高级物理引擎编程教程

课程简介

欢迎来到高级物理引擎编程教程!本教程面向资深程序员和AI科学家,深入探讨现代物理引擎的核心算法与实现技术。我们将从基础的质点系统开始,逐步深入到前沿的混合方法和可微编程技术。

本教程不仅涵盖理论知识,更注重数学推导和实际应用。通过大量习题和实际案例,你将掌握构建高性能物理引擎所需的全部核心技术。

课程特色

  • 数学优先:深入的数学推导,帮助理解算法本质
  • 工业应用:涵盖游戏引擎、视觉特效、机器人等领域的实际应用
  • 性能导向:详细讨论并行化、优化技巧和现代硬件架构
  • 前沿技术:包含可微物理引擎、机器学习集成等最新研究方向

预备知识

本教程假设读者已具备以下基础:

  • 数学基础
  • 线性代数(矩阵运算、特征值分解、SVD)
  • 微积分(偏微分方程、变分法)
  • 数值分析(数值积分、线性系统求解)

  • 物理基础

  • 经典力学(牛顿定律、拉格朗日力学)
  • 连续介质力学基础
  • 基本的流体力学概念

  • 编程基础

  • C++/Python编程经验
  • 并行编程基础(多线程、GPU编程)
  • 数据结构与算法

学习路径图

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│  第1章:导论与基础   │ ← 入门必读
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│ 第2-3章 │   │ 第4-5章 │
│拉格朗日 │   │  欧拉   │
│  视角   │   │  视角   │
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    │   第6-7章     │
    │ 混合欧拉-拉格 │
    │   朗日视角    │
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│  第8章  │    │  第9章   │
│高性能计算│    │稀疏结构与│
│         │    │ 可微编程 │
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      │    第10章     │
      │  总结与展望   │
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章节目录

第1章:导论与Taichi编程基础

  • 基于物理的动画简介
  • Taichi编程语言与自动并行化
  • 面向数据的编程(DOP)与面向对象编程(OOP)
  • 元编程技巧与调试方法

第2章:拉格朗日视角(上)

  • 弹簧质点系统:第一个物理模拟器
  • 布料模拟的数学模型
  • 显式与隐式时间积分器
  • SPH与基于位置的流体
  • 快速邻居搜索算法

第3章:拉格朗日视角(下)

  • 有限元方法的弱形式推导
  • 六面体与四面体网格的FEM实现
  • 边界条件处理技巧
  • 可逆有限元与隐式求解器
  • 拓扑优化应用

第4章:欧拉视角(上)

  • 稳定流体与半拉格朗日输送
  • Chorin式压力投影方法
  • Staggered网格与零空间分析
  • Krylov子空间求解器
  • 多重网格方法

第5章:欧拉视角(下)与大规模渲染

  • 高级输送格式(WENO、BFECC)
  • 等势面方法与自由表面追踪
  • 路径追踪与球面追踪
  • 体素渲染与体积渲染
  • DDA算法与光线-粒子求交

第6章:混合欧拉-拉格朗日视角(上)

  • 粒子-网格传输理论
  • PIC、FLIP与APIC方法对比
  • 流体模拟中的混合方法应用
  • 数值耗散与动量守恒

第7章:混合欧拉-拉格朗日视角(下)

  • 物质点法(MPM)理论基础
  • 本构模型与材料行为
  • MLS-MPM算法详解
  • 数值断裂与连续介质伤害力学

第8章:高性能物理引擎

  • 现代处理器微结构分析
  • 内存层级与缓存优化
  • SIMD与向量化技术
  • GPU并行编程模式
  • MPM性能优化案例

第9章:稀疏数据结构与可微编程

  • 稀疏数据结构设计原理
  • OpenVDB架构分析
  • 稀疏MPM实现
  • 可微物理引擎原理
  • 自动微分与Checkpointing

第10章:总结与未来方向

  • 课程知识体系回顾
  • 物理引擎发展趋势
  • 机器学习与物理模拟的结合
  • 开放研究问题

如何使用本教程

学习建议

  1. 循序渐进:建议按章节顺序学习,每章都建立在前面的基础之上
  2. 动手实践:完成每章的练习题,特别是编程实现题
  3. 深入理解:重点关注数学推导,理解算法的本质
  4. 性能思维:时刻考虑算法的计算复杂度和并行化潜力

练习题说明

每章包含6-8道练习题:

  • 基础题(50%):巩固核心概念,验证理解
  • 挑战题(50%):深入探索,开放性思考

所有题目都提供提示(Hint),答案使用折叠格式,便于自主学习。

代码示例说明

本教程重点在于算法原理和数学推导,代码示例主要以伪代码形式呈现。涉及具体实现时,会同时提及:

  • 主流物理引擎API(Bullet、PhysX、Havok)
  • 开源实现参考(如OpenVDB、FLIP Fluids)
  • 性能优化技巧

拓展资源

推荐阅读

  • Bridson, "Fluid Simulation for Computer Graphics"
  • Müller et al., "Position Based Dynamics"
  • Jiang et al., "The Material Point Method for Simulation"

开源项目

  • Taichi: https://github.com/taichi-dev/taichi
  • OpenVDB: https://www.openvdb.org/
  • Bullet Physics: https://pybullet.org/

在线课程

  • GAMES201: 高级物理引擎
  • SIGGRAPH课程资料

准备好开始这段激动人心的物理引擎之旅了吗?让我们从第1章开始!