物理引擎Havok教程

物理引擎Havok教程(一)
搭建开发环境

      网上关于Havok的教程实在不多，而且Havok学习起来还是有一定难度的，所以这里写了一个系列教程，希望能够帮到读者。这是第一期。

一、Havok物理引擎简介 
      Havok引擎，全称为Havok游戏动力开发工具包（Havok Game Dynamics SDK），一般称为Havok，是一个用于物理系统方面的游戏引擎，为电子游戏所设计，注重在游戏中对于真实世界的模拟。使用碰撞功能的Havok引擎可以让更多真实世界的情况以最大的拟真度反映在游戏中。
 开发商Havok成立于1998年，目前Havok物理引擎被超过200款游戏使用，许多电影也应用了这家公司的软件技术。
      2007年9月Havok被Intel收购，为了和NVIDIA的PhysX竞争，Intel在去年的（08年）免费开放了Havok的Physics和Animation组件，内容包括Havok SDK库、样例、技术文档以及支持Maya、3ds Max和Avid XSI等3D建模软件的格式转换工具。
      按照Havok的授权文档，即使使用它开发商业游戏也是不需要付费的，这对国内的爱好者应该是一个好消息。
     同PhysX相比，个人觉得，Havok无论在稳定性还是功能上，都要略胜一筹。NVIDIA的PhysX在硬件加速上，暂时领先，但随着AMD加入到Havok硬件加速的开发，未来Havok的功能肯定会更加的强大。

二、Havok开发环境的搭建
 1.安装SDK
      首先，到Havok的官网下载SDK，http://software.intel.com/sites/havok/，填写自己的姓名和邮箱，注册后即可下载。
     

      Content Tools是内容工具，包括一些3D建模软件的导出工具。Behavior Tool是给游戏美工或设计师用的角色编辑工具，具有所见即所得的功能。对程序员来讲最重要的就是SDK了，我下载的是6.0.0这个版本。因为Intel只开放了物理和动画两个组件，所以下载的SDK是只包含这两个组件，其他的如布料(Cloth)和破坏(Destruction)还是需要付费才能使用。
 Havok SDK使用的是C++语言，开发环境是Visual Studio，我用的版本是2005。

      Demo目录下面是SDK的样例程序和源代码，Docs是文档，包括chm和pdf两种格式。Lib是链接库，库分为Debug和release及动态链接和静态链接。Source下面是SDK的包含文件。Tools下面是工具，包括了Visual Debugger这个可视化调试器。

 2.设置Visual Studio

      这里以我使用的Visual Studio 2005为例。
      头文件包含目录的设置。打开Visual Studio 2005，依次选择工具-》选项-》项目与解决方案-》VC++目录

       选择包含文件，添加新的一行，路径指向Havok SDK安装目录的Source目录。建议建立一个叫HAVOK_HOME的环境变量，这样可以避免使用绝对路径。
       库目录不能在这里设置，而应该为debug和release版本设置不同的库包含目录。因为不论是debug还是release，它们的库名都是相同的。你可以打开Demo/Demos下面的工程，看看它是如何设置为不同版本设置链接包含目录的。

三、第一个Havok程序

     这里以SDK自带的一个控制台演示程序为例，使用Visual Debugger来观察Havok的具体效果。首先运行Tools/VisualDebugger目录下的Visual Debugger程序，使用它我们可以观察到Havok实际运行的效果，而省去渲染步骤，而且可以把场景记录下来，供以后观看。演示程序在Demo/StandAloneDemos/ConsoleExampleMt目录下，这个程序模拟一个快速运动的刚体，撞击墙壁的效果。运行它，然后就可以在VisualDebugger中看到实际的效果了。

 好了，第一期教程就是这样。下期会接触到具体的编码问题。如果你有任何问题，欢迎和我交流，我的邮箱songnianhu@163.com,博客blog.csdn.net/shangguanwaner,下期再见。

