NVIDIA PhysX i Flow – analiza technologii fizyki GPU na poziomie technicznym

Czym jest NVIDIA PhysX?

PhysX to silnik symulacji fizyki czasu rzeczywistego, zaprojektowany pierwotnie przez firmę Ageia jako technologia wspomagana sprzętowo (w postaci procesora PPU – Physics Processing Unit). Po przejęciu Ageii przez NVIDIĘ w 2008 roku, rozwój PhysX został ukierunkowany na wykorzystanie architektury CUDA do równoległego przetwarzania fizyki na GPU.

Funkcjonalności PhysX:

• Symulacja ciał sztywnych (Rigid Body Dynamics)
  Obsługuje kolizje, zderzenia, siły zewnętrzne (np. grawitacja), masę, momenty bezwładności.
• Symulacja ciał miękkich (Soft Bodies)
  Modelowanie odkształcalnych struktur jak żele, tkaniny, elementy organiczne.
• Detekcja kolizji (Collision Detection)
  Bazuje na strukturach BVH (Bounding Volume Hierarchies), obsługuje wiele rodzajów prymitywów.
• Systemy cząsteczek i siatek
  Obsługuje fizykę opartą na cząsteczkach (np. piasek, ciecz).
• Akceleracja GPU (CUDA)
  Wykorzystywane są setki jąder CUDA do przetwarzania fizyki w czasie rzeczywistym.
• Scene Management & Filtering
  API umożliwia zarządzanie obiektami, ich interakcjami i kolizjami.

Jak działa PhysX? Architektura pod maską

PhysX działa w oparciu o klasyczną pętlę symulacji fizycznej (Simulation Loop), która jest ściśle zsynchronizowana z pętlą renderującą. Cały proces jest deterministyczny i iteracyjny, obejmując kilka kluczowych etapów wykonywanych w każdej klatce:

1. Integracja sił – wszystkie siły działające na obiekty (np. grawitacja, sprężystość, siły użytkownika) są zsumowane i zastosowane, aby obliczyć nowe prędkości liniowe i kątowe.
2. Detekcja kolizji (Collision Detection) – PhysX rozdziela ten etap na fazę „broadphase” (szybka analiza możliwych kolizji na podstawie uproszczonych kształtów AABB) oraz „narrowphase” (dokładne testy kolizji przy użyciu precyzyjnych brył). Silnik wspiera różnorodne typy kolizji, w tym sfery, pudełka, siatki trójkątów i powierzchnie złożone.
3. Rozwiązywanie kolizji (Constraint Solving) – zastosowanie ograniczeń kontaktowych i kinematycznych, w tym zderzeń, połączeń (joints), tarcia i ograniczeń osi. Wykorzystywane są tu algorytmy typu PGS (Projected Gauss-Seidel) do iteracyjnego rozwiązywania układu równań.
4. Integracja pozycji i orientacji – po uwzględnieniu wszystkich sił i ograniczeń, następuje aktualizacja pozycji i orientacji obiektów w przestrzeni 3D.

PhysX opiera się na intensywnym wykorzystaniu przetwarzania równoległego. Kluczowe etapy – w szczególności detekcja kolizji i solving – są realizowane w ramach jąder CUDA uruchamianych na GPU, co umożliwia przetwarzanie tysięcy obiektów w czasie rzeczywistym bez kompromisu na wydajności. Obsługiwane są także optymalizacje typu asynchroniczne kopiowanie danych, redukcja kolizji przy małych prędkościach (sleeping objects) oraz adaptive timestep w zależności od przeciążenia sceny. Całość zaprojektowana jest z myślą o minimalizacji opóźnień (latency) i maksymalizacji deterministycznych wyników symulacji.

Jednym z najbardziej rozpoznawalnych przykładów użycia PhysX była seria Batman: Arkham – szczególnie Arkham City, gdzie z pomocą PhysX uzyskano dynamiczne, w pełni symulowane tkaniny peleryny Batmana czy unoszący się pył i odłamki po zniszczeniu otoczenia. Kolejny dobry przykład to Metro: Last Light – gdzie PhysX obsługiwał cząsteczkowe efekty powietrzne, kurz i symulacje fizyczne przedmiotów poruszanych eksplozjami. W Borderlands 2 widzieliśmy z kolei ogromne ilości cząsteczek symulowanych przez GPU, takich jak fragmenty rozbijających się przeciwników czy efekty wybuchów granatów, które realistycznie odbijały się od otoczenia. Te zastosowania pokazują, że PhysX nie tylko wpływa na immersję wizualną, ale także na zachowanie świata gry w sposób, który trudno byłoby osiągnąć klasyczną animacją klatkową.

