Bullet物理引擎不完全指南(Bullet-Physics-Engine-not-complete-Guide)
Bullet物理引擎不完全指南(Bullet Physics Engine not complete Guide)Bullet物理引擎不完全指南(Bullet Physics Engine not complete Guide)
write by 九天雁翎(JTianLing) -- https://www.wendangku.net/doc/3618845175.html,/vagrxie
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前言 Bullet据称为游戏世界占有率为第三的物理引擎，也是前几大引擎目前唯一能够找到的支持iPhone，开源，免费(Zlib协议，非常自由，且商业免费）的物理引擎，但是文档资料并不是很好，Demo虽然多，但是主要出于特性测试/展示的目的，会让初学者无从看起，一头雾水。我刚学习Bullet的时候困于没有好的文档及资料，非常没有头绪，折腾了很久，所以就发挥没有就创造的精神，写作及整理此文，（以整理资料为主，自己写 为辅）希望大家在学习Bullet的时候不要再像我开始一样没有头绪。因为我实在没有精力去完成一个包含Bullet方方面面的完全指南，所以本文只能是不完全版本，这个就请大家谅解了，但是期望能够真正的完成一个简单的由浅入深的教程，并提供尽量详尽的额外信息链接，只能说让初学者比看官方的WIKI和Demo效果更好，大家有好的信息和资料而本文没有包含的，也请告诉我，我可以在新版中添加进来。因为我学习Bullet的时间也比较短，有不对的地方请高人指点。 前段时间简单的学习了一下Bullet,牵涉到图形部分的时候主要都是研究Bullet与Ogre的结合，所以使用了OgreBullet这个Ogre的Addon，其实真正的学习当然还是直接利用Bullet本身附带的简单的debug OpenGL绘制就好了。本文就完全以Bullet本身的Debug功能来学习，虽然简陋，但是可以排除干扰，专注于bullet。也许除了本文，会有个额外的文章，稍微研究下Ogre与Bullet的整合和分析一下OgreBullet的源码。
Bullet介绍 Bullet的主页。最新版本在这里下载。简单的中文介绍见百度百科。一些也许可以促使你选择Bullet的小故事在以前的文章中有提及，参考这里的开头--为什么选择Bullet。很遗憾的是前几天看到的一篇很详细的bullet中文介绍找不到了，将来也许补上。
安装 Bullet作为一款开源物理引擎，你可以选择作者编译好的SDK，或者直接从源码编译自己的版本（Windows版本自带VS工程）。得益于CMake，在其他平台从源码自己编译也非常简单，参考这里。iPhone版本的话参考这里。想要更详细点的图文教程可以参考Creating_a_project_from_scratch。
Hello World Application 在学习之前，没有接触过物理引擎的可以参考一下这个术语表。 这里有个较为详细的教程。也包含在Bullet本身的一个名叫 AppHelloWorld 的Demo中。（注释也很详细，但是和WIKI上的版本略有不同）可以大概的对Bullet有个感觉。 其实Bullet与Ogre走的一条路线，为了
灵活，增加了很多使用的复杂性。（真怀念Box2D和Irrlicht的简单啊）其实即使希望通过strategy模式来增加灵活度，让用户可以自由的选择各类算法和解决方案，但是我还是感觉首先提供默认解决方案，用户需要不同方案的时候通过Set方式改变(甚至也可以new的时候修改）但是大牛们研究这些东西那么透，总是会觉得这个世界上不存在默认方案。。。。。因为没有方案是最优的，是适合大多数情况的，所以导致Bullet的HelloWorld程序源代码都已经超过100行。。。。。。。。。。-_-!发了点牢骚。。。。。 通过HelloWorld程序，我们大概可以知道一些东西，比如建立一个Bullet物理世界的步骤，比如Bullet的类以bt（变态-_-!)开头，比如Bullet与Box2D这样的2D物理引擎一样，专注于数据的计算，本身没有图形输出，比如创建一个物理实体的时候也有shape的概念，然后通过一个结构作为参数(BodyConstructionInfo）来创建真实的物体，大概的熟悉一下就好，具体的细节还不懂，没有关系，一步一步来。 另外，建议趁这个机会，确定自己机器使用Bullet的环境，特别是Win32下，我的使用方法是，利用BULLET_HOME环境变量指明Bullet安装的位置，BULLTE_LIBS指明最后编译完的静态库的位置，工程中利用这两个环境变量来确定位置。（这种用法很适合屏蔽各机器的环境不同）最后的Hello World工程见https://https://www.wendangku.net/doc/3618845175.html,/hg/中的Bullet-HelloWorld。 请确保该Hello World程序能够运行（无论是你自己的还是用我的）然后才继续下面的内容。