物理引擎Havok教程(二)
Havok基础库简介

      Havok的SDK可以说比较复杂，并不是适合用来学习。拿它用来演示效果的Demo程序的框架来说，它的实现实在是非常的神秘，初学者一开始就接触海量的代码，估计会很大的挫伤积极性。所以为了降低大家学习的难度，我在做教程的时候会主要使用实际的代码来介绍SDK的各种特性，代码编写时我会尽量的简洁和通俗一点。示例代码我会整理好，提供链接，供大家下载。觉得好的话，大家要支持啊！

      Havok SDK可以分为三大部分，Havok基础库、Havok物理组件、Havok动画组件。基础库，为Havok的其他组件提供了通用功能的支持，Havok物理组件负责实时的刚体模拟，Havok动画组件负责处理骨骼和角色动画，与物理组件配合，可以实现强大的角色动画控制功能。
      关于Havok SDK的代码习惯，这里要说明一下，Havok SDK所有的类名基本上都以hk*开头，然后后面跟一个字符表示它所属的组件，例如，hkpWorld，说明它属于物理组件(Havok Physics)，hkaBone,说明它属于动画组件(Havok Animation)，hk后不跟一个表示组件的字符，则表明它是Havok基础库的一部份。

Havok基础库
      Havok基础库定义了一些基本的数据类型和容器类，它还包括与平台无关的接口，用于访问操作系统的资源，比如内存管理、时钟等。基础库中的许多类都可以修改或者替换，这样通过提供的源代码，你可以灵活地扩展基础库的功能。不过有些部分，因为编译进了Havok库，所以不能被替换，包括那些有内联函数的容器类，还有config目录下面的构造配置选项(它保存了在编译Havok库时的配置，对它进行任何更改，都需要重新构建整个Havok库)。
      使用基础库，只需要简单的包含hkBase.h即可。hkBase.h内，还定义了一些最基本的数据类型，比如浮点型(hkReal),有符号和无符号整形等等。

1. Havok基本系统
1.1 Havok的初始化
      hkBaseSystem类负责创建所有Havok子系统。这些子系统中大部分都是单态类(singleton)，各自都有特定的功能，比如内存管理、错误处理、流处理。
 这些类的主要接口是init和quit方法。调用init方法来初始化Havok子系统。

 static hkResult HK_CALL init( hkMemory* memoryManager, 
                              hkThreadMemory* threadMemory,
                              hkErrorReportFunction errorReportFunction
                              void* errorReportObject = HK_NULL );

      参数memoryManager,是一个将被Havok在内部使用的内存管理器的实现。这个参数允许你在初始化的过程中指定内存管理器而不必重新构建hkBase。Havok本身提供了许多默认的内存管理器的实现，如果没有特殊要求的话，就可以使用它们。当然，你也可以实现自己的一个内存管理器，Havok推荐使用hkPoolMemory类。这个内存管理器的实现以及其他的可用的实现可以在<hkbase/memory/impl>目录下面找到。
     参数threadMemory，是当前线程的内存管理器，它可以用于优化内存分配和释放的性能。如果你传入了HK_NULL作为参数，默认的，hkBaseSystem::init()会为你创建一个hkThreadMemory实例。
      errorReportFunction和errorReportObject参数被Havok的错误处理器使用，错误处理器主要负责处理断言、错误、警告，或者在引擎内部报告这些事件的发生。默认的错误处理器是<hkBase/hkerror/hkDefaultError.h>，它只是简单的调用errorReportFunction打印错误消息。

 下面举一个使用hkPoolMemory初始化hkBaseSystem的代码示例：

 #include <Common/Base/System/hkBaseSystem.h> // include for hkBaseSystem
 #include <Common/Base/Memory/Memory/Pool/hkPoolMemory.h> // hkPoolMemory
 extern "C" int printf(const char* fmt, ...); // For printf, used by the error handler

 // Stub function to print any error report functionality to stdout
 // std::puts(...) could be used here alternatively
 static void errorReportFunction(const char* str, void* errorOutputObject)
 {
      printf("%s", str);
 }

