1. 什么是物理引擎
物理引擎和3D图形引擎是两个截然不同的引擎，但是它们两者又有着密不可分的联系，一起创造了虚拟现实的世界。在虚拟现实世界中，人们的需求已经从观看离线渲染的3D动画片的方式过渡到了使用实时渲染技术的VR交互浏览方式，这一步的迈进主要归功于3D图形引擎的发展。然而，只有图形引擎的VR模拟只是一些三角形面片的涂色显示而已，虚拟世界中的物体只具有一个外表，没有内在的实体，就像一堆幽灵彼此之间无法相互作用，用户更不能和他们产生具有逼真的动作交互。物理引擎，简单的说就是计算3D场景中，物体与场景之间，物体与角色之间、物体与物体之间的运动交互和动力学特性。在物理引擎的支持下，VR场景中的模型有了实体，一个物体可以具有质量、可以受到重力、可以落在地面上、可以和别的物体发生碰撞、可以反应用户施加的推力、可以因为压力而变形、可以有液体在表面上流动……。
2. 物理引擎的应用领域
1) 游戏领域
近年来，物理元素越来越多的融入到游戏中，《半条命2》、《虚幻竞技场3》等物理大作的出现已带给玩家巨大的感官冲击，物理引擎也被植入PS2、XBOX等电视游戏机中用来增加游戏的真实感。物理引擎在游戏中起到的作用是不能忽视的：角色是否能穿越墙面，子弹是否击中目标、风吹动草丛等画面都是需要进行大量物理计算。在游戏世界中，电脑要即时的演算物体碰撞、下落、反转等物理逻辑的画面，这些功能都是物理引擎来完成。在没有物理引擎的时候，无论楼房受到怎样的攻击都只会按照设计好的动画方案崩溃，画面也比较简陋；现在，大楼会根据攻击的方向、力度，倒向不同方向，同时落下数以千记的尘埃和碎片，产生更为真实和震撼的画面。游戏所有对象都是“可破坏的”，对象的毁坏都真实地依据“弹体”、“材料”和“物理”三方面来考量。每个作战单位不但有更逼真的动作交互，甚至连游戏中的所有建筑物场景也是可以破坏的，所以玩家别以为只是把作战单位躲避到建筑物后方就不会受到伤害，因为建筑物一直受到攻击也是会损坏的。士兵和载具因不同部位受创引起损伤而影响相关的行动、建筑因爆炸而出现部件结构式的连环塌陷、地面和墙体因枪林弹雨和轰炸形成的弹道坑洼等物理效果都表现地淋漓尽致。至今已有300多款游戏引用了专业的物理引擎。
2) 虚拟教学
物理引擎可以让虚拟现实在教学方面的应用得到更深入的发展。在没有物理引擎的虚拟教学环境中，虚拟实验环境只能起到认识学习的目的，也就是说用户可以从各个角度观察实验，按照预定的动画播放试验得到结果，而不能更加真实的交互参与实验。在具有物理引擎的虚拟实验环境中，用户可以直接置身于实验环境中，通过现场实时交互得到试验成果，不仅能达到认识教学的目的，还能培养使用者的实际操作经验。对于一些价格昂贵、结果严重或者甚至根本无法实现的教学环境的虚拟教学实验完全可以达到替代作用。
在中学物理教学实验中，同学们不仅可以在虚拟实验室中自己组装单摆、选择自由落体物质的材料、对斜面设置不同摩擦系数的材质，还可以将试验环境搬到月球、深海或者设置世界为零摩擦状态，可以帮助同学进一步的认识物理运动本质。
医学方面，虚拟现实技术可以进行新一代医学仪器的使用教学，比如在模拟微创手术的时候，学员操作的是同样的设备，然而目标却不是活生生的、致命的人体，是取而代之的虚拟器官。为了反映所操作的虚拟仪器对人体器官所产生的影响，物理引擎将会根据操作者的动作，器械与器官碰撞的力度、人体各种器官的脆弱程度来实时的计算试验结果，统计每次试验对病人将会造成的危害，不仅让学员熟悉对仪器的操作，还能根据实验经验避免仪器对敏感器官的碰触。
驾校学习中，虚拟现实的应用已经比较广泛，而具有物理引擎的虚拟驾驶系统能让学员进一步的体验驾驶的真实感。带有物理引擎的虚拟驾驶系统中，当汽车驶过地上的一个坑道、在高地不平的地面行驶、撞车时候的受力方位和车体的变形、撞到行人、汽车、树桩、广告牌的感受和表现也迥然不同，转弯时候汽车的打滑现象、造成的轮胎磨损程度等都能一一反映。不仅如此，物理引擎还可以收集每次虚拟驾驶过程中的某些关键力学数据作为对一个学员的考核参考。
3) 互动展示
如今的三维技术正逐步走入网页，厂商可以将他们的物件制作为三维模型让用户全自由度的观察。但是，简单的三维显示技术在实现一些动态物体的展示方面显得力不从心，用户能得到的动态交互都是一些预先设置好的动画效果，不能参与到与展示环境的动态交互，让虚拟作品的真实性大打折扣。
