E6：原生扩展、GPU 与能力边界#

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先修：E1 对象/COM/时间、E2 驱动、E3 接触与求解；GPU 所有权和同步可先看 E5。本章完成 B6 的原生扩展/后端边界与 B7 综合追踪，也补充 B0/B4 的非刚体状态和数值语义。

固定基线仍是 ovphysx-0.6.3、提交 da950a3537927784951853c66618036f332ca0ce、SDK 头文件 5.11.0。以下结论来自公开源码和契约，不是运行验收。没有构建、链接或执行 SDK，没有 CUDA 编译/JIT、仿真、渲染、训练或基准。历史 Isaac Sim 5.1 / UniSim 1.7.10 所用核心 binary/config 仍须由 DexLab #126 的原批次证据确定，不能用本章默认值补齐。

1. “扩展 PhysX”具体扩展哪一层#

需求

原生入口/实现位置

扩展者承担的责任

增加关节或自定义运动关系

PxPhysics::createConstraint、PxConstraintConnector、PxConstraintSolverPrep

用原生一维行描述几何误差和速度关系；管理数据块、COM/origin 变化和 release

增加碰撞几何

PxCustomGeometry::Callbacks

bounds、接触、query、质量属性和缓存一致；不能只返回一个视觉 mesh

修改已有接触

PxContactModifyCallback / PxCCDContactModifyCallback

在允许的线程/阶段改 contact set；不能添加任意数量的接触，也不是替换整个求解器

GPU 数据/额外计算

PxDirectGPUAPI、particle/deformable callbacks

设备指针、容量、事件和阶段；回调中的自定义 CUDA 工作属于应用

使用已提供的扩展

Character Controller、Vehicle components、Immediate Mode

按该扩展的状态/更新契约组织程序，不把它们混成一个通用机器人 API

改算法本身

修改公开 C++/CUDA 实现并维护自己的 build

接口/数值/版本责任转移到该派生实现；公开源码不等于运行时可注册任意 GPU solver 插件

createConstraint 接收两 actor、connector、shader table 和数据块大小；这里的 shader 是约束行准备函数，不是图像 shader。Character Controller 的 move 是 collide-and-slide 位移接口，底层使用 kinematic actor，不能据此声称它是有执行器动力学的人形机器人。Vehicle 的 PxVehicleComponentSequence 支持组件与 substep group；该局部更新次数不自动等于 Scene 的物理步数。

Immediate Mode 公开构造 solver bodies、生成 contacts、batch/求解约束及积分函数。这让调用者显式组织数据与阶段，同时也把 contact cache/allocator 生命周期、对象索引及一致步长的责任交给调用者；不是一行替换 simulate 就能得到完整 Scene 服务。本章读这些原生接缝，不另建统一 wrapper。

2. 自定义几何：碰撞、查询、质量必须一致#

2.1 回调是共享对象引用，不是拥有数据的网格#

PxCustomGeometry 仅保存 Callbacks*；复制 geometry 也只是复制该指针，isValid() 只检查类型和非空指针。它既不证明几何算法正确，也不延长回调对象生命周期。应用应保证回调及其依赖数据晚于所有使用它的 shapes/queries 释放；不要把栈上 callback 的地址留在长期 shape 内。

回调

输入/输出契约

常见误用

getCustomType

用官方宏产生应用侧 type ID；SDK 不用它替换 dispatch 类型

把运行时 ID 当跨进程资产 ID

getLocalBounds

geometry 局部坐标 AABB

返回 world AABB；或小于实际碰撞支持集，造成 broad phase 漏检

generateContacts

两 geometry/world poses、contactDistance、margin、toleranceLength → PxContactBuffer

只实现相交测试，没有一致的法向/分离量/接触点

raycast

单位方向、最大距离、hit flags、maxHits、stride

连续紧密写 PxGeomRaycastHit[]，忽略传入 stride；把未填字段宣称有效

overlap / sweep

本几何与另一几何；sweep 中移动的是 geom1

几何对和运动方向写反

computeMassProperties

动态使用时提供局部质量、COM、惯量

可碰撞即假定质量正确；忽略密度或几何 margin

visualize / usePersistentContactManifold

调试图元；PCM 是否可复用及失效阈值

把 debug 画面当 renderer；几何变了却继续复用旧接触

逐字段见 Callbacks 声明。即使 visualize 注释写 optional，它在基类仍是纯虚函数，可提供空实现，而不是省掉所有 override。查询与碰撞可能由不同调用线程使用同一 callback；本章建议数据在一个模拟/查询阶段内保持只读、临时量放栈上，应用自行同步形状修改。其依据是指针共享以及 E4/E5 的并发调用边界，而非声称 SDK 会替应用加锁。