 {
  ...
      hkBaseSystem::init( new hkPoolMemory(), HK_NULL, errorReportFunction );
  ...
 }

     hkBaseSystem还有一个quit方法，它退出内存系统并销毁所有的hkSingleton实例。

1.2 Havok多线程模式的初始化
      和PhysX不同，Havok现阶段采用的是CPU计算，所以Havok采用了多线程来提高性能。
      Havok使用的每一个线程，都有它自己的hkThreadMemory内存管理器，必须在线程开始时初始化，线程结束时销毁。hkThreadMemory可以用于在销毁和重分配内存时缓存内存块。

      下面的代码演示在主线程中的初始化。

 hkMemory* memoryManager = new hkPoolMemory();
 hkThreadMemory threadMemory(memoryManager, 16);
 hkBaseSystem::init( memoryManager, &threadMemory, errorReportFunction );
 memoryManager->removeReference();

1.2 管理Havok对象

      Havok使用引用计数来管理对象。
      hkBaseObject是所有Havok类的基类，只有虚函数。hkReferencedObject是hkBaseObject的子类，他是Havok对象管理的最基本单元，刚体(Rigid bodies)、约束(constraints)和动作(actions)都是hkReferencedObject。hkReferencedObject刚创建时，引用计数是1，每当它被引用一次时，引用计数加一，删除引用时，引用计数减一。当不使用hkReferencedObject时，调用removeReference()引用计数减一。

       m_world->addEntity(rigidBody);
       rigidBody->removeReference();

2. Havok容器类
     Havok提供了两种容器类,Arrays和Maps。
     hkArray是Havok默认的数组类。它和STL的数组类非常相似，但有一些关键的不同之处。首先它只支持那些简单的数据类型，如果你要建立一个对象的数组，那么你应该使用hkObjectArray,而不是hkArray。还有就是hkArray的方法的命名和STL也是不同的，例如STL中是push_back()，而在hkArray中就变成了pushBack()。而且，hkArray不保存元素的次序，例如当调用removeAt()删除了一个元素，为了提高性能，会用最后一个元素替换这个被删除的元素，而方法removeAtAndCopy()则可以提供和STL一样的实现，依然保存元素的次序。另外还有hkInplaceArray，它是hkArray的子类，在性能上要优于hkArray。关于数组类的其它方法你可以查看SDK文档，这里就不一一介绍了。

3. Havok数学库
      Havok数学库提供了线性代数的一些相关的数据类型，如向量(vector)、矩阵(matrix)、4元数。hkMath的数据类型在不同的平台上实现是不同的，Havok针对不同的平台作出了相应的优化。
      首先来看hkMath提供的基本数据类型，有
      hkReal  默认的浮点类型，即float
      hkQuadReal 这个类型使用了CPU的SIMD寄存器，占用4个hkReal的空间。
      hkSimdReal 当SIMD启用时，一个单独的hkReal保存在SIMD寄存器内，x部分是一个hkQuadReal。

                         SIMD被禁用时，他就仅仅是个简单的hkReal类型。
      其他的hkMath函数还有hkMath::sqrt(),hkMath::sin()等等，可以查看SDK文档。

      SDK中称与线性代数相关的数据类型为混合类型(Compund Types)。它们有:
       hkVector4  这个Havok内通用的向量类。它针对大多数平台进行了相应的优化，而且其他的数学类多数由它组成。每个hkVector4有四个hkReal元素，为了方便进行运算，一般只使用前三个元素x,y,z，后面的w部分，默认值是零。
       hkQuaternion 四原数类,可以用来表示旋转。多数情况下，认为它是一个单位化的四元数。
       hkMatrix3 hkReal组成的3X3的矩阵。
       hkRotation 这个类保存正交的旋转矩阵。Havok中，有两种方法保存旋转：hkQuaternion和       hkRotation。如果你处理的旋转是hkVector4,旋转hkVector4的操作要比旋转hkQuaternion快。而在需要大量保存旋转的情况下，使用hkQuaternion效率要更高一些。
       hkTransform 这个类表示一个旋转和平移(rotation,translation)。它分别由一个hkRotation和hkVector4组成。
       hkQsTransform 一个分解的Transform(平移向量+四原数+缩放向量)。Havok的动画系统会经常使用它。

