Chapter 5 物理优化

0. 理解物理引擎

Unity 有两个物理引擎：Nvidia PhysX（3D）和 Box2D（2D）。它们都以固定时间步长（fixed timestep）运行，而不是以渲染帧率运行。这意味着 FixedUpdate() 以固定间隔被调用，与 Update() 不同。

0.1 物理和时间

• 物理引擎假设时间以固定值推进。
• Time.fixedDeltaTime 控制固定更新的间隔，默认值通常是 0.02 秒（50 Hz）。
• 如果一帧耗时过长，物理引擎可能需要在同一帧内多次调用 FixedUpdate() 来追赶时间。

0.2 Maximum Allowed Timestep

• Time.maximumAllowedDeltaTime（或 Physics 设置中的 Maximum Allowed Timestep）限制了物理引擎在单帧内追赶的最大时间。
• 如果一帧耗时超过这个值，物理引擎会限制 FixedUpdate() 的调用次数，避免陷入”死亡螺旋”（即物理计算导致更长的帧，进而需要更多物理计算）。
• 合理设置可以防止卡顿导致物理爆炸或性能崩溃。

0.3 静态碰撞体与动态碰撞体

• 静态碰撞体（Static Collider）：没有 Rigidbody 的碰撞体。它应该保持静止，移动它会带来较大的性能开销，因为物理引擎需要重新构建其空间数据结构。
• 动态碰撞体（Dynamic Collider）：带有 Rigidbody 的碰撞体。它们由物理引擎模拟。
• 如果需要移动一个没有物理模拟的碰撞体，最好给它加上 Rigidbody 并勾选 Is Kinematic，而不是直接移动 Static Collider。

0.4 碰撞检测模式

• Discrete（离散）：默认模式。每帧根据速度移动物体，然后进行边界体积检查。最快，但可能穿过高速小物体。
• Continuous（连续）：对静态碰撞体进行连续碰撞检测，更精确但更贵。
• Continuous Dynamic（动态连续）：对静态和动态碰撞体都进行连续检测，最贵。
• Continuous Speculative（推测连续）：较新的模式，在某些情况下比 Continuous Dynamic 更高效。

0.5 碰撞器类型

• 从快到慢排序：Sphere / Capsule / Box < Mesh Collider（简单网格）< TerrainCollider / WheelCollider / Cloth / 复杂 Mesh Collider
• 优先使用原始碰撞器（球体、胶囊体、盒子），用多个简单碰撞器组合近似复杂形状。

0.6 调试物理

• 使用 **Window

  Analysis

  Physics Debugger** 可视化碰撞体、休眠状态、接触点等。

• 在 Profiler 的 Physics 区域查看物理耗时。

1. 场景设置

1.1 缩放

• 尽量使所有物体的缩放为 (1, 1, 1)。

1.2 位置

• 所有物理物体尽量接近 (0, 0, 0) 的位置，以便提升浮点运算精度。

1.3 质量

• 避免有超大质量值。
• 相互碰撞的物体，质量比尽量控制在 1:100 以内。否则可能出现浮点精度丢失和不稳定的物理现象。
• 如果质量比确实需要过大，可以使用碰撞矩阵进行剔除，来避免问题发生。

2. 恰当使用静态碰撞体

• 不要让没有 Rigidbody 的碰撞体移动。如果必须移动，添加 Rigidbody 并勾选 Is Kinematic。
• 静态碰撞体适合地面、墙壁、不可破坏的建筑等固定物体。

3. 负责任地使用触发器

• Trigger 碰撞体也会产生碰撞检测开销。尽量减少同时存在的大型触发器数量。
• 使用 Layer Mask 让触发器只与需要检测的对象交互。
• 在 OnTriggerEnter/Stay/Exit 中避免复杂计算。

4. 优化碰撞矩阵

• 将不需要碰撞的层都去掉，这样能减少每次 FixedUpdate 时必须检查的边界体积数量。

5. 首选离散碰撞（Discrete Collision）

• 连续检查（Continuous）消耗高出一个数量级。
• 动态连续检查（Continuous Dynamic）再高出一个数量级。

6. 修改 Fixed Update 频率

• 为了让离散碰撞更容易被检测到，可以通过修改 Time.fixedDeltaTime 来完成。
• 最好使用测试场景测试修改后的效果，看是否符合碰撞要求。

7. 调整 Maximum Allowed Timestep

• 在 **Edit

  Project Settings

  Time** 中调整 Maximum Allowed Timestep。

• 这个值限制了单帧内物理引擎追赶的最大时间。设置过小可能导致物理在卡顿后”跳过”；设置过大可能导致卡顿后物理计算过多，进一步拖慢帧率。
• 根据项目需求测试并选择合适的值。

8. 最小化射线检查和边界体积检查

• 使用 Layer Mask 把不需要检查的直接过滤掉。
• 减少射线数量，合并多次检查，或使用空间分区结构（如 Octree）提前剔除。

9. 避免使用复杂的网格碰撞器

• 使用几个基本碰撞器进行拼装组合
• 使用更简单的网格用于碰撞

10. 避免使用复杂的物理组件

• 例如 TerrainCollider、Cloth、WheelCollider。
• 这几个组件的消耗高出几个数量级。

11. 使物理对象休眠

• Unity 会对速度小于设定阈值的 Rigidbody 对象进行休眠，以提升性能。（在 Physics / Sleep Threshold 中设定阈值）
• 修改 Rigidbody 的任何属性都会重新唤醒对象。
• 避免出现岛屿效应：大量刚体互相接触，任意一个刚体被唤醒时，由于碰撞，会导致其他大量刚体同时唤醒，然后出现性能尖峰。

12. 修改处理器迭代次数（Solver Iteration Count）

• 当关节（Joint）、弹簧（Spring）等方法连接刚体时，由于刚体间相互依赖的交互作用，系统需要进行多次迭代计算来得到精确的结果。
• 在不影响物理表现的情况下，可降低最大迭代次数。默认设置：Physics / Default Solver Iterations。
• 在出现高需求时，可以用 Physics.defaultSolverIterations 来增加迭代次数。这个属性只影响之后新生成的刚体，所以我们可以在生成特定刚体前增加迭代次数，生成后再将这个属性改回来。
• Physics.defaultSolverVelocityIterations 能改变基于关节碰撞期间的速度迭代次数。如果布娃娃出现碰撞问题，可尝试增加此值。
• 2D 中对应的是：Position Iterations 和 Velocity Iterations。

13. 优化布娃娃（Ragdolls）

13.1 减少关节和碰撞器

• Unity 默认创建的布娃娃有 13 个碰撞器。很多时候只用 7 个也有过得去的效果（骨盆、胸部、头部、四肢）。

13.2 避免布娃娃之间碰撞

• 布娃娃之间的碰撞消耗性能是指数级的。
• 合理使用碰撞图层来规避不必要的碰撞。

13.3 替换、禁用或移除不活跃的布娃娃

• 当敌人死亡并进入布娃娃状态后，如果不再需要精细的物理表现，可以在几秒后禁用 Rigidbody、切换到预设的死亡姿势动画，或完全移除布娃娃组件。
• 这可以释放物理计算资源，避免大量尸体持续消耗 CPU。

14. 知道何时使用物理

• 不是所有移动都需要物理。简单的移动、旋转、碰撞检测可以用代码或射线检测实现，而不必引入 Rigidbody。
• 对于不需要真实物理反馈的物体，考虑使用 Collider + 手动代码处理，而不是完整的物理模拟。
• 在大量对象需要简单碰撞时，考虑自定义碰撞系统或空间分区，而不是依赖 PhysX。