2.2 用 cylinder 读懂 support、margin 与惯量#

官方 PxCustomGeometryExt::CylinderCallbacks 给出现成实现，axis 的 0/1/2 分别为局部 X/Y/Z，height 是全高。对局部 X 轴、无 margin 的圆柱，支持点可写为：

\[ s(\mathbf d)=\left(\operatorname{sign}(d_x)H/2,\ R\frac{d_y}{\sqrt{d_y^2+d_z^2}},\ R\frac{d_z}{\sqrt{d_y^2+d_z^2}}\right). \]

假设方向非零；纯轴向需要单独处理，不能除以零。源码 supportLocal 包含这个分支，并将 bounds 按 margin 扩张。对密度为 \(\rho\) 的实心圆柱：

\[ m=\rho\pi R^2H,\qquad I_{xx}=\tfrac12mR^2,\qquad I_{yy}=I_{zz}=\tfrac1{12}m(3R^2+H^2). \]

长度量纲为 \(L\)、密度 \(ML^{-3}\)、惯量 \(ML^2\)。原生质量构造约定是密度 1，质量/惯量随密度线性缩放。computeMassProperties 的 margin=0 分支正是上述圆柱式；margin 非零转入分片计算，不能继续套裸圆柱惯量后称为同一几何。

这个例子展示扩展协议，不表示新版只有 custom geometry 才能表达圆柱：PxConvexCore 已定义 point/segment/box/ellipsoid/cylinder/cone。原生 convex core 和虚函数 custom geometry 是不同 dispatch 身份，需分别核对支持矩阵。

2.3 PCM 与 GPU 回退#

GuPCMContactCustomGeometry 先判断 PCM 缓存是否失效；有效时可复用 manifold，不保证每步调用 generateContacts。交换 geometry 顺序后还会翻转输出法向。修改 callback 内部参数时，不能假定 SDK 自动知道所有 shape/query/contact cache 已过期；在安全阶段更新原生 shape 几何并处理质量/查询更新，具体变化需按使用路径验证。

GPU Scene 也不会把 C++ 虚函数自动编译成 CUDA。固定源码的 sphere/custom 等 pair 被送往 eFallback，GPU dispatcher 将其交给 CPU fallback context。cloth/custom 的分支还明确写有过滤限制；因此刚体 pair 能回退不等于 deformable/particle 与任意 custom geometry 都支持碰撞。

3. 自定义约束：把关系写成一维行#

3.1 行的物理含义与单位#

原生 Px1DConstraint 把两个刚体的世界坐标速度组合为：

\[ \mathbf u=[\mathbf v_0,\boldsymbol\omega_0,\mathbf v_1,\boldsymbol\omega_1]^T,\qquad J=[\mathbf l_0,\mathbf a_0,-\mathbf l_1,-\mathbf a_1],\qquad v_c=J\mathbf u. \]

注意后两个分量的负号由 SDK 定义；不能在 linear1/angular1 再额外取负，除非你的几何约束本身如此。对一个 world 单位轴 \(\mathbf n\) 上的点间关系，\(\mathbf l_i=\mathbf n\)、\(\mathbf a_i=\mathbf r_i\times\mathbf n\)，\(\mathbf r_i\) 从该 body COM 指向 attachment。这样 \(v_c\) 是 \(L/T\)，角 Jacobian 分量有长度量纲，不能把“angular 字段”一律理解为无量纲旋转轴。

硬约束的位置阶段以几何误差 \(g\)、target \(v_t\) 表达 \(J\mathbf u+\beta g/h-v_t=0\)；\(\beta\) 是内部稳定化系数。velocity 阶段通常移除 bias，eKEEPBIAS 有例外。spring 则定义隐式力或加速度：

\[ f=-k\,g_{new}+c\,(v_t-v_{c,new}). \]

线性 force spring 中 \(f\) 为力，\(k\) 是 \(M/T^2\)（SI: N/m），\(c\) 是 \(M/T\)（N·s/m）；acceleration spring 的 \(k,c\) 分别为 \(T^{-2},T^{-1}\)。纯旋转 force row 的输出改为力矩，刚度相应为 N·m/rad。公式以一致的单位制、固定行方向和本步线性化为前提，不能据“隐式”二字保证任意刚度、步长和接触切换稳定。

