Havok 物理引擎教程.docx
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Havok物理引擎教程
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（HavokGameDynamicsSDK），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HavokSDK库、样例、技术文档以及支持Maya、3dsMax和AvidXSI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，
ContentTools是内容工具，包括一些3D建模软件的导出工具。
BehaviorTool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。
HavokSDK使用的是C++语言，开发环境是VisualStudio，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VisualDebugger这个可视化调试器。
2.设置VisualStudio
这里以我使用的VisualStudio2005为例。
头文件包含目录的设置。
打开VisualStudio2005，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HavokSDK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VisualDebugger来观察Havok的具体效果。
首先运行Tools\VisualDebugger目录下的VisualDebugger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@,博客
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！
HavokSDK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HavokSDK的代码习惯，这里要说明一下，HavokSDK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（HavokPhysics），hkaBone,说明它属于动画组件（HavokAnimation），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
1.1Havok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。
statichkResultHK_CALLinit（hkMemory*memoryManager,
hkThreadMemory*threadMemory,
hkErrorReportFunctionerrorReportFunction
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，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//includeforhkBaseSystem
#include//hkPoolMemory
extern"C"intprintf（constchar*fmt,...）;//Forprintf,usedbytheerrorhandler
//Stubfunctiontoprintanyerrorreportfunctionalitytostdout
//std:
:
puts（...）couldbeusedherealternatively
staticvoiderrorReportFunction（constchar*str,void*errorOutputObject）
{
printf（"%s",str）;
}
{
...
hkBaseSystem:
:
init（newhkPoolMemory（）,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。
1.2Havok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=newhkPoolMemory（）;
hkThreadMemorythreadMemory（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（Rigidbodies）、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（CompundTypes）。
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。
hkMatrix3hkReal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3DStudioMax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（）;
//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
hkLoaderloader;
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。
hkOstreamostream（FILENAME）;
kXmlPackfileWriterwriter;
writer.setContents（&simpleobject,SimpleObjectClass）;
kPackfileWriter:
:
Optionsoptions;//usedefaultoptions
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。
hkOstreamostream（FILENAME）;
hkBinaryPackfileWriterwriter;
writer.setContents（&simpleobject,SimpleObjectClass）;
hkPackfileWriter:
:
Optionsoptions;
//将数据导出为PlayStation®2gcc3.2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（snapshotutility），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:
//Savetheworldintothefileat"path"
statichkResultsaveWorld（hkpWorld*world,constchar*path,boolbinary）
{
hkOstreamoutfile（path）;
returnhkpHavokSnapshot:
:
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：
//Loadssnapshotat"path".
statichkpWorld*loadWorld（constchar*path,hkPackfileReader:
:
AllocatedData**allocsOut）
{
hkIstreaminfile（path）;
hkpPhysicsData*physicsData=hkpHavokSnapshot:
:
load（infile.getStreamReader（）,allocsOut）;
returnphysicsData->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
HavokSDK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_
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