让你坐在司机的位置上 该怎么学习的问题，向来都是各执一词，有人认为该从最基础的学起，就像建房子一样打好地基，有人会更加推崇自上而下的学习(Top-Down Approach），我属于后一派，能先写有用的可以摸到的程序，然后一层一层的向下学习，这样会更加有趣味性，并且学习曲线也会更加平缓，假如你是前一派，那么推荐你先看完Bullet的User Manual，然后是Bullet所有的Tutorial Articles，然后再自己一个一个看Demo。 在Hello World的例子中你已经可以看到文本数据的输出，能够看到球/Box的落下了，但是很明显太不直观了，得益于Bullet良好的debug输出支持，我们要先能直观的通过图形看到球的落下！先坐在司机的位置上才能学会开车^^你也不至于被乏味的汽车/交通理论闷死。 Bullet像Ogre一样，提供了一个DemoApplication类，方便我们学习，我们先看看Bullet的DemoApplication是怎么样的。先看看Bullet自己提供的AppBasicDemo这个Demo。忽略那些作者用#if 0关闭的内容和hashmap的测试内容，看看DemoApplication的用法。首先是BasicDemo类，从class BasicDemo : public PlatformDemoApplication可以看到
，DemoApplication是给你继承使用的，这里的PlatformDemoApplication实际是GlutDemoApplication。（Win32那个作者好像只是预留的）怎么去实现这个类先放一边，看看整个类的使用： GLDebugDrawer gDebugDrawer; BasicDemo ccdDemo; ccdDemo.initPhysics(); ccdDemo.getDynamicsWorld()->setDebugDrawer(&gDebugDrawer); glutmain(argc, argv,640,480,"Bullet Physics Demo. https://www.wendangku.net/doc/3618845175.html,",&ccdDemo);实际就这5句，很简单，构造debug,BasicDemo，调用initPhysics函数，设定debug，调用glutmain这个函数，参数也一目了然。这里就不看了。看实现一个有用的DemoApplication的过程。 大概看看DemoApplication这个基类和GlutDemoApplication知道必须要实现的两个纯虚函数是virtual void initPhysics() = 0;virtual void clientMoveAndDisplay() = 0;看BasicDemo的实现后，知道还需要实现displayCallback这个现实回调，基本上就没有其他东西了，理解起来也还算容易。initPhysics的部分，一看就知道，与HelloWorld中过程几乎一致，也就是实际构建物理世界的过程。只是多了 setTexturing(true);setShadows(true);setCameraDistance(btScalar(SCALING*50.));这三个与显示有关的东西（其实这些代码放到myinit中去也可以，毕竟与物理无关）最后还多了个clientResetScene的调用，我们知道这个过程就好，具体函数的实现先不管。clientMoveAndDisplay和displayCallback部分其实非常简单，几乎可以直接放到glutExampleApplication中去。（事实上不从灵活性考虑，我觉得放到glutExampleApplication中更好）原来的程序有些代码重复，其实只要下列代码就够了：（一般的程序也不需要修改）voidBasicDemo::clientMoveAndDisplay() { //simple dynamics world doesn't handle fixed-time-stepping floatms = getDeltaTimeMicroseconds(); ///step the simulation if(m_dynamicsWorld) { m_dynamicsWorld->stepSimulation(ms / 1000000.f); } displayCallback(); }voidBasicDemo::displayCallback(void) { glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); renderme(); //optional but useful: debug drawing to detect problems if(m_dynamicsWorld) m_dynamicsWorld->debugDrawWorld(); glFlush(); swapBuffers(); }运行该程序能够看到中间一个很多Box堆起来的大方块，点击鼠标右键还能发射一个方块出去。了解这个Demo以后，我们就可以直接来用Bullet构建我们自己的物理世界了，暂时不用考虑图形的问题，甚至不用知道Bullet使用GLUT作为debug图形的输出，GLUI做界面，都不用知道，只需要知道上面demoApplication的使用和在initPhysics函数中完成构建物理世界的代码。另外，你愿意的话，也可以先看看exitPhysics的内容，用于分配资源的释放，作为C++程序，一开始就关注资源的释放问题是个好习惯。虽然对于我们这样简单的demo程序来说是无所谓的。看过上面Demo后，也许你已经有些了解，也许你还是一头