字段/标志

作用

必须留意

geometricError / velocityTarget

本行位置误差/速度目标

线性和角向行的量纲不同；target 不是求解后的速度

minImpulse / maxImpulse

允许的累计行冲量区间

默认按冲量；force-limit 转换有两重条件

eSPRING / eACCELERATION_SPRING

spring 模型/质量归一化加速度模型

acceleration 位仅对 spring 有效；与 restitution 模型区分

eOUTPUT_FORCE

此行参与 constraint 总输出和断裂判断

未设时仍可参与求解，但不进入该报告

eANGULAR_CONSTRAINT / solveHint

类型与预处理提示

不保证行一定保留；退化响应和预处理仍影响结果

PxConstraintInvMassScale

此 constraint 的逆质量/逆惯量缩放

不是修改 body 实际质量；会影响观测的物理解释

原生标志见 row flags。一个值得实际追源码的冲突：该文件 eHAS_DRIVE_LIMIT 短注释写的 unless 与执行条件相反；共享 CPU/GPU helper 实际是 hasDriveLimit 和 driveLimitsAreForces 都为真时乘 simDt，否则原值当 impulse。eDRIVE_LIMITS_ARE_FORCES 在当前公开 flags 已标 deprecated，本文按固定实现讲解，既不删掉历史分支，也不把未来行为当现在行为。

3.2 从接口实现到生命周期#

  1. 应用定义可按字节复制的 constant block，保存参数和 body-local attachment frames；不要在 shader 中追踪随时可变的外部状态。

  2. 实现 PxConstraintConnector，向 SDK 返回 prepareData() 和 shader/constant 指针；修改数据后 markDirty()。SDK 会在步开始复制数据块，不是每行执行时重新调用应用的 setter。

  3. 实现 PxConstraintSolverPrep：只访问传入参数，返回不超过 maxConstraints 的行数，并完整填写所用行、inverse-mass scales、anchor 输出和 bodyAWorldOffset。该函数必须可重入。输入 transform 是 COM frame；static/null actor 对应 identity，应用的数据需正确承担 world anchoring。

  4. 用 PxConstraintShaderTable 和 createConstraint 接入。actor-local frames 与 COM-local frames 是不同层；COM 变化需要 onComShift，world origin shift 可能也需改数据并重新标 dirty。

  5. 释放应从 PxConstraint::release() 进入，等 onConstraintRelease 回调再释放 connector 资源。serialization、debug/PVD 和 owner ID 各有自己的 hook，并非创建成功就自动完成应用资产序列化。

本章原创 C++ row-prep 片段 描述一个固定 world 轴、双 attachment、对称冲量限幅的双向弹簧。它完整实现一个原生 solver-prep 签名，且把 force spring 和 raw impulse cap 分开。没有 main、connector 或资源创建；它是行构造阅读片段，不是可加载的完整插件。语法/类型检查见验收记录，还没有验证约束实际收敛、受力或 GPU 行为。

3.3 CPU / GPU / Direct GPU 不是同一扩展契约#

一般 Scene 的公开 custom constraint 路径允许 CPU row preparation；GPU dynamics 还有自己的数据准备和受支持关节路径。不能凭 shader table 含一个函数指针，就推断 CPU callback 可在 GPU 执行。

eGPU_COMPATIBLE 是内部位，公开 setter 明确拒绝；Direct GPU Scene 的 constraint 加入逻辑 拒绝非兼容项并建议 D6。固定源码 D6 的官方 shader table 有该位，而 DistanceJoint 没有。学习下一节 CPU DistanceJoint 路径不等于它可直接迁移到 Direct GPU；更不能伪设内部位绕过真实数据布局要求。

4. B7 综合追踪：一个距离弹簧怎样产生报告力#

选择原生 DistanceJoint、两个普通刚体、CPU PGS、非退化 attachment 距离，不包含 articulation 的 extended response、不含 inverse-mass scaling、不把接触混入关节报告。TGS 和 GPU 分支另列，避免拼成一条不存在的执行链。