NVIDIA Flow – objętościowa symulacja cieczy i gazów

Flow to technologia symulacji objętościowej przeznaczona do realistycznego odwzorowania dymu, ognia, eksplozji oraz pary wodnej w czasie rzeczywistym. Jej działanie oparte jest na nowoczesnych rozwiązaniach inżynierii numerycznej, które z powodzeniem przeniesiono do środowiska GPU.

Jak działa Flow?

Silnik Flow opiera się na trójwymiarowej siatce voxelowej, w której każda komórka (voxel) przechowuje dane fizyczne dotyczące temperatury, prędkości przepływu, ciśnienia, gęstości i energii. Model przepływu bazuje na podejściu Eulerowskim, w którym analizuje się zmiany fizycznych wielkości w nieruchomych punktach przestrzeni, a nie na podążaniu za cząsteczkami płynu (jak w modelach Lagrangian).

Symulacja oparta jest na uproszczonych równań Naviera-Stokesa, rozwiązywanych numerycznie w czasie rzeczywistym z pomocą następujących technik:

• Adwekcja pół-Lagrangian – służy do śledzenia przemieszczania się właściwości gazu bez nadmiernej dyspersji numerycznej.
• Dyfuzja – odpowiada za rozprzestrzenianie się energii i ciepła w przestrzeni.
• Korekta rozbieżności (divergence correction) – zachowanie warunku bezściśliwości płynu (divergence-free field), kluczowe dla realizmu.
• Modelowanie turbulencji – zapewnia efektowny i dynamiczny wygląd przepływów gazowych.

Flow został zaprojektowany z myślą o maksymalnej wydajności – wszystkie obliczenia wykonywane są na GPU z użyciem CUDA, co pozwala na generowanie efektów objętościowych przy zachowaniu dużej liczby klatek na sekundę. Dzięki temu możliwe jest renderowanie gęstych kolumn dymu, płomieni reagujących na wiatr lub eksplozji w środowiskach interaktywnych.

Przykładem praktycznego wykorzystania Flow jest silnik graficzny NVIDIA FlameWorks, który wykorzystywał podobne techniki do tworzenia dymu i ognia w filmach CGI oraz w grach, takich jak Just Cause 3 czy Call of Duty: Ghosts. W tych produkcjach efekty eksplozji, wybuchających beczek czy płonących budynków były symulowane dynamicznie, co pozwalało uzyskać efekt wykraczający poza predefiniowane animacje. Flow znajduje także zastosowanie w VR, gdzie immersja wymaga fizycznie spójnych efektów otoczenia reagujących na działania gracza w czasie rzeczywistym.

Testy wydajności i benchmarki

Zarówno PhysX, jak i Flow, zostały zaprojektowane z myślą o wysokiej wydajności, szczególnie na kartach graficznych wspierających CUDA. Do kart obsługujących CUDA należą m.in. modele z serii NVIDIA GeForce GTX (od GTX 600 wzwyż), RTX 2000, 3000, 4000 i 5000, a także karty profesjonalne z linii Quadro i RTX A6000 oraz akceleratory obliczeniowe NVIDIA Tesla i NVIDIA H100/A100.

Testy pokazują, że PhysX w trybie GPU jest w stanie obsłużyć nawet kilkanaście tysięcy obiektów jednocześnie bez znacznego spadku liczby klatek. Przykładowo, w grze Batman: Arkham City z włączoną obsługą PhysX i ustawieniami najwyższej jakości efektów cząsteczkowych oraz destrukcji środowiska, na karcie RTX 3070 możliwe jest utrzymanie płynności w okolicach 100 kl./s w rozdzielczości 1080p. Dla porównania, te same sceny renderowane wyłącznie na CPU generują wynik w zakresie 40–50 kl./s.

W przypadku Flow, wydajność symulacji zależy przede wszystkim od rozdzielczości siatki voxelowej, która określa szczegółowość odwzorowania efektów gazowych. Dzięki strumieniowaniu danych i współbieżnemu przetwarzaniu na wielu rdzeniach CUDA, możliwa jest płynna wizualizacja gęstego dymu, płomieni i eksplozji w czasie rzeczywistym – nawet przy dynamicznie zmieniających się warunkach sceny. Istnieją przykładowe sceny testowe dostępne w repozytorium PhysX, które wyraźnie pokazują różnice pomiędzy trybem CPU a GPU w kontekście wydajności i jakości efektów.

Bezpieczeństwo i deterministyczność w symulacjach

W zastosowaniach naukowych, inżynierskich oraz edukacyjnych kluczową rolę odgrywa deterministyczność – czyli zdolność silnika do generowania takich samych wyników przy identycznych warunkach wejściowych. Ma to szczególne znaczenie w przypadku testów automatycznych, modelowania zachowań robotów, symulacji procesów fizycznych czy też rekonstrukcji zjawisk w analizach powypadkowych.

