【Unity】Obi插件系列—— 总览、Actors与Solvers

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Obi框架

• Obi是一个基于粒子的Unity物理学插件的集合。Obi的内容一切都是被称为粒子的小球体组成。
• 粒子之间可以相互影响，通过使用约束来影响其他物体。

ObiSolver

• ObiSolver是一个执行物理模拟的组件。ObiSolver暴露了一些全局模拟参数，如重力、惯性尺度或速度阻尼。
  

ObiUpdater

• ObiUpdater是一个组件，可以推进一个或多个ObiSolver的模拟，使它们与Unity自己的物理引擎保持同步。Obi中包含了几种类型的ObiUpdater，以覆盖常见的用例，但如果你需要精确控制模拟更新周期，可以自行编写ObiUpdater。
  

ObiActorBlueprint

• ObiActorBlueprint是一种asset，它存储了一堆粒子和约束。它本身并不执行任何模拟或渲染。只是一个数据容器，与纹理或音频文件不一样。ObiActorBlueprint是由网格（ObiCloth和ObiSoftbody）、曲线（ObiRope）或材质定义（ObiFluid）生成的。
  

ObiActor

• ObiActor是在ObiSolver中实例化一个ObiActorBlueprint的组件。所有的ObiActor必须是ObiSolver的孩子。多个ObiActor可以共享同一个ObiActorBlueprint。并且可以重复使用同一个ObiActorBlueprint。ObiActor的例子有一根绳子、一面旗子、一个弹力果冻或一个喷水器。

• 下面是一张图，显示了一个有两个ObiSolver的场景：一个模拟3个相同的布片，另一个模拟2个相同的绳子。
  
• 每个ObiSolver都会维护几个列表或每个粒子的属性：位置、速度、半径等。最初，这些列表没有元素。每当一个新的ObiActor被添加到ObiSolver中，就会发生这些步骤。

1. ObiActor要求ObiSolver根据ObiActorBlueprint的需要分配尽可能多的粒子。ObiSolver将每个粒子分配到它在其内部数组中找到的第一个空闲槽中。当从ObiSolver中移除ObiActor时，分配的粒子之间会出现空隙。正因为如此，在ObiSolver数组中，属于同一角色的粒子可能不会相邻。
2. ObiActor会复制ObiActorBlueprint中发现的所有约束，并更新它们的粒子引用，使它们指向正确的ObiSolver阵列位置。
3. 更新ObiSolver中的活性粒子数量。

Obi具体成员

Actors

• 一块布、一根绳子、一个流体发射器或一个软体，它们都是Actor。所有的Actor都以一个Blueprint作为输入。Actor将实例化Blueprint中包含的信息（粒子和约束），这样Solver就可以对其进行模拟。可以在多个Actor之间重复使用同一个Blueprint。
• 如果想对一个Actor进行模拟，它必须是Solver的子角色。在运行时，可以修改一个Actor的父亲为某一个Solver，也可以将它从当前Solver的层次结构中移除。
  
• 无论你要创建什么类型的Actors，进行模拟所需的步骤都非常相似：

1. 生成一个适当类型的Blueprint资源，然后根据需要进行编辑。
2. 创建Actor，并为其提供Blueprint。

• 可以通过进入GameObject->3DObject->Obi来创建任何Actor。
• 例如，要创建一个布的Actor，GameObject->3DObject->Obi->Obi Cloth，要创建一个绳索GameObject->3DObject->Obi->Obi Rope等等。
• 当第一次在场景中创建一个actor时，Obi会寻找一个ObiSolver组件来添加这个actor。如果它找不到合适的Solver，将自动创建一个。当创建一个Solver时，它也会自动将其添加到场景中找到的第一个ObiFixedUpdater中。
• Actors暴露了一些参数，让你可以修改它的行为（例如，可以改变撕布所需的力，或软体的可塑性）。改变这些参数不会以任何方式影响原始Blueprint，只会影响由actor生成的实例。
• 对于每个Actor的Bluprint，将在后续的文章中更新。
• 绳索：模拟为一条粒子链，通过约束条件将它们连接在一起，迫使它们彼此保持一定的距离（距离约束）
  
• 布：一块正方形的布被表示为一个二维的粒子网格，通过距离和弯曲约束连接在一起
• 流体发射器：生成新的粒子，排斥或吸引周围的其他粒子，试图保持一个恒定的密度（单位体积的质量）

ObiSolver

• ObiSolver组件是Obi中最重要的组件。它负责模拟粒子物理和强制约束。关于ObiSolver，要记住三个重要的事情

1. ObiSolver可以被添加到场景中的任何GameObject中，并且在同一场景中可以有多个ObiSolver同时工作。
2. 每个Actor都需要成为Solver的孩子，才能获得其模拟的更新。
3. 每个Solver都是完全独立于其他Solver的。因此，被不同Solver更新的Actor不会相互影响/碰撞。只有同一Solver中的Actor才会相互影响。

• Solver总是在局部空间进行模拟。这意味着，平移、旋转或缩放Solver将僵化地改变整个模拟。

• 但是，可以将Solver线性/旋转运动的一定比例以惯性力的形式注入到模拟中。例如，若想控制整体角色运动对服装模拟的影响程度。为此，Solver暴露了两个参数来独立控制线性和旋转惯性力。

• 求解器参数

• Simulate when invisible //不可见时仍保持模拟
  当所有摄像机都不可见时，这个Sovler是否还保持模拟？如果模拟要求需要随时更新，则需要开启此功能。当场景中存在多个Sovler，但这些Sovler在任何时候都不可见时，需要禁用它以提高性能。