4.1 配置与数据块#

PxDistanceJointCreate 检查 frames 和 actors，经 createJointT 创建 extension 对象，再调用 physics.createConstraint(..., sizeof(DataType))。setMinDistance/setMaxDistance/setStiffness/setDamping/setDistanceJointFlags 写入数据并 markDirty。ExtJoint::prepareData() 返回 mData，随后进入上一节的 SDK 复制路径。

设置相等 min/max 且同时启用两限位才能表达定距目标；只开 max 是单边“绳长上限”。默认只开 max、tolerance 为 0.025 * scale.length，stiffness/damping 为 0；不能以默认 joint 宣称已启用弹簧。默认初始化

4.2 几何到行#

DistanceJointSolverPrep 从两个 world joint frame 得到 \(d=\|\mathbf p_A-\mathbf p_B\|\)、\(\mathbf n=(\mathbf p_A-\mathbf p_B)/d\)。当 d 很小时采用固定 X 轴，这只是确定一个数值方向，不是证明重合 attachment 的距离梯度唯一。相等上下限的几何误差为：

\[\begin{split} g=\begin{cases} d-d_0-\epsilon,&d-d_0>\epsilon,\\ d-d_0+\epsilon,&d-d_0<-\epsilon,\\ 0,&|d-d_0|\le\epsilon. \end{cases} \end{split}\]

\(\epsilon\) 是 joint tolerance，量纲 \(L\)，它是几何死区，不是“求解残差小于 epsilon 就停止”。只开 min 时 minImpulse=0；只开 max 时 maxImpulse=0，符号与 \(\mathbf n\) 一起决定拉/推；两限位不相等时 shader 生成两行，因为此时没有速度用于预先判断哪边即将激活。行填充及单边区间

ConstraintHelper 当前以 joint B 点作为两侧力臂的共同参考点；对距离行，因为 \(\mathbf p_A-\mathbf p_B\) 平行 \(\mathbf n\)，用 A/B 点算 body A 的 \(\mathbf r\times\mathbf n\) 等价。具体 frame/offset 实现 解释了为什么不能只看变量名推测 torque 的参考点。

4.3 行准备、隐式系数与迭代#

CPU PGS 的 DyDynamics 取 constant block、COM poses、writeback pool，并尝试四约束批处理；失败/不适用时逐项调用 SetupSolverConstraint。因此下面的标量链是该 fallback 准备/求解路径的解释，不声称所有 joint 每次都绕过 SIMD。

row prep → 预处理/惯性转换 → unit response \(w=JM^{-1}J^T\) → solver constants。对本节的线性 force spring，令 \(h\) 是 Scene step，\(v_t\) 为 target、\(g\) 为行误差：

\[ a=h^2k+hc,\qquad b=h(cv_t-kg),\qquad x=\frac{1}{1+aw}. \]

对应 PGS compute1dConstraintSolverConstantsPGS 先产生 constant=xb、velMultiplier=-xa、impulseMultiplier=1-x，随后加上初始速度 bias，使最终 constant=xb-xa*v_pre。\(w\) 对该线性行是 \(M^{-1}\)，\(a\) 是 \(M\)、\(b\) 是冲量 \(ML/T\)，所以 \(aw\) 无量纲；若切到 acceleration spring，源码会引入 recipUnitResponse，不能沿用上述刚度单位。

solve1D 计算累计候选冲量并投影到上下限：

\[ \Lambda_{new}=\operatorname{clip}\left((1-x)\Lambda_{old}-xa\,v_c+xb,\Lambda_{min},\Lambda_{max}\right),\quad \Delta\mathbf u=M^{-1}J^T(\Lambda_{new}-\Lambda_{old}). \]

这里将 \(v_c=v_{pre}+\Delta v_c\) 写成当前总行速度：原生 normalVel 是 solver 累计的速度增量，初始项已进入 constant，不能重复加减。该式限定为前述普通刚体 force-spring 行；不能当任意离线 state 的通用一步公式。solver 内部 angular state 采用惯性平方根变换，源码注释称 momocity。内部变量 appliedForce 实际累积的是冲量。位置/速度迭代上限和积分顺序接 E3，不是在这里额外添加一个 epsilon 收敛检测。

4.4 writeback 到原生 getter#

writeBack1D 只求和带 eOUTPUT_FORCE 的行，先得 body 0 的线/角冲量，再把角冲量从 COM 平移至 body0WorldOffset 对应点：

\[ \mathbf P=\sum_i\mathbf l_{0i}\Lambda_i,\quad \mathbf L_{ref}=\sum_i\mathbf a_{0i}\Lambda_i-\mathbf r_{ref}\times\mathbf P,\qquad \bar{\mathbf f}=\mathbf P/h,\quad\bar{\boldsymbol\tau}=\mathbf L_{ref}/h. \]

