4.3 物理引擎：帧间的积分步骤

4.3 物理引擎：帧间的积分步骤

本节摘要：物理引擎按固定时间片对速度与位置做数值积分，时间片固定是稳定性的前提，渲染帧率波动时引擎用"帧长换步数"的方式消化差值。本节从一次穿模事故切入，讲物理后端接入、刚体三要素、定步长机制与失真排查，并给出动画与物理的分工边界。承接 4.1 的帧时间概念，通向第6章的游戏装配。

学习目标

读完后你应当能够：

1. 复现并解释"帧率一低物体就穿模"的失真现象
2. 为网格配置质量、 restitution、摩擦力三要素并预测行为
3. 说出固定步长与渲染帧率解耦的机制，以及最大步长参数的保险作用
4. 判断一段运动该交给动画系统还是物理引擎

从穿模事故说起

演示日前的彩排，保龄球撞瓶的环节在开发机上一切正常，投到大屏的备用机上球直接穿过了瓶子——什么都没改，只是机器慢了。这不是玄学，是物理引擎的数值积分在作怪：每帧用"当前速度乘帧长"推进位置，帧长越长单步位移越大；帧长超过物体厚度时，一步跨过瓶子，碰撞检测根本没机会发生。帧率越低穿得越欢，是物理失真的第一面孔。

解药说来简单：步长固定。不管渲染一帧花多久，物理永远按小而恒定的时间片前进，帧率只决定"这帧跑几个时间片"。画成时间轴一目了然：

图 4-3 固定步长：帧率波动时物理时间片保持恒定

接入物理后端

引擎本体不带物理，按插件接入。启用插件、创建 impostor（物理代理）两步：

// 第一步：启用物理插件（后端以 Havok 为例，接口随版本演进，接入行以后端文档为准）
const hk = new BABYLON.HavokPlugin();
scene.enablePhysics(new BABYLON.Vector3(0, -9.81, 0), hk); // 重力向量：现实取值

// 第二步：给网格挂物理代理——形状与质量决定行为
const ball = BABYLON.MeshBuilder.CreateSphere("ball", { diameter: 1 }, scene);
ball.physicsBody = new BABYLON.PhysicsBody(ball, BABYLON.PhysicsMotionType.DYNAMIC, false, scene);
const shape = new BABYLON.PhysicsShapeSphere(BABYLON.Vector3.Zero(), 0.5, scene);
ball.physicsBody.shape = shape;
ball.physicsBody.setMass(2);                    // 质量 2 千克：轻球被撞飞，重球推得动
ball.physicsBody.setRestitution(0.6);           // 弹性 0 到 1：0.6 约为篮球手感
ball.physicsBody.setFriction(0.4);              // 摩擦：影响滚动衰减与落地滑行
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三要素的手感可以背下来：质量决定"谁推动谁"，弹性决定"落地弹多高"，摩擦决定"滑多远"。地面是静态代理：质量无穷大、不受力，只负责被撞。

固定步长与保险丝的配置，通常在启用时一次设好：

// 步长与保险：物理按 60 赫兹步进，单帧补步数设上限
hk.setTimeStep(1 / 60);        // 固定步长：稳定性的一半答案
hk.setMaxSteps(3);             // 积压超过 3 步就丢弃，进入慢放而非雪崩
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失真排查与分工边界

物理问题的排查顺序固定：先看穿透（步长或速度超标），再看抖动（接触点重叠求解反复，垫高初始间隙或加休眠），再看漂浮（质量设了零或重力没启用）。其中"休眠"值得展开：静止的刚体持续参与碰撞求解是白花钱，引擎在静止一段时间后让它休眠，被撞再唤醒——大量静态堆积物（货堆、石阵）的帧率救星。

最后是分工边界，一条判断就够：运动有没有"必须精确到帧"的剧本？门开 1.2 秒、角色跳起 0.6 秒，剧本明确，交给 4.1 的动画系统；球撞瓶、塔倒坍，结果不可预知，交给物理。混用的标准姿势是"动画演完交物理"——角色抛球的挥臂是动画，离手的球是刚体。

⚠️ 常见坑：物理代理与网格的变换同步是单向的（物理驱动网格），再往同一网格上叠动画就回到了 4.1 的"属性抢所有权"问题；抛物阶段的球别挂物理代理，离手那一刻再挂。

把彩排事故修好

开头那个穿模事故值得修到底。背景：备用机 22 帧、球速 12 米每秒，帧长 45 毫秒下单步位移超过半米，瓶厚才 4 厘米，一步跨过毫无悬念。操作三步。第一步复现：在开发机上把循环限到 22 帧，穿模稳定出现，证明与环境无关、只与帧长相关。第二步上固定步长：步长 1/60、补步上限 3，穿模消失，但备用机上出现了慢动作——补步上限太低，积压的物理时间被丢弃了。第三步权衡：把补步上限提到 5，同时给球速加保险丝，压到单步位移小于瓶厚。结果：两台机器观感一致，慢动作消失。解读：慢放与跳步是一对不可兼得的保险，取舍的杠杆是"最薄物体厚度除以步长"得到的速度红线，把红线写进代码，两头的风险同时封死。这个保险丝还有个隐藏收益：它同时约束了爆炸、连撞这类瞬间多物体高速的场景，帧率再低也不会把求解器推进不可信的速度区间。变式：雨点、子弹这类天然高速的小物体别硬扛积分精度，用射线扫略（把一步位移当成一段线段查碰撞）绕开厚度限制。

// 速度保险丝：单步位移不得超过场景最薄物体的厚度
const STEP = 1 / 60, THINNEST = 0.04;                 // 步长与最薄物体厚度（米）
scene.onBeforeRenderObservable.add(() => {
  const v = ball.physicsBody.getLinearVelocity();
  const speed = v.length();
  if (speed * STEP > THINNEST) {                      // 单步位移越线
    v.scaleInPlace(THINNEST / (speed * STEP));        // 等比收缩到安全速度
    ball.physicsBody.setLinearVelocity(v);
  }
});
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小结

• 穿模的第一嫌疑是步长：帧长超过物体厚度，一步跨过碰撞
• 固定步长换稳定：帧率波动被换算成步数差，超限宁可慢放也不跳步
• 三要素定性格：质量、弹性、摩擦，手感先背再调
• 休眠救静态堆：静止刚体白烧求解时间，休眠唤醒机制免费救帧率
• 速度红线双保险：最薄厚度除以步长定上限，高速小物体改走射线扫略
• 分工边界：有剧本交动画，不可预知交物理，交接在离手瞬间

世界能动、能点、能撞了。还差两样伴随物——浮在画面上的界面与不占帧预算的声音，下一节一并收进流水线。