雾水，不管怎么样，Bullet的Demo毕竟还是别人的东西，现在，从零开始，构建一个HelloWorld程序描述的世界。先自己尝试一下！假如你成功了，那么直接跳过一下的内容，失败了，再回头了看看，提醒你步骤：1.继承DemoApplication，拷贝上面clientMoveAndDisplay和displayCallback部分的代码，实现这两个函数。2.在initPhysics函数中完成构建物理世界的代码。（构建过程参考HelloWorld）3.Main中的使用代码： GLDebugDrawer gDebugDrawer; BasicDemo ccdDemo; ccdDemo.initPhysics(); ccdDemo.getDynamicsWorld()->setDebugDrawer(&gDebugDrawer); glutmain(argc, argv,640,480,"Bullet Physics Demo. https://www.wendangku.net/doc/3618845175.html,",&ccdDemo);4.注意工程需要多包含$(BULLET_HOME)/Demos/OpenGL的头文件目录和库：$(BULLET_HOME)/Glut/glut32.libopengl32.libglu32.lib麻烦点的是glut是个动态库，你需要将dll文件拷贝到你工程的运行目录。现在应该成功了吧？我实现的工程见https://https://www.wendangku.net/doc/3618845175.html,/hg/中的Bullet-WithGL。于是乎，现在你已经可以看到Hello World中那个不曾显示的电脑凭空现象的球了。大概是下面这个样子滴：(因为现在Google Docs写完文章后很久就不能够直接post到CSDN的博客中去了，所以每次写完文章后都得到新建文章中去复制粘贴，图片还需要重新上传然后插入，非常麻烦，所以最近的文章都尽量的减少了图片的使用，见谅。其实说来，只有看热闹的人才需要截图，真的看教程的人估计自己的程序都已经运行起来了，也没有必要看我的截图了)
到目前为止，你已经有了可以自己happy一下的程序了，你可以立即深入的学习，去研究ExampleApplication的源代码，去了解Bullet是怎么与图形交互的，但是在这个之前，特别是对于以前没有使用过其他物理引擎的人，先多在这个图形版的HelloWorld的程序的基础上玩玩，比如现在球很明显没有弹性，调整一下反弹的系数看看，比如多生成几个球，比如加上速度，演示两个球的碰撞，比如因为现在没有设置debugmode，所以实际没有debug信息输出，尝试输出aabb等debug信息，有助于进一步学习。有了图形，就有了丰富的世界，先对Bullet的各个概念先熟悉一下（特别是btRigidBodyConstructionInfo中的各个变量，还有各个shape）然后再前进吧。事实上，得益于ExampleApplication，现在甚至可以用鼠标左键拖拽物理，右键发射箱子的功能也还在，还能按左右键调整camera。（其实还有一堆功能，自己尝试一下吧）因为比较简单，在本教程中不会再有关于这些基础信息的内容，只能自己去找资料或者尝试了。其实就我使用物理引擎的经验，学习并使用一款物理引擎并不会太难，最麻烦的地方在于后期游戏中各个参数的调整，尽量使游戏的
效果变得真实，自然，或者达到你想要的效果，这种调整很多时候需要靠你自己的感觉，而这个感觉的建立，那就是多多尝试一个物理引擎中的在各个参数下呈现的不同效果了，这种感觉的建立，经验的获得，不是任何教程，文档或者演示程序能够给你的。比如，下面是Bullet支持的5种基本物体形状：
其实上面的内容是最关键的，此时学开车的你已经在司机的位置了，学游泳的你已经在水里了，剩下的Bullet相关的内容虽然还有很多，但是其实已经完全可以自己独立折腾了，因为每个折腾的成果你都已经能够实时的看到，能够很哈皮的去折腾了。
与显示的整合，MotionState 一个只有数据运算的物理引擎，一般而言只能为显示引擎提供数据，这就牵涉到与图形引擎整合的问题，像Box2D这样的物理引擎就是直接需要直接向各个物理实体去查询位置，然后更新显示，这种方式虽然简单，但是我感觉非常不好，因为难免在update中去更新这种东西，导致游戏逻辑部分需要处理物理引擎+图形引擎两部分的内容。（可以参考Box2D与Cocos2D for iPhone的整合）而且，对于完全没有移动的物体也会进行一次查询和移动操作。（即使优化，对不移动物体也是进行了两次查询） Bullet为了解决此问题，提供了新的解决方案，MotionState。其实就是当活动物体状态改变时提供一种回调，而且就Bullet的文档中说明，此种回调还带有适当的插值以优化显示。通过这种方法，在MotionState部分就已经可以完成显示的更新，不用再需要在update中添加这种更新的代码。而且，注意，仅仅对活动物体状态改变时才会进行回调，这样完全避免了不活动物体的性能损失。 首先看看ExampleApplication中是怎么利用default的MotionState来显示上面的图形的，然后再看看复杂点的例子，与Ogre的整合。