世界坐标分量分别为 \(ML/T\)、\(ML^2/T\)，除以 step 后是 N 和 N·m（SI）。Sc::ConstraintSim::getForce 用 Scene 的 oneOverDt 转换；NpConstraint::getForce 检查读取阶段再进入 core。推荐在成功 fetchResults 后采样，不把 getter 调用时间误写成新的物理时刻。

断裂阈值也先乘 simDt 成冲量，再比较线/角冲量范数。报告只覆盖被标记的 constraint 行；未启用输出、休眠/未激活、退化行、断裂或未在 Scene 等状态必须另外解释。它不是 actor 所有接触/重力/驱动总 wrench，也不是 E4 的 articulation incoming joint force。

TGS 使用 DyTGSDynamics 和 TGS 行系数，含 stepDt、位置增量及不同 bias 更新；不能把 PGS 的 h 原样套到所有 TGS 内部变量。GPU 是下一节的独立调度/布局，CPU trace 不构成 GPU 数值等价或性能结论。

5. GPU 后端：公开了什么，仍需什么#

固定树公开 GPU 代码。说“PhysX GPU 后端一概闭源”不符合本章版本；反过来，文件存在也不代表本机已安装匹配 GPU library、driver 或测试过全部 pair。

层次

固定源码证据

不能推出的结论

Scene/backend 选择

ScScene 根据 useGpuDynamics 分 CPU/GPU，并建立 CPU narrowphase fallback

GPU broad phase = GPU dynamics = Direct GPU 三者等价

GPU solver 选择

PxgPhysXGpu::createGpuDynamicsContext 根据 solverType 构造 PGS/TGS context

所有宿主固定使用 TGS；当前设置能填历史批次

刚体/约束内核

solverMultiBlock.cu、solverMultiBlockTGS.cu 的约束/接触写回分支

与 CPU bitwise 相等或任意 custom shader 支持 Direct GPU

articulation

forwardDynamic2.cu

所有 CPU cache/getter 在 Direct GPU 下仍有效，详见 E5

FEM 与粒子

本章第 6–7 节的公开 CUDA 实现

图像、RL、autograd、任意多物理模型自动具备

构建/装载

PhysXGpu.cmake 汇集多个 GPU object targets；Linux loader 依赖 libcuda 与匹配 GPU library 导出符号

仅有 C++ 头文件即已构建或运行 GPU；驱动实现属于本仓源码

“GPU scene”仍可能包含 CPU 工作。registerContactManager 要求 PCM、无 contact modification、离散检测等条件才查 GPU pair table；其余走 fallback。故 contact modification 开关、cooking 是否生成相应数据、mesh/geometry 类型与 pair 支持都会改变执行路径。同步、GPU index、首步初始化、device events、scene-wide padded stride 的细节仍按 E5 执行，不能只记录一个 device=cuda 字符串。

**公开范围与外部范围分开记：**上表的 SDK CPU/CUDA 与扩展实现在固定官方树内可读；CUDA driver/toolchain、目标机器实际加载的 binary、宿主 importer/renderer/RL 版本和用户自定义插件不由这些文件证明。本章没有为整个仓库全部 GPU 内核作形式正确性审计，没有下载或执行任何 GPU 二进制。

6. Deformable volume / surface：不是换一个刚体 shape#

6.1 对象、拓扑和状态#

PxDeformableVolume 与 PxDeformableSurface 明确仅支持 GPU，要求 GPU dynamics 和 GPU broad phase。它们继承 PxDeformableBody，不使用 rigid body 的单一 pose、COM 和 6D 速度来完整表示形变。