PhysX umożliwia konfigurację działania w trybie deterministycznym – co oznacza m.in. zastosowanie sztywnego kroku czasowego (fixed timestep), wyłączenie elementów losowości oraz pełną kontrolę nad sekwencją operacji fizycznych. Przykładowo, jeśli przeprowadzamy testy robota kroczącego po nierównym terenie, każda symulacja z identycznym zestawem wejściowym powinna prowadzić do tych samych rezultatów, co pozwala na precyzyjne porównywanie i weryfikację algorytmów sterowania. Dodatkowo, dzięki możliwości synchronizacji danych wejściowych z zewnętrznych źródeł (np. sensorów, silników), PhysX może być z powodzeniem stosowany w certyfikowanych środowiskach testowych, np. w przemyśle automotive czy lotniczym.

Flow natomiast, jako biblioteka ukierunkowana głównie na wizualizację, nie oferuje pełnej deterministyczności wyników. Wynika to z natury numerycznego rozwiązywania równań różniczkowych na GPU oraz trudności w zachowaniu precyzyjnie tych samych ścieżek obliczeniowych przy różnych uruchomieniach. Jednak przy zachowaniu identycznej siatki voxelowej, tej samej wersji sterowników i sprzętu, możliwe jest uzyskanie bardzo podobnych – choć niebitowo tożsamych – efektów. W praktyce wystarcza to w zastosowaniach takich jak produkcja filmowa, gdzie liczy się spójność wizualna, a nie binarna identyczność, czy w VR, gdzie realizm i wydajność mają pierwszeństwo nad powtarzalnością bitową wyników.

Porównanie z innymi bibliotekami

Havok (Microsoft)

Havok to komercyjna biblioteka fizyki, wykorzystywana w wielu topowych produkcjach, takich jak The Legend of Zelda: Breath of the Wild czy gry serii Assassin’s Creed. Jest znana z dużej stabilności, świetnego systemu rozwiązywania kolizji i dobrej dokumentacji. Niestety, nie jest dostępna publicznie – wymaga licencji, a kod źródłowy nie jest otwarty. Brakuje także wsparcia dla nowoczesnych obliczeń GPU.

Bullet Physics

Bullet to otwartoźródłowa biblioteka licencjonowana na zasadach Zlib. Jest znana ze swojej elastyczności i możliwości użycia zarówno w grach, jak i aplikacjach inżynierskich (np. symulacje robotyki, testy biomechaniczne). Wspiera ograniczoną akcelerację GPU (eksperymentalnie z OpenCL, a w niektórych przypadkach z CUDA). Jest szeroko stosowana m.in. w środowisku VR, jak np. w Oculus SDK. Repozytorium znajduje się tutaj: github.com/bulletphysics/bullet3.

ODE (Open Dynamics Engine)

ODE to jedna z najstarszych otwartoźródłowych bibliotek fizyki, dostępna na licencji BSD. Choć prosta w użyciu i dobrze udokumentowana, nie jest już aktywnie rozwijana w takim tempie jak konkurenci. Nie wspiera akceleracji GPU, a jej architektura opiera się głównie na fizyce ciał sztywnych. ODE może być dobrym wyborem dla prostych aplikacji edukacyjnych i symulatorów 2D/3D. Kod źródłowy dostępny jest na: github.com/odedevs/ode.

🔄 Porównanie z PhysX i Flow

Biblioteka	Typ	Open Source	GPU Akceleracja	Obsługa ciał sztywnych	Obsługa cieczy/gazów	Zastosowania
Flow	Symulacja objętościowa	Tak (BSD-3)	Tak (CUDA)	Nie	Tak (dym, ogień)	Efekty wizualne, CGI, VR
Havok	Silnik fizyki	Nie	Nie	Tak	Nie	Gry komercyjne AAA
Bullet	Silnik fizyki	Tak (Zlib)	Ograniczona (OpenCL)	Tak	Ograniczona (eksperymentalnie)	VR, robotyka, gry indie
ODE	Silnik fizyki	Tak (BSD)	Nie	Tak	Nie	Edukacja, prototypowanie

Każda z tych bibliotek ma swoje miejsce w ekosystemie gier i symulacji. PhysX wyróżnia się wydajnością na GPU i możliwością realistycznej symulacji środowisk 3D na dużą skalę, podczas gdy Bullet i ODE pozostają cennymi narzędziami w środowiskach o ograniczonych zasobach lub specyficznych wymaganiach (np. brak zależności sprzętowych).

Podsumowanie

PhysX i Flow to zaawansowane biblioteki, które dzięki CUDA wykorzystują ogromną moc obliczeniową kart graficznych. Dzięki otwarciu kodu stają się teraz dostępne dla wszystkich – od niezależnych twórców po naukowców i inżynierów.

Repozytoria GitHub:

• https://github.com/NVIDIA-Omniverse/PhysX
• https://github.com/NVIDIAGameWorks/Flow