       数学库，就简单的介绍到这里，它们的使用以及需要注意的地方，我在讲分析具体代码的时候会说。

4. 串行化(Serialization)
      所谓串行化就是通过一定的处理将数据转换为一种可写的格式。串行化之后，原始数据还应该能够被精确的还原。就是说串行化之后的数据可以安全的保存到磁盘或通过网络传输。在游戏开发领域，串行化通常用于保存和装载资源。

Packfiles（这个不知如何翻译）
      使用Havok的串行化工具，可以串行化任意的数据对象。一个对象被串行化了之后，它的所有信息和状态都会被精确地保存。在需要的时候，这个对象还可以被再次装载。
 串行化后的数据都被保存在一个称作packfiles的结构中。它既可以保存为XML或者二进制的形式。使用Havok的导出插件，可以从Maya和3D Studio Max中将数据保存到packfiles，然后就可以在Havok的 SDK中转载了。
       向游戏装载packfiles使用类hkXmlPackfileReader和hkBinaryPackfileReader。XML形式的packfile与平台无关，可以在任意平台上创建和装载。而二进制形式的packfiles则特定于对应的平台，所以它只能在指定的目标平台上装载。
       Packfiles也可以从一种形式转换成另一种形式。使用hkXmlPackfileReader读取XML，再用hkBinaryPackfileWriter转换成二进制形式。反之，二进制形式的packfile，用hkBinaryPackfileReader读取数据，hkXmlPackfileWriter转换数据成XML形式。

4.1 装载游戏数据
      装载游戏数据的功能，由命名空间hkSerializeUtil和hkLoader工具类提供。它们检测数据的格式是XML还是二进制形式。并且如果提供的数据是是另一个版本的SDK中建立的，它们还会在装载的时候将内容更新为最新的版本。
      下面的代码演示了hkLoader工具类的用法:
 
       hkResource* loadedData = hkSerializeUtil::load("filename.hkx");
       hkRootLevelContainer* container = loadedData->getContent<hkRootLevelContainer>();
      // 装载后的数据属于hkResource。必须确保在访问container的时候，hkResource没有被销毁

      hkLoader loader;
      hkRootLevelContainer* container = loader.load("filename.hkx");
      // 装载后的数据属于hkLoader，同上，也必须确保在访问container的时候，hkLoader没有被销毁

      packfile被装载之后，还需要做一些附加的处理。例如，需要设置多态对象的虚函数表，未串行化数据的缓存数据或指针也要被初始化。任何需要做最后处理的类都通过被hkTypeInfoRegistry注册，来完成最后处理。一旦数据装载完成，packfile读取器为每个需要做最后处理的的对象调用注册函数。

4.2 保存游戏数据
       游戏中的含有元数据的对象，也可以被串行化并保存为packfile，使用的类是hkXmlPackfileWriter和hkBinaryPackfileWriter。如果碰到指针指向的对象不包含任何元数据这样的情况，操作会被跳过，并写入一个空指针。
 
       hkOstream ostream(FILENAME);
       kXmlPackfileWriter writer;
       writer.setContents(&simpleobject, SimpleObjectClass);
       kPackfileWriter::Options options; // use default options
       writer.save(ostream.getStreamWriter(), options);

      使用hkBinaryPackfileWriter可以为不同的平台导出不同二进制形式的packfile。要实现这样的操作，设置hkPackfileWriter::Options::m_layout为想要的平台即可。hkStructureLayout包含了若干支持的平台/编译环境。要读取的导出的数据，在目标平台上使用hkBinaryPackfileReader,用和上面一样的方法来读取数据。

       hkOstream ostream(FILENAME);
       hkBinaryPackfileWriter writer;
       writer.setContents(&simpleobject, SimpleObjectClass);
       hkPackfileWriter::Options options;