先看看回调接口：///The btMotionState interface class allows the dynamics world to synchronize and interpolate the updated world transforms with graphics///For optimizations, potentially only moving objects get synchronized (using setWorldPosition/setWorldOrientation)class btMotionState { public: virtual~btMotionState() { } virtualvoidgetWorldTransform(btTransform& worldTrans ) const=0; //Bullet only calls the update of worldtransform for active objects virtualvoidsetWorldTransform(constbtTransform& worldTrans)=0; };很简单，一个get接口，用于bullet获取物体的初始状态，一个set接口，用于活动物体位置改变时调用以设置新的状态。下面看看btDefaultMotionState这个bullet中带的默认的MotionState类。///The btDefaultMotionState provides a common implementation to synchronize world transforms with offsets.structbtDefaultMotionState : publicbtMotionState { btTransform m_graphicsWorldT
rans; btTransform m_centerOfMassOffset; btTransform m_startWorldTrans; void* m_userPointer; btDefaultMotionState(constbtTransform& startTrans = btTransform::getIdentity(),constbtTransform& centerOfMassOffset = btTransform::getIdentity()) : m_graphicsWorldTrans(startTrans), m_centerOfMassOffset(centerOfMassOffset), m_startWorldTrans(startTrans), m_userPointer(0) { } ///synchronizes world transform from user to physics virtualvoid getWorldTransform(btTransform& centerOfMassWorldTrans ) const { centerOfMassWorldTrans = m_centerOfMassOffset.inverse() * m_graphicsWorldTrans ; } ///synchronizes world transform from physics to user ///Bullet only calls the update of worldtransform for active objects virtualvoid setWorldTransform(constbtTransform& centerOfMassWorldTrans) { m_graphicsWorldTrans = centerOfMassWorldTrans * m_centerOfMassOffset ; } };这个默认的MotionState实现了这两个接口，但是还引入了质心（center Of Mass应该是指质心吧）的概念，与外部交互时，以质心位置表示实际物体所在位置。在一般rigitBody的构造函数中可以看到下列代码： if(m_optionalMotionState) { m_optionalMotionState->getWorldTransform(m_worldTransform); } else { m_worldTransform = constructionInfo.m_startWorldTransform; }这就是get函数的使用，也就是决定物体初始坐标的函数回调。set函数的回调如下：voidbtDiscreteDynamicsWorld::synchronizeSingleMotionState(btRigidBody* body) { btAssert(body); if(body->getMotionState() && !body->isStaticOrKinematicObject()) { //we need to call the update at least once, even for sleeping objects //otherwise the 'graphics' transform never updates properly ///@todo: add 'dirty' flag //if (body->getActivationState() != ISLAND_SLEEPING) { btTransform interpolatedTransform; btTransformUtil::integrateTransform(body->getInterpolationWorldTransform(), body->getInterpolationLinearVelocity(),body->getInterpolationAngularVelocity(),m_localTime*body->getHitFraction(),interpolatedTransform); body->getMotionState()->setWorldTransform(interpolatedTransform); } } }也就是同步状态的时候调用。此过程发生在调用bullet的btDynamicsWorld::stepSimulation函数调用时。然后可以参考DemoApplication的DemoApplication::renderscene(int pass)函数： btScalar m[16]; btMatrix3x3 rot;rot.setIdentity(); constintnumObjects=m_dynamicsWorld->getNumCollisionObjects(); btVector3 wireColor(1,0,0); for(inti=0;i
