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从应用层看，PhysX 一步模拟通常只有：

scene->simulate(dt);scene->fetchResults(true);

但内部完成的是一个完整的数据处理过程：

读取当前物理状态和游戏输入，发现物体之间的交互，将接触和关节转化为约束，求解新的运动状态，最后交付模拟结果与事件。

下面以PhysX 4.x/5.x 的 CPU 刚体模拟为主说明。不同版本、PGS/TGS 求解器、CCD 和 GPU 配置会改变执行细节。

以下步骤按照职责和数据依赖划分，不是某个版本严格串行的函数调用顺序。

一、先明确：“物理一步”不等于“渲染一帧”

渲染帧的时间通常不固定，物理模拟一般使用固定时间步：

constexprfloatphysicsDt=1.0f/60.0f;

因此，一个渲染帧中可能执行零次、一次或多次物理模拟。

本文中的“一帧模拟”，指的是：

从时刻 t 的物理状态，推进到时刻 t + dt 的物理状态

其输入和输出可以概括为：

输入： 当前位姿、速度 力、力矩、运动学目标 碰撞形状、材质、过滤规则 关节及驱动参数 时间步 dt 输出： 新的位姿、速度 更新后的接触与交互状态 睡眠、唤醒、碰撞、触发器等事件

二、整体流程图

游戏逻辑提交物理输入 │ ▼ ① 模拟准备与任务调度 │ ├──→ 运动学状态与外力相关准备 │ ▼ ② 更新形状边界 │ ▼ ③ 宽相检测 Broad Phase │ ▼ ④ 碰撞过滤与交互关系维护 │ ▼ ⑤ 窄相检测 Narrow Phase │ ▼ ⑥ 岛屿与活动对象管理 │ ▼ ⑦ 约束准备 │ ▼ ⑧ 约束求解 │ ▼ ⑨ 状态积分与必要的 CCD 处理 │ ▼ ⑩ 睡眠判定与内部结果整理 │ ▼ ⑪ fetchResults：完成结果获取与事件交付 │ ▼ 游戏引擎同步 Transform、消费事件、渲染插值

实际内部存在并行、分阶段执行和任务交织。例如岛屿管理不是只运行一次，TGS 的求解与状态推进也不是完全分离的。

三、逐步解析：每一步做什么、为什么需要它

第 0 步：游戏逻辑提交输入

作用

告诉物理系统：下一步有哪些外部变化需要考虑。

主要职责

• 添加力、力矩或冲量；
• 设置运动学刚体目标；
• 创建、移除物理对象；
• 修改碰撞规则；
• 更新关节驱动目标；
• 必要时唤醒刚体。

box->addForce(PxVec3(10.0f,0.0f,0.0f));platform->setKinematicTarget(PxTransform(PxVec3(0.0f,2.0f,0.0f)));

需要区分

动态刚体： 游戏提交力等输入，物理决定运动。 运动学刚体： 游戏指定运动目标，物理处理它对其他对象的影响。

直接修改动态刚体位姿，更接近重新放置或瞬移，不等同于施力运动。

这一阶段主要由游戏引擎的物理适配层负责，而不是 PhysX 自动生成玩法输入。

第 1 步：模拟准备与任务调度

作用

把外部 API 操作转化为本次模拟可以执行的内部工作。

主要职责

• 检查时间步与场景调用状态；
• 处理需要反映到模拟中的对象变化；
• 准备本步使用的临时数据和内存；
• 建立任务及依赖关系；
• 向 CPU Dispatcher 提交任务。

调用入口：

scene->simulate(dt);

常见源码阅读方向：

NpScene ↓ Sc::Scene ↓ 底层碰撞与动力学任务

输出

可执行的模拟任务图 本步需要更新的对象与内部数据

simulate()返回时，模拟可能还未结束，也可能部分工作已经完成。它不是“返回即获得完整结果”的接口。

第 2 步：运动状态准备

这一职责可能分散在不同任务中，并非必然是一个独立阶段。

作用

计算本步运动所需的基础状态。

主要职责

对于动态刚体：

• 考虑重力；
• 考虑累计的外力和力矩；
• 处理阻尼；
• 应用相应的速度限制。

简化的线速度更新：

[
\mathbf{v}^{*}

\mathbf{v}_{t}
+
\left(\mathbf{g}+\frac{\mathbf{F}}{m}\right)\Delta t
]