       // 将数据导出为PlayStation?2 gcc3.2 格式
       options.m_layout = hkStructureLayout::Gcc32Ps2LayoutRules;
       writer.save(ostream.getStreamWriter(), options);

5. 快照工具集
       Havok还提供了快照工具集(snapshot utility)，它可以方便的保存world,很好地隐藏了底层的细节。
 下面的代码演示如何保存world:

       // Save the world into the file at "path"
       static hkResult saveWorld( hkpWorld* world, const char* path, bool binary )
       {
              hkOstream outfile( path );
              return hkpHavokSnapshot::save(world, outfile.getStreamWriter(), binary);
       }

       注意，在保存文件的过程中，如果碰到不明白的对象，会在控制台上打印警告消息。
       装载快照，和保存差不多，代码如下：

       // Loads snapshot at "path".
       static hkpWorld* loadWorld( const char* path, hkPackfileReader::AllocatedData** allocsOut )
       {
               hkIstream infile( path );
               hkpPhysicsData* physicsData = hkpHavokSnapshot::load(infile.getStreamReader(), allocsOut);
               return physicsData->createWorld();
        }

6. 多线程
      Havok被专门设计成运行于多线程环境。这一小节将简单的介绍Havok的多线程的工作原理，以及如何在物理模拟时使用多线程。要实现Havok的多线程运行，需要两个类，hkJobQueue和hkJobThreadPool类。

      hkJobQueue类。工作队列是所需完成job的核心容器。job是一项可以被任意线程处理的工作的单元。一个线程可以向队列添加job，也可以向队列请求job。
      hkJobQueue::processAllJobs()可以被多个线程同时调用，然后每个线程都会开始处理job知道队列中没有任何job为止。hkJobThreadPool是一个抽象类，它允许多线程从工作队列处理job。典型的，在整个应用程序的生命周期内，只创建一个hkJobThreadPool的实例。这样就保证了始终有一组线程在运行。调用hkJobThreadPool::processAllJobs()方法，会导致它简单的在所有的工作线程上调用hkJobQueue::processAllJobs()方法。这个函数直到所有工作都完成之后才会返回。
      Havok的物理、动画、碰撞查询、布料、Bihavior都支持在多线程环境下执行。理论上，向hkJobQueue添加job，调用processAllJobs()，可以并行的进行以上所有的计算。但仅仅是理论上而，其中还有许多同步的问题，导致完全并行是不可能的。
      我们这里只介绍如何在多线程环境下运行Havok的物理模拟。其他组件与之类似。

6.1 物理模拟的多线程
      Havok SDK随带了一个单独的示例，演示了如何进行物理模拟的多线程计算。代码在Demo/StandAloneDemos/ConsoleExampleMt目录下。
      要启用多线程物理模拟，你在创建world的时候需要将hkpWorldCinfo::m_simulationType设置成hkpWorldCinfo::SIMULATION_TYPE_MULTITHREAD。代码演示如下：
 
       ...

       // Create thread pool and job queue
       hkJobThreadPool* threadPool = new hkCpuJobThreadPool( threadPoolCinfo );
       hkJobQueue* jobQueue = new hkJobQueue();

       // Create a physics world as usual. 
  //Make sure the simulation type in worldCinfo is SIMULATION_TYPE_MULTITHREADED
       hkpWorld* physicsWorld = new hkpWorld(worldCinfo);

       // Register physics job handling functions with job queue
       physicsWorld->registerWithJobQueue( &jobQueue );

       while( simulating )
       {
            // Step the world using this thread, and all the threads or SPUs in the thread pool
            physicsWorld->stepMultiThreaded( &jobQueue, threadPool, timestep );
       }

 stepMultiThreaded()内部调用hkJobQueue::processAllJobs()和hkJobThreadPool::processAllJobs()完成实际的多线程运算。