那么简单的事情，回头来再做一次轮询全部物体的查询，官网的WIKI中为Ogre编写的MotionState就比较合乎推荐的MotionState用法，代码如下： lass MyMotionState : publicbtMotionState {public: MyMotionState(constbtTransform &initialpos, Ogre::SceneNode *node) { mVisibleobj = node; mPos1 = initialpos; } virtual~MyMotionState() { } voidsetNode(Ogre::SceneNode *node) { mVisibleobj = node; } virtualvoidgetWorldTransform(btTransform &worldTrans) const{ worldTrans = mPos1; } virtualvoidsetWorldTransform(constbtTransform &worldTrans) { if(NULL== mVisibleobj) return; // silently return before we set a node btQuaternion rot = worldTrans.getRotation(); mVisibleobj->setOrientation(rot.w(), rot.x(), rot.y(), rot.z()); btVector3 pos = worldTrans.getOrigin(); mVisibleobj->setPosition(pos.x(), pos.y(), pos.z()); }protected: Ogre::SceneNode *mVisibleobj; btTransform mPos1; };注意，这里的使用直接在set回调中直接设置了物体的位置。如此使用MotionState后，update只需要关心逻辑即可，不用再去手动查询物体的位置，然后更新物体的位置并刷新显示。
碰撞检测 物理引擎不仅仅包括模拟真实物理实现的一些运动，碰撞，应该还提供方式供检测碰撞情况，bullet也不例外。 AppCollisionInterfaceDemo展示了怎么直接通过btCollisionWorld来检测碰撞而不模拟物理。而官方的WIKI对于碰撞检测的描述也过于简单，只给下列的示例代码，但是却没有详细的解释。 //Assume world->stepSimulation or world->performDiscreteCollisionDetection has been called intnumManifolds = world->getDispatcher()->getNumManifolds(); for(inti=0;i
我看Bullet有不同的Broadphase,在实际中，也重叠也应该会有不同的情况，因为我没有看源码，所以不能确定，但是，总而言之，可以理解Manifold为接近碰撞的情况。所以无论在Box2D还是Bullet中，都有额外的表示碰撞的概念，那就是contact（接触）。上述示例代码：intnumContacts = contactManifold->getNumContacts();就表示查看接触点的数量，假如接触点为0，那么自然表示两个物体接近于碰撞，而实际没有碰撞。而上述代码中的Distance的判断应该是防止误差，因为我输出了一个盒子和地面发生碰撞的全部过程的distance，发现绝大部分情况，只要有contact，那么距离就小于0，可是在一次盒子离开地面的过程中，distance还真有过一次0.00x的正值。。。。。。。当你开始放心大胆的使用上述代码后，也许你总是用来模拟物体的其他效果，也许都不会有问题，直到某一天你希望在碰撞检测后删除掉发生碰撞的问题，你的程序crash了。。。。你却不知道为什么。用前面的demo来展示碰撞检测的方法，并且删除掉发生碰撞的物体。一般先写出的代码都会类似下面这样： intnumManifolds = m_dynamicsWorld->getDispatcher()->getNumManifolds(); for(inti=0;i
tnumContacts = contactManifold->getNumContacts(); for(intj=0;j
碰撞过滤 Bullet的wiki 提到了3个方法，这里只讲述最简单的mask（掩码）过滤方法。 mask的使用相信大家基本都接触过，无非就是通过一个整数各个2进制位来表示一些bool值。比如Unix/Linux中文件权限的掩码。在bullet中的碰撞mask的使用非常简单，主要在addRigidBody时候指定。（需要注意的是，只有btDiscreteDynamicsWorld类才有这个函数，btDynamicsWorld并没有，所以demoApplication中的成员变量dynamicWorld不能直接使用。）WIKI中的代码已经很能说明问题了：#define BIT(x) (1<<(x))enumcollisiontypes { COL_NOTHING = 0, //
