💥 刚体碰撞检测#

Genesis 为刚体提供了高效、功能丰富的碰撞检测和接触生成管线。Python 实现位于 genesis/engine/solvers/rigid/collider_decomp.py。本页提供对算法构建块的概念性概述，以便您理解、扩展或调试代码。

范围。 重点在于刚体-刚体交互。软体/粒子碰撞依赖于其他求解器，位于 genesis/engine/coupler.py 等文件中。

管线概述#

整个过程可以分为三个连续阶段：

AABB 更新 – 为每个几何体更新世界空间的轴对齐边界框。
粗阶段 (Sweep-and-Prune) – 基于 AABB 快速排除明显不相交的几何体对，输出可能的碰撞对。
精阶段 – 使用特定原语算法、SDF、MPR 或 GJK 为每个保留的对稳健地计算实际接触流形（法线、穿透深度、位置等）。

Collider 通过公共的 detection() 方法协调所有三个阶段：

collider.detection()  # 更新 AABB → SAP 粗阶段 → 精阶段

每个阶段在以下各节中描述。

1 · AABB 更新#

辅助内核 _func_update_aabbs() 将工作委托给 RigidSolver._func_update_geom_aabbs()。它为每个几何体计算一个紧密的世界空间 AABB，并将结果存储在 geoms_state[..].aabb_min / aabb_max 中。

为什么每帧都要做这件事？

刚体移动 ⇒ 它们的边界框发生变化。
AABB 重叠检查是粗阶段的基石。

2 · 粗阶段 – Sweep & Prune#

粗阶段在 _func_broad_phase() 中实现。它是经典 Sweep-and-Prune（又称 Sort-and-Sweep）的 N·log N 插入排序变体：

将每个 AABB 投影到单个轴（当前为 X 轴），并将其 min 和 max 端点插入可排序缓冲区。
热启动 – 端点已经几乎从上一帧排序好 ⇒ 插入排序几乎呈线性。
遍历排序后的缓冲区，维护一个与当前端点重叠的区间活动集。
当 min_a 穿过 max_b 内部时，我们就有一个潜在的对 (geom_a, geom_b)。

额外的过滤步骤移除物理上不可能或明确禁用的对：

相同连杆 / 相邻连杆过滤。
contype/conaffinity 位掩码。
相对于世界都固定的连杆对。
休眠支持 – 除非与激活体碰撞，否则忽略休眠体。

保留的对存储在 broad_collision_pairs 和 n_broad_pairs 中。

3 · 精阶段 – 接触流形生成#

精阶段分为四个专门的内核：

内核	何时运行	目的
`_func_narrow_phase_convex_vs_convex`	一般凸-凸 & 平面-凸	使用 MPR（Minkowski Portal Refinement）的默认路径，带有符号距离场查询回退。当 `RigidOptions` 中的 `use_gjk_collision` 选项设置为 `True` 时使用 GJK 算法。
`_func_narrow_phase_convex_specializations`	平面-盒体 & 盒体-盒体	具有一对凸几何体解析解的专门处理程序。
`_func_narrow_phase_any_vs_terrain`	至少一个几何体是高度场地形	每个支撑单元生成多个接触点。
`_func_narrow_phase_nonconvex_vs_nonterrain`	至少一个几何体是非凸的	通过 SDF 顶点/边缘采样处理网格 ↔ 凸体或网格 ↔ 网格碰撞。

3.1 凸体-凸体#

3.1.1. GJK#

GJK 配合 EPA 是许多物理引擎中广泛使用的接触检测算法，因为它具有以下优点：

完全在 GPU 上运行，得益于无分支的支持映射原语。
每个形状只需要一个支持函数 – 无需面邻接或特征缓存。
当几何体不接触时给出分离距离。
在许多实现中经过验证的数值鲁棒性。

在 Genesis 中，当 RigidOptions 中的 use_gjk_collision 选项设置为 True 时启用。此外，Genesis 通过以下措施增强 GJK 的鲁棒性。

对运行时的单纯形和多面体进行彻底的退化检查。
鲁棒的面法线估计。
鲁棒的穿透深度上下界估计。

Genesis 使用预计算的 Support Field 加速支持查询（参见 Support Field）。

通过在第一个接触法线周围进行小姿态扰动启用多接触生成。每对最多存储五个接触点 (_n_contacts_per_pair = 5)。

3.1.2. MPR#

MPR 是另一个被物理引擎广泛采用的接触检测算法。尽管它与 GJK 共享大部分优点，但当几何体不碰撞时它不给出分离距离，并且由于在许多实现中没有得到充分验证，可能容易受到数值错误和退化的影响。

在 Genesis 中，MPR 在深度穿透时通过符号距离场回退进行了改进。

与 GJK 一样，Genesis 使用预计算的 Support Field 加速 MPR 的支持查询，并通过在第一个接触法线周围进行小姿态扰动来检测多个接触点。因此，每对最多存储五个接触点 (_n_contacts_per_pair = 5)。

3.2 非凸对象#

对于三角形网格或分解的凸簇，管线使用离线预烘焙的符号距离场（SDF）。算法采样

顶点（顶点-面接触），然后
边缘（边缘-边缘接触）

并保留最深的穿透。如果已经找到顶点接触，则跳过成本高昂的边缘遍历。

3.3 平面 ↔ 盒体特殊情况#

移植了 Mujoco 的解析平面-盒体和盒体-盒体例程，以获得额外的稳定性，并避免当盒体平放在平面上时的退化情况。

接触数据布局#

成功的接触被推送到数组结构体字段 contact_data：

字段	含义
`geom_a`, `geom_b`	几何体索引
`penetration`	正深度（≤ 0 表示分离）
`normal`	世界空间单位向量，从 B 指向 A
`pos`	相互穿透的中点
`friction`	有效库仑系数（取两者最大值）
`sol_params`	求解器调整常数

n_contacts 以原子方式递增，以便 GPU 内核可以并行追加。

热启动与缓存#

为了提高时间相干性，我们为每对几何体缓存先前最深顶点的 ID 和最后已知的分离法线。缓存被咨询以播种 MPR 搜索方向，并在对在粗阶段分离时清除。

休眠#

启用此功能后，仅属于休眠体的接触被保留但不再每帧重新评估 (n_contacts_hibernated)。这大大减少了具有大型静态背景场景中的 GPU 工作量。

调整参数#

选项	默认值	效果
`RigidSolver._max_collision_pairs`	4096	粗阶段对的上限（每环境）
`Collider._mc_perturbation`	`1e-2` rad	多接触搜索的扰动角度
`Collider._mc_tolerance`	`1e-2` 的 AABB 大小	重复接触拒绝半径
`Collider._mpr_to_gjk_overlap_ratio`	`0.5`	当一个形状包围另一个时从 MPR 切换到 SDF 的阈值

进一步阅读#

Support Field – 支持映射形状的离线加速结构。