      好了，第二期教程到此结束，因为Havok SDK的基础库，比较大，所以我只是取了其中比较重要，经常用到的内容，拿出来讲。具体的可以查看SDK的文档。

 物理引擎Havok教程(三)
物理组件初探

作者：上官婉儿

      这一期将初步介绍Havok最重要的一个组件Physics组件。这个组件主要做刚体物理学的模拟。这一期讲一下它的工作原理和流程。

1.它是如何工作的？
      在游戏中使用Havok，一般遵循这样的步骤，先创建好一个连续的模拟并准备好渲染系统，然后进行一次模拟，渲染器取得模拟的结果，在一秒内进行若干次的渲染。在Havok的SDK中，就称这样的一个时间片叫一帧。我们来看一下，Havok的工作流程。假设所有工作都已经初始化好了，Havok在每一帧的工作流程如下所示：

图片取自Havok的SDK文档。
下面分别介绍各个步骤。

1.1 建立模拟区域(Set up simulation islands)
 Havok使用模拟区域来划分一组一组的物理对象。通过将所有整个物理世界的对象划分为各个小的区域来进行模拟，可以更好的利用系统的CPU和内存资源。而且，如果某个区域内的所有对象都已失效(deactivated)，那么简单的失效整个区域即可，以后就不必再参与模拟。模拟区域是由系统自动设置的，用户不必自己建立。
 模拟区域还管理Havok的失效系统(deactivation system)，任何停止移动的对象，都符合失效的条件，一个失效的对象就不必再模拟了，这样可以节约CPU资源。每一个对象都有一个失效器(deactivator)，通过查询自己的状态，它可以告诉系统，是否可以安全的使自己失效。
 如果使用默认的失效类型，如果一个模拟区域内的所有对象都符合失效的条件，整个区域就会被失效。而一旦区域内的某个刚体重新有效，这个区域内的所有其他刚体也会被重新有效。
 下面的步骤都是基于每一个模拟区域来说的。

1.2 施加作用(Applying actions)
 通过施加作用，你可以在模拟的过程中控制物体的状态。每一个模拟步骤，系统都会调用你向物理世界中添加的每一个作用的applyAction()方法。使用Havok提供的接口，可以实现自定义的作用(actions)。

1.3 建立约束(Setup Constraints)
 场景中的约束都是经过处理的。包括接触约束，它可以防止两个物体相互穿插。你也可以在物体之间指定特定的约束类型，比如，铰链或者球状关节(hinges,ball-and-socket joints)。当然你也可以创建自定义的约束。

1.4 Solve
 在刚体世界里，物体是不应该相互穿插的，如果出现，就是一个错误。为了避免这样的错误，我们需要移动一下物体。而解决器(Solver)的职责就是计算避免这个错误所需要的移动量，并把这个信息传递给下一个步骤，整合。

1.5 整合(Integration)
 整合器(integrator)计算新的运动状态(初始和终了的位置的旋转，速度，加速度等等)，对每个模拟的对象，会考虑解决器提供的信息。然后对象新的位置和旋转就可以传递给游戏，更新游戏对象。

1.6 碰撞检测(Collision detection)
 在Havok中，碰撞检测被分成了三个阶段。broadphase碰撞检测,它可以快速地得到一个近似的结果，它查找所以潜在的可能碰撞的一对对的物体。midphase碰撞检测,它从潜在的碰撞中提取更多的细节信息。最后是narrowphase碰撞检测，它确认这些成对的物体中到底哪些实际碰撞了。如果发现了碰撞，narrowphase就用这些信息，创建碰撞代理(collision agents)和碰撞接触点。这些碰撞代理和接触点，会提供给接下来的一个模拟帧使用。
 每个物理对象都有hkpCollidable成员，它有一个hkpShape成员，定义用于碰撞检测的对象的形状。物体可以有各种形状，从简单的方体、球体到更复杂的混合形状以及网格。

 
 说明，这里我讲SDK中的专用术语都翻译成了中文，翻译得不一定准确，所以每一个术语后面都有它的英文原词，方便你查看SDK文档。

有任何意见和建议，欢迎联系，我的邮箱songnianhu@163.com