对象/数据

原生意义

容量、所有权和更新时间

volume collision mesh

接触几何的四面体网格；getPositionInvMassBufferD / rest buffer

collision vertex count；attachShape 分配、detachShape 释放

volume simulation mesh

形变求解自由度；getSimPositionInvMassBufferD / getSimVelocityBufferD

simulation vertex count；与 collision count 可不同，不能混索引

surface mesh

三角形顶点的位置/速度/rest 数据

三角 mesh vertex count；由 shape 生命周期约束

per-vertex PxVec4

xyz 位置/速度，位置 w 为 inverse mass，速度 w 未使用

device 地址；每顶点 16B 对齐，不是 CPU 可直接解引用数组

应用修改

volume markDirty(eSIM_POSITION_INVMASS/...) 或 surface 对应 flag

dirty 只通知引擎，不替应用拷贝数据、等待 CUDA 或构造有效初态

Volume 完整 buffer 契约 和 surface 契约 明确：从 simulate 开始到 fetchResults 返回不得写；读取必须等 PhysX tasks 完成，文档特别允许 completion task 读。需要在 GPU 合法时间读取并完成 D→H 拷贝，CPU 才有自己的快照。markDirty 不能消除这些同步条件。固定 NpScene 还检查 shape/simulation mesh 前置条件，不能把空 actor 成功分配当“软体创建完成”。

6.2 材料、FEM 与数值分支#

PxDeformableMaterial 提供 Young's modulus \(E\)、Poisson ratio \(\nu\)、dynamic friction、elasticity damping；volume 另有 eCO_ROTATIONAL / eNEO_HOOKEAN。这里 E 量纲为压力 \(ML^{-1}T^{-2}\)（Pa），不是刚体 contact stiffness 的 N/m；\(\nu\) 无量纲。质量通过网格顶点 inverse mass 参与求解，不能用一个外观材质替代力学参数。

对各向同性材料、\(E>0\) 且 \(0\le\nu<0.5\)，源码 Lamé 参数 为：

\[ \lambda_{L}=\frac{E\nu}{(1+\nu)(1-2\nu)},\qquad \mu=\frac{E}{2(1+\nu)}. \]

不要把 \(\lambda_L\) 和约束乘子同名混用。公开 API 允许 \(\nu=0.5\)，但上式在端点奇异；实际 kernel 的体积项有单独分支，不能由连续公式替实现做除零。

以 softBodyGM.cu 的 co-rotational 分支 为例，rest 边矩阵 \(D_m\) 和变形后边矩阵 \(D_s\) 给出无量纲 \(F=D_sD_m^{-1}\)，tet rest volume \(V\)，rotation R。该路径先处理 ARAP 形变项，再处理 \(\det(F)-1\) 体积项；ARAP 代码 在范数中还加了数值 epsilon。不能将它描述为“每步一次精确解线性 FEM”，也不能把 neo-Hookean 路径的含义直接替成此分支。

在无阻尼、单个无量纲约束 C、未触发 abs(denom) < 1e-15 保护的分母条件下，对应更新 是：

\[ \Delta\ell=\frac{-C-\tilde\alpha\ell}{\sum_i w_i\|\nabla_i C\|^2+\tilde\alpha},\qquad \Delta\mathbf x_i=w_i\nabla_i C\,\Delta\ell. \]

\(w_i=1/m_i\)；ARAP 分支 \(\tilde\alpha=1/(2\mu Vh^2)\)。因此 \(\tilde\alpha\) 和分母量纲均为 \(M^{-1}L^{-2}\)，\(\ell\) 为 \(ML^2\)，\(\Delta x\) 为长度。这里的乘子不是刚体行冲量，不可直接除以 h 叫作 Newton。带阻尼分支会改变分母和分子；TGS/non-TGS 对 multiplier 初始化/复用也不同，见上述具体行。表面上都出现“迭代”，不意味着其迭代和 E3 刚体行求解可等量比较。

surface 有厚度、弯曲刚度/阻尼的材料接口。FEMClothUtil 使用 area * thickness 构造体积尺度并解膜/面积项；FEMCloth.cu 将位置修正按 delta / dt 写入速度，另有 triangle-pair bending 路径。厚度是 \(L\)，不能把它当接触 offset；弯曲/阻尼数值也不能未经该模型的实现/单位转换就照抄材料手册或其他引擎。本章不为这些值提供未验证的实物标定配方。

6.3 耦合、attachment 与 callback#

PxDeformableAttachmentData 要求至少一方是 deformable：surface 使用 vertex/triangle，volume 使用 simulation mesh vertex/tetrahedron，rigid 使用局部笛卡尔点，world 使用世界点；元素内位置由重心坐标表示。对 tetrahedron 内点 \(\mathbf p=\sum_{i=0}^3b_i\mathbf x_i\)，\(\sum b_i=1\)，位于元素内部时 \(b_i\ge0\)，b 无量纲。拓扑创建后固定，变更 attachment 点需重建；rigid/world pose 可更新。这与“每步把所有顶点强行写到目标”是不同约束。