这里的 (\mathbf{v}^{*}) 是尚未完成接触和关节约束修正的速度。

对于运动学刚体：

• 根据当前位姿和运动目标准备运动状态；
• 形成接触处理需要的相对运动信息。

输出

供碰撞响应和求解使用的运动数据

外力更新只描述“物体自由运动时会怎样”，不负责阻止穿墙或维持关节。

第 3 步：更新形状边界

作用

用便宜的空间表示包住复杂碰撞形状，为后续筛选提供依据。

主要职责

根据：

Actor 世界位姿 Shape 局部位姿 Geometry 几何描述

更新形状的世界空间边界，通常是 AABB：

Axis-Aligned Bounding Box 轴对齐包围盒

概念上：

旋转后的箱子 ↓ 包住它的世界空间 AABB

边界还可能根据接触裕量或特定运动处理进行扩展。

输出

新增、变化或需要移除的包围盒数据

引擎会利用状态变化信息，避免无差别地重算所有静止对象。

职责边界

这一阶段只回答：

“形状大致占据什么空间？”

不回答是否真正接触。

第 4 步：宽相检测 Broad Phase

作用

从大量形状中，快速筛选出可能发生碰撞的对象对。

如果有 (N) 个形状，直接两两检查需要：

[
\frac{N(N-1)}{2}
]

次配对。宽相检测的目的就是避免这种全量精确检测。

主要职责

• 维护空间结构；
• 处理包围盒变化；
• 找到新增的候选重叠对；
• 找到已经分离的候选对。

例如：

箱子 A 与地面：候选重叠仍然存在 箱子 A 与箱子 B：新增候选重叠 箱子 B 与墙壁：候选重叠消失

输出

可能发生交互的形状对及其变化

职责边界

宽相不计算：

• 精确接触点；
• 接触法线；
• 碰撞冲量。

源码重点：

source/lowlevelaabb/

第 5 步：碰撞过滤与交互关系维护

作用

判断空间上接近的对象，是否应该交互，以及以什么方式交互。

主要职责

结合过滤数据、过滤 Shader/Callback 和对象配置，决定：

• 忽略某对对象；
• 抑制其碰撞处理；
• 建立普通接触交互；
• 建立触发器交互；
• 是否请求接触通知；
• 是否启用某些特殊接触处理。

例如：

子弹与发射者： 忽略。 箱子与地面： 生成接触并求解。 玩家与任务区域： 检测重叠，产生触发事件，不产生阻挡。

持续存在的交互还需要维护缓存和生命周期，而不是每一步全部重建。

输出

有效的接触交互 有效的触发器交互 后续处理所需的配对配置

检测到碰撞、产生物理响应、收到回调，是三个不同维度的行为。

第 6 步：窄相检测 Narrow Phase

作用

对有效候选对执行精确几何计算。

输入

两个形状的几何与位姿 接触生成参数 上一物理步保留的接触缓存

主要职责

根据几何组合选择算法：

球体 vs 球体 胶囊 vs 盒体 凸体 vs 凸体 凸体 vs 三角网格

生成或更新：

• 接触位置；
• 接触法线；
• 分离距离；
• 接触流形；
• 后续材质处理等所需的附加信息。

输出

供约束准备使用的接触数据

两个重要细节

第一，接触不一定意味着已经穿透。

contactOffset、restOffset等参数会影响接触生成与期望间距。

第二，接触数据通常会被复用。

箱子稳定放在桌面时，相邻两步的接触变化很小。持久接触流形利用这种时间相干性，减少计算并改善稳定性。

职责边界

窄相只负责：

“接触发生在哪里、沿哪个方向、距离如何？”

它不负责最终把箱子弹开。

相关源码：

source/geomutils/ source/lowlevel/

第 7 步：岛屿管理与活动对象组织

作用

找出哪些动态对象相互影响，从而组织调度、唤醒与求解。

主要职责

将刚体视为节点，将接触或关节视为连接：

箱子 A —— 箱子 B —— 箱子 C 球体 D —— 球体 E

这两组对象可以形成不同的模拟岛屿。

岛屿管理用于：

• 识别相互耦合的系统；
• 组织独立工作；
• 传播唤醒；
• 协调睡眠；
• 为求解准备活动对象集合。

静态地面不会仅因为同时支撑多堆箱子，就像动态连接那样把所有箱子耦合到一起。

输出

需要处理的活动刚体和约束集合 相关连通关系及睡眠、唤醒状态

注意：

一个岛屿 ≠ 固定占用一个线程

实际任务粒度由批处理与调度策略决定。

第 8 步：约束准备

作用

把几何意义上的接触和关节，转换成求解器能计算的数学约束。

主要职责

结合：

• 质量与逆质量；
• 惯性与逆惯性；
• 接触点相对质心的位置；
• 相对速度；
• 摩擦和恢复参数；
• 误差修正参数；
• 关节限制及驱动配置；

构建约束数据。

接触转化成什么？

例如箱子接触地面：

法向约束： 限制继续向地面内部运动。 摩擦约束： 限制沿地面切向滑动。

关节转化成什么？

例如门轴：

限制不允许的平移和旋转 允许绕指定轴转动 根据配置加入限位和驱动

输出

求解器刚体数据 约束数据 批处理信息 必要的历史冲量信息

接触点是几何事实，约束是对运动的数学限制。两者不能混为一谈。

第 9 步：约束求解

作用

求出接触、摩擦和关节应该施加多大的冲量，使运动尽可能满足约束。

概念上：

[
\Delta \mathbf{v}

M^{-1}JT\lambda
]