实现碰撞检测的过滤，你可以在碰撞检测中直接进行。比如前面地板的例子，因为地板是静态物体，你可以通过调用rigidBody的isStaticObject来判断是否是地板，然后进行删除，就如下面的代码这样： if(pt.getDistance()<0.f) { if(!obA->isStaticObject()) { m_collisionObjects.push_back(obA); } if(!obB->isStaticObject()) { m_collisionObjects.push_back(obB); } }假如希望与地面碰撞并不删除物体，只有物体与物体的碰撞才删除物体，这也简单： if(!obA->isStaticObject() && !obB->isStaticObject()) { m_collisionObjects.push_back(obA); m_collisionObjects.push_back(obB);至于更加复杂的情况，还可以借助于rigidBody的UserPointer，这在WIKI中没有提及， ///users can point to their objects, userPointer is not used by Bullet void* getUserPointer() const { returnm_userObjectPointer; } ///users can point to their objects, userPointer is not used by Bullet void setUserPointer(void* userPointer) { m_userObjectPointer = userPointer; }但是就我的经验，这两个函数的作用是巨大的，你可以将你需要的一切都设置进去。。。。。。。。然后取出来，就上面的碰撞检测过滤而言，你完全可以实现自己的一套碰撞检测mask，只要你想，一切皆有可能。这些例子的完整源代码见https://https://www.wendangku.net/doc/3618845175.html,/hg/中的Bullet-CollideDetection工程。
约束(Constraints)和连接(Joints) 一个一个单独的物理实体已经可以构建一个有意思的物理世界了，但是显示世界有很多东西（最典型的就是绳子连接的物体）不是单独的物理实体可以模拟的，物理引擎中使用约束来模拟类似的东西/现象。 （待补充）
软体 因为我的使用暂时不需要用到软体，暂时未学习此部分内容，欢迎大家补充。
有用的工具1. MAYA,3D Max的插件2. Blender，开源的3D建模工具，内建的Game Engine有直接的Bullet支持，还有Erwin提供的改版可以直接导出.bullet文件。
使用了Bullet的其他有用工程1. GameKit,Erwin Coumans自己发起的整合Ogre/Irrlicht和Bullet的游戏引擎，与Blender结合的也很好。2. oolongengine,乌龙引擎，wolfgang.engel（他的博客）这个大牛（到底有多牛可以参考这里）发起的iPhone平台引擎项目，使用了Bullet，也为Bullet能够流畅的运行于iPhone平台做出了很大贡献。（优化了浮点运算）为什么写乌龙引擎？wolfgang自己有个解释，见这里。3. Dynamica, Erwin建立的工程，开发bullet的Maya,3D Max插件。4.bullet-physics-editor, Erwin自己发起的一个bullet编辑器工程，目前还处于前期开发阶段。但是项目中同时包含一些能够到处.Bullet文件的Blender改版。
Bullet的实现原理1.Physics Pipeline Implementation,应该是一个在爱尔兰的中国人写的，并发布在WIKI上，这里是他的博客。2.SIGGRAPH 2010 course slides, high-leve
l overview on Bullet collision detection3.GDC 2010 presentation about contact generation4.最大的资料自然就是Bullet的源代码啦。。。。。。慢慢研究吧。
参考资料1.Bullet 2.76 Physics SDK Manual，Bullet的项目发起人，目前的负责人Erwin Coumans所写，（就WIKI资料显示，这哥们现在在SONY)算是官方的Manual了，源码包中就有pdf。2.Bullet WIKI Tutorial Articles，算是第2个能够找到的稍微好点的关于Bullet的东西了，就是有点散乱。
3.Bullet Bullet Documentation，Bullet的文档，自动生成的，也就只能在写代码的时候可能有些用，很难靠这个学习。
我写的关于Bullet的文章1.Ogre与Bullet的整合(on iPhone)2.Ogre的3D Max插件介绍
最后，因为本文较长，为方便查看，提供了pdf版方便大家查看。
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