公开 cloth-rigid contact prep 使用接触位置、重心信息、刚体/顶点响应准备耦合约束。原生存在这些特定耦合，不等于支持任意几何 pair、断裂、热传导、电磁、流固材料模型或工程认证精度；每一种额外物理都要明确方程、耦合接口、实现者和验证范围。

Scene 的 PxPostSolveCallback::onPostSolve(CUevent) 只给出 solver 完成事件；用户 stream 应等待它后才读结果。它不意味着 CPU 已同步，也不承诺引擎自动等待你另一个 stream 后续任意写入；应用需在下一次引擎访问前建立正确依赖。注册入口见deformable callbacks。

7. PBD 粒子：phase、邻域和数据协议#

PxPBDParticleSystem 提供位置迭代和速度迭代；源码 NpScene::addParticleSystem 限制 GPU scene。接口概述列举多种粒子用途，但本章只把读到的 granular/fluid buffer、phase 和密度/接触路径作为具体证据，不从概述词汇推断所有布料/充气体对象或功能都已实现、验收。PxPBDMaterial 的 lift/drag 注释 还明确将 particle-cloth、particle-rigids、attachments、volumes 标为 deprecated；这不能混同本章独立的 FEM surface/volume，也不等于禁用流体粒子与普通刚体的接触。

PxParticleBuffer 与 Scene/particle system 分离，在步间可添加/移除/转移；位置和 inverse mass 是 PxVec4(x,y,z,1/m)，速度是 PxVec4(vx,vy,vz,0)，phase 为每粒子 PxU32。active count 不超过创建时 capacity；getFlatListStartIndex() 只有加入 system 且至少 simulate 一次后才有效。buffer 内部设备地址不能直接当 NumPy/CPU 指针，释放会回收其内存。

createPhase(material, flags) 将材料与 group/behavior 编码结合；PxParticlePhaseFlag 区分同组自碰撞、基于 rest pose 的邻近过滤、fluid 密度约束。它不是刚体 PxFilterData.word0 的 env_id；同 scene 的多环境粒子隔离不能机械照搬 E5 rigid shape shader。修改位置/速度/phase 后按 PxParticleBufferFlag raise dirty flags，并履行复制和同步协议。

五个长度参数要拆开：rigid/deformable restOffset、contactOffset、particleContactOffset、solidRestOffset，以及 fluidRestOffset。粒子–刚体的静止距离涉及两边 restOffset 之和；两 solid 或 solid/fluid 静止间距是 2 * solidRestOffset；两 fluid 是 2 * fluidRestOffset。particleContactOffset 决定邻域接触尺度，必须大于后两者，不能把它叫作唯一的“粒径”。

密度求解也不是名字相同就等于通用 SPH Navier–Stokes 离散。固定 particlesystem.cu 在邻域里以内部 kernel/尺度累积 rho，片段里的 mass 明确设为 1，再将：

\[ c=\max(\rho-\rho_0,-0.005\rho_0)\,s_\lambda \]

存入名为 mDensity 的工作数组。此式描述内部归一化/缩放后的约束值；该数组不是无需转换即可导出的 kg/m³ 测量。后续 ps_solveDensityLaunch 消费这些工作量，另有 contact、viscosity、surface tension、velocity 路径。PBD 材料接口的cohesion/viscosity/surface tension 等参数 必须按实现尺度解释，不能把它们一律当 SI 连续介质系数。

PxParticleSystemCallback 的 onBegin/onAdvance/onPostSolve 接收 mirrored pointers 与 CUstream；“host/device mirror”只是调用者应该满足的关系，类型本身不保证同步。按所给 stream 排序工作；fetchResultsParticleSystem 才是相关 particle data copies 的同步入口，callback 文档也将其作为完成保证。自建其他 stream 的依赖仍由应用承担。callback 不应在 simulation 正在执行时更换，setter 注释 明确这些调用会被忽略。

