破坏与断裂
在游戏中，没有什么比看到墙壁在爆炸中坍塌、玻璃在撞击下粉碎、桥梁在重压下断裂更能带来满足感和视觉冲击力的了。破坏与断裂 (Destruction & Fracture) 效果是现代游戏中提升沉浸感和交互性的重要手段。实现可信的破坏效果，需要在几何处理（如何破碎物体）、**物理模拟（破碎后如何运动）和性能优化（如何处理大量碎片）**之间进行复杂的权衡。从简单的预破碎（pre-fractured）物体，到复杂的实时动态断裂，这一领域涵盖了广泛的技术。
1. 几何破碎方法 (Geometric Fracturing)
在物理模拟开始之前，我们需要先决定物体将如何破碎。这本质上是一个几何问题。
a. 预破碎 (Pre-fracturing)
这是最简单、最常用、性能最高的方法。
- 流程： 在游戏开发阶段，使用离线工具（如 Houdini 或 Blender 的 Cell Fracture 插件）将一个完整的模型（如一堵墙）切割成一堆碎片。这些碎片被存储起来，但在游戏开始时，它们被“粘合”在一起，表现得像一个单一的物体。
- 触发： 当物体受到超过其强度阈值的冲击时，连接碎片的“胶水”就会失效。引擎会用一堆独立的、预先计算好的刚体碎片来替换原来的完整模型。这些碎片随后由物理引擎接管，产生坍塌或飞散的效果。
- 优点： 性能好，因为破碎的计算是离线的。美术对破碎的效果有完全的控制权。
- 缺点： 缺乏动态性。无论你从哪里、以何种方式击中墙壁，它总是以完全相同的方式破碎。这在某些情况下会显得重复和不真实。
b. 动态断裂 (Dynamic Fracturing)
这是一种更高级、更真实但计算成本也更高的方法。物体在游戏运行时根据碰撞信息实时地进行破碎。
- 核心思想： 当一个碰撞发生时，如果碰撞力足够大，就在碰撞点周围生成一个破碎模式，并用它来切割原始的几何体。
- Voronoi 图 (Voronoi Diagrams): 这是生成看起来自然的、类似玻璃裂纹的破碎模式最流行的方法。算法如下：
- 在碰撞点周围和物体内部随机（或根据应力分布）地散布一些“种子点”。
- 对于空间中的任意一点，它属于离它最近的那个种子点所代表的区域。
- 所有这些区域的边界就构成了一个 Voronoi 图。这些边界就是我们用来切割模型的“裂纹”。
- 优点： 极具动态性和真实感。每次破碎都是独一无二的，并且与碰撞的具体情况相关。
- 缺点： 实时计算 Voronoi 图和用它来切割任意网格（一个布尔运算）是非常复杂和昂贵的。在游戏中直接进行完全实时的动态断裂仍然具有挑战性。
c. 混合方法
一种常见的折中方案是：对物体进行多层次的预破碎。例如，一堵墙首先被预破碎成几个大的部分。当其中一个大块受到冲击时，再用一个更小的、预先计算好的 Voronoi 碎片集来替换这个大块。这在动态性和性能之间取得了很好的平衡。
2. 物理模拟与性能
一旦物体破碎，我们就得到了一大堆新的刚体。这对物理引擎的性能是一个巨大的考验。
a. 刚体模拟
每个碎片都是一个独立的刚体，需要参与完整的物理模拟循环：碰撞检测、约束求解、积分等。一个复杂的破坏场景可能会瞬间产生成百上千个新的刚体，这会给碰撞检测的宽相 (Broad Phase) 和约束求解器的迭代 (Solver Iterations) 带来巨大压力。
b. 性能优化策略
为了不让游戏在破坏发生时帧率暴跌，必须采取积极的优化策略：
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碎片合并 (Debris Merging): 当一堆小碎片稳定下来，彼此之间没有相对运动时，可以将它们合并成一个或几个大的、静态的“复合刚体”。这极大地减少了需要处理的活动刚体数量。
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睡眠 (Sleeping): 这是刚体引擎的标准优化。当碎片的速度和能量低于某个阈值时，它们会进入“睡眠”状态，被暂时移出模拟循环，直到被其他活动物体“唤醒”。对于成堆的碎片，这是至关重要的。
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剔除与删除 (Culling & Deletion):
- 小碎片剔除： 对于非常小的、对视觉效果影响不大的碎片，可以在它们产生时就直接忽略或删除。
- 生命周期： 为碎片设置一个“生命周期”。在产生几秒钟后，无论它们在做什么，都将它们从模拟中移除（可以伴随一个淡出效果）。
- 距离剔除： 当碎片离摄像机足够远时，可以将它们从物理模拟中移除，只保留其静态的几何表示。
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简化碰撞体 (Simplified Collision Shapes): 新产生的碎片通常具有复杂和凹陷的几何形状。为它们生成精确的碰撞体是昂贵的。一种常见的做法是，用一个简化的凸包 (Convex Hull) 来近似每个碎片的碰撞形状。这大大加快了后续的窄相碰撞检测。
总结
破坏效果是现代物理引擎中一个令人兴奋的领域，它完美地体现了在视觉真实感、动态交互性和实时性能之间进行权衡的艺术。预破碎因其可控性和高性能，仍然是目前游戏中最主流的解决方案。动态断裂，特别是基于 Voronoi 图的方法，提供了更高的真实感，但其实时计算的挑战使其应用受限。无论采用何种破碎方法，最终都将产生大量的动态刚体，这对物理引擎是一个严峻的考验。因此，一套行之有效的性能优化策略——包括碎片合并、睡眠、剔除和简化碰撞体——对于实现流畅、壮观且可玩的破坏效果至关重要。