其中：

• (M^{-1})：广义逆质量；
• (J)：约束雅可比；
• (\lambda)：约束冲量。

主要职责

• 修正接触法向上的相对运动；
• 计算摩擦响应；
• 在满足条件时处理反弹；
• 维持关节限制；
• 求解驱动与限位；
• 在相互耦合的约束间迭代传播修正。

例如：

修正底层箱子 ↓ 影响中层箱子 ↓ 影响顶层箱子 ↓ 继续迭代调整

PhysX 常见求解器包括 PGS 和 TGS。

输出

满足约束程度更高的速度和相关状态 求得的约束冲量

为什么只能“尽可能满足”？

实时模拟使用有限时间预算和有限迭代次数。因此：

• 穿透误差不一定完全消失；
• 关节可能存在偏差；
• 不合理的质量比可能导致收敛困难。

源码重点：

source/lowleveldynamics/

第 10 步：状态积分与 CCD

作用

根据运动状态推进物体位置和旋转，并处理配置启用的连续碰撞问题。

状态积分

最简单的线性表达：

[
\mathbf{x}_{t+\Delta t}

\mathbf{x}_t+\mathbf{v}\Delta t
]

旋转则根据角速度更新。

实际实现中，求解、误差修正与积分可能交织，尤其不能把 TGS 简化为“求解完后只积分一次”。

CCD 的职责

高速物体可能出现：

本步开始：子弹在墙左侧 本步结束：子弹在墙右侧 两个离散位置都没与墙重叠

CCD 用于降低这种穿透风险。

但要区分：

• Sweep-based CCD：包含沿运动路径的检测及相关响应；
• Speculative CCD：通过预测性接触等方式处理。

CCD 不是所有对象都会执行的统一末尾步骤，也不是所有模式都有相同调用路径。

输出

本步更新后的刚体位姿与运动状态 必要的连续碰撞处理结果

第 11 步：睡眠判定与内部结果整理

作用

减少后续步骤中的无效计算，并整理本步结果。

主要职责

• 更新睡眠相关计数与状态；
• 判断稳定对象是否可休眠；
• 整理刚体状态及约束结果；
• 更新交互生命周期；
• 准备需要交付的事件。

休眠对象通常仍保留在场景里，并不是被删除。它们可以继续被查询，并在满足条件时唤醒。

为什么重要？

一万个正在运动和碰撞的刚体

与：

一万个大部分已休眠的刚体

计算成本可能相差很大。

这也是为什么评估场景性能时，不能只看刚体总数，还要看活动刚体、接触和约束数量。

第 12 步：fetchResults()获取结果与事件

作用

完成模拟结果获取，让应用安全地进入后续处理。

scene->fetchResults(true);

其中true表示必要时等待模拟完成。

主要职责

• 等待相关模拟任务完成；
• 完成结果获取相关内部工作；
• 在相应流程中交付常规模拟事件；
• 完成本步调用周期。

随后应用可以读取：

PxTransform pose=body->getGlobalPose();PxVec3 velocity=body->getLinearVelocity();

常见事件

• 接触开始或结束；
• 配置请求的持续接触通知；
• 触发器进入或离开；
• 睡眠或唤醒；
• 约束断裂。

不是所有回调都在fetchResults()内发生。接触修改等回调可能发生在模拟任务执行过程中，其线程和访问限制应单独遵守。

另外：

fetchResults(true)耗时长，不代表所有计算都在这个函数里发生；它可能主要是在等待未完成的模拟任务。

四、哪些工作不是 PhysX 这一步自动负责的？

模拟完成后，通常还需要游戏引擎执行：

读取物理结果 ↓ 更新 ECS / 游戏对象 Transform ↓ 消费碰撞与触发事件 ↓ 处理动画与物理控制权 ↓ 执行渲染插值

这些不是 PhysX 自动完成的业务工作。

同样：

scene->raycast(...);scene->sweep(...);scene->overlap(...);

是应用发起的场景查询，不是每次模拟必然执行的三个固定步骤。不过，查询加速结构的维护可能与场景更新流程相关。

五、职责速查表

最核心的理解

PhysX 一步模拟不是简单的“碰撞检测后把物体推开”，而是：

先用空间算法找交互，再用几何算法生成接触，然后用约束求解统一处理接触、摩擦和关节，最后推进状态并交付结果。

源码阅读时，最重要的分界线就是：

碰撞检测：发生了什么接触？ 约束准备：这个接触如何限制运动？ 约束求解：需要多大的运动修正？ 状态积分：下一时刻的物体在哪里？