• Mode //模式
  Sovler可以在2D或3D模式下进行仿真。在二维模式下，模拟只发生在XY平面上。
  2D模式通常与2D碰撞器的使用结合在一起。但是，为了方便起见，你也可以将3D碰撞器与2D模式一起使用。

• Interpolation //插值
  用于渲染粒子的插值模式。None拥有最快的速度，但Interpolate会产生更多的视觉效果。
  Interpolate 最适合慢镜头效果，它可以避免Unity的timescale<1时产生的停顿。

• Gravity //重力
  在这个Sovler中施加于粒子的重力方向和大小，用Sovler的局部空间表示

• Damping //阻尼
  速度阻尼应用于粒子速度。增加阻尼以减少粒子的动能。
  高阻尼值对模拟水下效应很有用。低的非零值(例如0.15)可以在大多数情况下提高模拟的真实性，代替空气的动力阻力。

• Shock propagation //冲击传播
  值变高会人为增加支撑其他粒子的质量。可以实现更好的堆积稳定性。

• Max Anisotropy //最大各向异性
  Obi中的流体粒子的形状可以是椭圆形的，而不是完美的球形。这是为了让它们的形状更好地适应它们所代表的物体表面，实现更精确的碰撞检测和更平滑的渲染。
  最大各向异性可以让你确定椭球体半径之间的最大比例：数值为1将迫使所有粒子都是球形的（停用各向异性），数值大于1将允许粒子变得更加椭球化。
  
  

• 启用各向异性(最大各向异性>1)可以极大影响流体渲染。可以在使用较低的流体分辨率时获得更平滑的流体表面。

• Sleep threshold //睡眠阈值
  任何动能低于这个值的粒子都会被冻结在原地。当你不想让速度或力的微小变化扰乱一个粒子，使它看起来像在抖动或缓慢移动时，可以开启这个功能。如果你想让粒子的位置受到任何作用在它们身上的力的影响，需要把它设置为零。

• World linear inertia scale //世界线性惯性标尺
  控制Sovler变换的世界空间线性惯性有多少被应用到粒子上。值范围从0（无）到1（100%）。
  
  移动中的Sovler包含一块布，线性惯性标度设置为1。当解算器突然停止时，布根据惯性继续向前移动。当解算器恢复运动时，布收到惯性向后。

• World angular inertia scale //世界角惯量表
  类似于前一个属性，但控制的是角惯性（旋转）而不是线性惯性（平移）。注意，离心力和科里奥利力都被计算在内。
  
  旋转求解器中包含一块布，角惯性刻度设为1。注意离心力如何在旋转时将布抬起。

• Constraints //约束
  

• 可以为Solver管理的所有Actor全局启用/禁用每种约束类型。以这种方式禁用约束将允许Solver完全跳过有关的计算。这可以摆脱不必要的开销。

• Constraint parameters //限制参数
  
  ObiSolver为每个约束类型提供4个参数：
  1. Enabled
  2. Iterations
  3. Evaluation order
  4. SOR Factor

  • Enabled：
    • 这些约束条件是否会更新？默认情况下，所有的约束类型都是启用的。你应该禁用任何对模拟的最终外观不重要的约束条件。
    • 有些约束在启用后，如果没有Actor使用，则不会降低性能。例如，密度约束只被流体使用。因此，如果你的场景中没有流体发射器，启用密度约束完全不会影响你的性能。
  • Iterations
    • 每个子步骤应该评估这些约束条件多少次？高迭代次数可以使仿真更接近于真实的情况。如果这些约束条件对你的特定目的不是很重要，而又想获得更好的性能，则设置较低的迭代次数。默认值是3。
    • 在某些情况下，将给定约束组的迭代量调高到3以上是有意义的。例如，使用距离约束迭代次数大于15的绳索。
  • Evaluation order
    • 告诉Solver以何种顺序来评估这种约束条件。有两种模式。
    • 在Sequential模式下，所有的约束都是按照创建的顺序进行评估的（这是由每个特定的ObiActor决定的），每个约束都会 "看到 "之前所有约束的调整。这确保了快速收敛，所以设置好的约束需要很少的迭代就能有不错的效果。然而，当几个约束争夺控制权时，就不是很稳定–有时会变得抖动–所以在一些使用情况下，这种模式不是一个好的选择。它是依赖于顺序的，所以在低预算的情况下（很少的迭代和/或大的时间步长），这可能会导致粒子排列的可见模式。
    • 在Parallel模式下，所有约束都会被评估，但它们的调整不会立即应用到粒子上。相反，它们被存储，平均，然后最终结果被用于调整粒子位置。这产生了一个非常稳定的模拟，即使一次应用了很多约束，但是对于 "硬 "约束需要更多的迭代。它也是与顺序无关的，所以它能保证粒子的平稳排列。如果你想用高迭代次数的性能或低迭代次数的质量来换取稳定性，请使用这种模式。
    • 并行模式收敛缓慢。所以，能用顺序模式的时候就用顺序模式，必须用的时候就用并行模式。
  • SOR Factor
    • SOR是Successive Over-Relaxation的缩写。当试图满足约束条件时，提高收敛性的一种方法是 "过度放松 "约束条件。也就是说，如果把一个粒子向左移动2个单位就能暂时满足约束条件，把它移动3个单位也并非不可？这正是这个因子的作用。1是默认值，完全不进行过度放松。2是最大值，可以对约束进行两倍的放松。高值可以用来帮助加快两种模式（顺序或并行）中任何一种模式的收敛速度，但请记住，仿真稳定性可能会降低。

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