析方法 . 第 5 章
定价：49.00 元
介绍了径向载荷动轴承的特点和分析方法 . 第 6 章介绍了建立动态轴承二维数学模
型的性能分析方法 . 第 7 章“油膜润滑的特殊效果”介绍了油膜润滑条件下的热，
紊流和表面条件的影响以及如何对其进行分析 . 第 8 章“气膜力学和气体动态密封件的特性”，介绍了润滑动
力学在气流通道密封件中的应用以及气膜和刷式密封件的分析方法 . 本书的第 2~7 章是由沈心敏和王之栎根据
《摩擦学基础》一书编辑完成的 . 第 6 章的部分内容由刘雨川撰写，第 1 章和第 8 章由王之栎撰写，并由沈心
敏和刘国西等编辑 . J. Chew 提供了有刷密封部分的信息 . 在编写本书的过程中，马纲、陈心颐、陈辉、李理科
和丁蕾等提供了编辑某些内容的材料 . 郭苗苗和迟佳栋等参与了部分手稿的编辑 .
随着计算机软件系统和硬件系统技术的飞速发展，人们对虚拟游戏体验和游戏中物理引擎碰撞检测的要求
越来越高，游戏开发模型发生了翻天覆地的变化，最终的游戏物理引擎也发生了变化 . 游戏物理引擎碰撞是测
试游戏真实性的一种方法 . 物理引擎在游戏中的作用是使游戏世界中的对象运动与现实世界相匹配 . 甚至游戏
中的物体也必须遵守现实世界的物理定律，例如牛顿力学定律 . 基于《摩擦学设计基础》一书，我们主要通过
使用相同类型的数据、所有基本数学和通用类型的算法、虚拟文件管理系统以及带有游戏引擎的基于硬件的中
文软件文件来说明如何构建信息系统 . 3D 游戏的物理世界是真实世界物理原理的抽象模型，并且是整个游戏物
理引擎的基础 . 三维游戏的抽象物理模型中的这些逻辑对象必须严格遵循牛顿理论在现实生活中的 3 个定律 .
物理网络世界中的普通对象相对容易掌握，因此，在实际研究中，碰撞检测的重点是高效、准确的碰撞检测技
术算法，而重点是对柔体物质的实时仿真 .
对于研究网络 3D 游戏物理引擎核心技术的读者而言，《摩擦学设计基础》起到了很大的辅助作用 . 在学
习的过程中，看着自己开发的游戏因为加入物理条件而具有真实的画面感是非常自豪的 . 通过本书，读者可以
学习更多有关某些物理引擎核心技术的基础知识 . 如今，越来越多的玩家要求他们的游戏具有真实感 . 因此他
们开发了一种模拟真实世界的物理引擎 . 物理引擎会更改游戏中对象的行为，以使其看起来更逼真 . 让我们看
1 个相对简单的物理学习引擎示例：愤怒的小鸟，通过刚性物体赋予真实的物理属性的方式来计算运动、旋转
和碰撞反应 . 那么物理引擎如何工作？物理引擎实际上有 4 个主要任务：1）刚体，刚体具有对象的物理属性（质
量、坐标、旋转角度和速度等），并且没有形状 . 2）碰撞形状，既可以通过将形状附加到实体来定义实体的形状，
也可以将多个形状附加到单个实体以定义复杂的形状 . 如果不需要形状，则不需要附加形状 . 3）约束 / 关节，
可以在两个实体之间附加关节以约束其行为 . 例如，固定两个实体之间的距离 . 4）空间，空间是基本的模拟单元，
可以将实体、形状和关节添加到空间，然后更新整个空间，这控制了空间中所有实体、形状和关节的交互方式 .
游戏应用物理的目的是像往常一样增加动画性能的丰富度，减少美术工作量（软体物理）、快速模拟现实中的
各种常见情况（例如秋千）以及减少简单逻辑代码的工作量 . 如在某些情况下，玩家在遇到障碍物时会停下来 .
这在物理世界中很自然，但在非物理世界中很难处理 . 在国外，只需稍作改动，就可以将一些以战争为主题的
游戏用于模拟训练 . 物理引擎的目的是仿真，因此仿真程度越高，可以应用的场景越多 . 《摩擦学设计基础》
一书为网络 3D 游戏的物理引擎的核心技术提供了理论学习支持，详细介绍了游戏屏幕图形的可靠性和合理性 .

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