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)
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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
- 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
- 动手实践:完成每章的练习题,特别是编程实现题
- 深入理解:重点关注数学推导,理解算法的本质
- 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!