比如一个装饰品网站正在网上虚拟展示他们的风铃，除了有优秀的图形引擎来表达其漂亮的外观外，还需要具有一个物理引擎来让用户可以交互的拨弄风铃，让用户体会到风铃舞动起来时的优美，以及碰撞产生时候叮叮当当的悦耳声。又比如在进行水龙头、淋浴喷头的3D物品展示时，不仅可以让用户交互的调节喷发的水流大小，还可以让虚拟角色的伸手过去“感受”水流的碰撞，增加更真实的互动。
房地产展示时候，通过物理引擎，可以设置一些互动的体育设施、一些可以拉动的弹簧门以及窗帘、一些可以参与嬉戏的喷泉、能使用起来的虚拟台球桌、能踩踏变形的草地……，所有这些均能让用户感受到一个动态的充满生机的小区，而不是一个个的静止模型或动态贴图。
4) 军事模拟
军事训练中的实战训练不可替代，但是虚拟场景演习也相当重要，在降低演习成本、布置实战战术方面都有着相当重要的作用，在美国早已经将虚拟军事训练作为士兵培训的必修训练。物理引擎在军事模拟中的作用显得更加重要，比如在一个战场地形中，虚拟的炸弹在某个地方产生爆炸后，物理引擎能计算出各个虚拟陆战队员的位置被该爆炸波及的程度，结构脆弱的掩体将会因为该爆炸而塌陷，从而通过虚拟演示能更好的规划战壕、掩体或者进攻线路的抉择。通过物理引擎的模拟，虚拟演示可以精确到每一颗具有不同穿透力的子弹打在目标后的反映，手雷因受重力和空气阻尼在空中飞行轨迹以及落地后的影响范围，不同威力的炸弹能导致了不同的破坏结果等。
消防和灾难救助演习中，物理引擎起着关键性的作用。比如在消防虚拟训练中，物理引擎不仅能真实的实时模拟烟雾和火势的走向，在救助行动中，一些脆弱的结构，也会因为被焚烧或者踩踏而倒塌，增加救助行动的真实度。消防员更能主动撞开一些通道，或者挪动一些石块清理救助路线，当然这些行动如果动摇了所支撑的上层结构时，虚拟场景同样也会毫不留情的塌陷下来。
5) 工程试验
工程试验中，复杂结构的受力分析是相当复杂的。当不同的杆件通过各种连接约束构造出一个结构后，物理引擎能够轻松的模拟出该结构体的力学传递。当结构受到某个方向的破坏力，虚拟结构能从最脆弱的部位开始崩溃。从而可以辅助工程人员决策工程重点、预防结构坍塌，在杆件搭建，桥梁施工等工程中都起着重要作用。
6) 管道流体模拟
管道设施在建筑和城市规划中都占有相当重要的份量。物理引擎在这方面可以实时的计算液体或者气体是如何在这些管道内流淌，比如观察建筑在某层积水后，水流会如何通过管道排放，发生火灾后产生的浓烟又是如何走向，工厂的排污水流又如何被净化，大坝泄洪后，水流将沿着河床如何流淌。
7) 动画制作
物理引擎在动画制作中的应用已经相当成熟，3DMAX和MAYA都已集成了成熟的物理模块。虽然动画制作软件的离线物理计算到虚拟现实中的实时物理计算，动画制作软件和虚拟现实软件中的物理引擎用到的计算的方法和技术有着显著的不同，但都有着共同的目的：
(1)把动画师从关键帧动画解放出来，动画师不再需要一帧一帧调节动画，不需要定制每个物体在空中的飞行时间和路径，方便的骨骼IK系统，对动画师来说，物理引擎为他们节省了大量的时间；
(2)让动画更具有真实感，物理引擎让动画中的每个细节都能参与计算，带碰撞的粒子效果、具有扩散性的烟雾、具有吸附力的水面、爆炸碎块的碰撞以及产生的结果、刮风时引起的细节效果……。
3. 物理引擎的发展前景
物理引擎无论在工业仿真、游戏开发、动画制作等各方面都起着重要的作用，在虚拟现实的世界中具有着举足轻重的地位。然而在过去的虚拟现实发展过程中，物理引擎由于硬件限制，相对于图形引擎来说还处于一种初级阶段。随着计算机硬件的发展、CPU与GPU计算速度的大幅度提高，物理计算的比重也将会逐步加大，更是由于PPU的出现，物理计算将会具有统一的行业标准。目前，Intel、AMD、NVIDIA、Ageia、Havok等都在竞争成为该标准的制定者，Microsoft也计划在未来的DirectX版本中添加物理API，激烈的竞争将会带来的是物理引擎技术的迅猛发展。目前最新的3D游戏大作、动画大片、虚拟现实引擎无一不乏物理引擎的身影，并且物理引擎所带来的震撼效果也让观众更加重视，大家不仅想要一个可以观看的虚拟世界，还需要一个活生生的能互动的虚拟世界，而物理引擎正是这个虚拟世界生命的核心。