8. 回调、可微与宿主：能力归属的最后一层#

8.1 回调阶段不能互换#

接缝

能做什么

不应该由它承担什么

simulation filter shader / callback

按 pair/属性筛选及请求 flags，见 E3/E5

任意读写正在推进的 scene；假定 query filter 一并生效

custom geometry callbacks

在 narrow phase/query 定义几何答案

修改 Scene 或依赖一份无锁可变全局临时缓存

constraint solver-prep

由传入数据生成约束行，需可重入

直接积分 body、调用控制器副作用或替换后续所有 solver 阶段

contact modify

改现有接触点属性或 ignore

添加新 contact 数量、当最终力报告或常规 update loop

simulation event / contact report

取回事件与报告，见 E3/E4

把某次 callback 当独立物理步或完整传感器

particle / deformable GPU callback

在提供的 stream/event 契约上排自定义 GPU 工作

宣称 CPU 可直接读 D 指针；把排队完成当执行完成

Contact modify 契约 要求线程安全/必要时可重入、pair 开 eMODIFY_CONTACTS、actor 保持 awake；仅移除 callback 并不能清除 pair flag 对性能路径的影响。普通 modification 与 CCD 的 独立接口 也不可混为一谈。PxContactSet 暴露 point/normal/target velocity/impulse cap 等修改入口，这些是模型干预，不是测得同名物理量。

8.2 Jacobian、GPU array 和 autograd 是三个概念#

E2/E5 的 articulation Jacobian 解决速度映射、惯性矩阵和逆动力学等具体问题；本章的 \(\nabla C\) 是内部约束空间导数。二者都不自动构成可训练 rollout 的反向接口。端到端可微仿真需定义：

\[ s_{t+1}=\Phi_h(s_t,a_t,\theta),\qquad \frac{\partial L}{\partial\theta}\ \text{需要}\ \frac{\partial\Phi_h}{\partial s},\frac{\partial\Phi_h}{\partial a},\frac{\partial\Phi_h}{\partial\theta} \]

以及接触拓扑变化、clamp/限幅、休眠、迭代截断、缓存历史和非光滑点的导数约定。公开 PxArticulationReducedCoordinate、PxDirectGPUAPI 与本章 constraint/deformable/particle contracts 没有为上述完整 Scene step 提供通用 tape/backward 契约。本章结论限定为这些已核对的原生接口不能据此宣称端到端 autograd 支持；不把负面结论扩大成“外部研究或派生实现永远不能求梯度”。

CUDA 内核源码可读、zero-copy/interoperability 或把数组交给 PyTorch/Warp，都不会自动为 PhysX step 注册梯度。若另写有限差分、可微代理或 custom backward，应记录它自己的方程、实现、版本及与原仿真是否等价；当前没有实现或验证这类系统。RL 本身也不要求 simulator 可微，学习任务/奖励/优化器仍是 E5 的宿主层 职责。

8.3 多物理“有耦合”不等于“所有物理”#

本章有源码证据的 native 能力是刚体/约束、reduced-coordinate articulation、特定 FEM 体/面、PBD 粒子，以及受支持对象间的接触/attachment。它们有不同状态维度、材料 law、buffer 和同步边界，不能把所有物体装进一套 pose, velocity 就认为完整。

相机 RGB/depth/segmentation、材质光照、任务 reward、数据集 schema 和 sim-to-real 标定仍需宿主/应用实现；见 E4 与 E5。光学 mesh 变形可消费物理顶点结果，但不是 FEM kernel 自己产生图像。热/电磁/化学或未核实的专用流体模型，应明确标“本课程未找到所需原生接口/未覆盖”，不能用“multiphysics”宣传语补成已验收功能。

9. 易错点#

  • 同一名称对应不同层：shader、density、appliedForce、lambda、substep 都须沿类型/量纲/调用者解释。

  • 复制 PxCustomGeometry 不复制 callback 对象；返回有效 geometry 不保证 bounds/contact/query/mass 一致。

  • 未计 geometry margin 的 inertia、混用 actor/COM frame、把 body1 Jacobian 重复取负，都会改变约束模型。

  • 改数据块不 markDirty，或 callback 内违反阶段改 scene，不能靠提高 solver iterations 修复。

  • force limit 与 impulse cap、几何 tolerance 与求解残差、constraint getForce 与 total wrench 不能互换。

  • GPU Scene 有 CPU fallback；GPU library 有源码也仍需要外部 CUDA 运行环境。不得手动伪设内部兼容标志。

  • deformable collision/simulation vertex 索引可能不同；particle phase 也不是 rigid env_id。

  • device pointer/dirty flag/mirrored pointer 都不是已同步 CPU 快照；post-solve event 不自动回收应用异步任务。

  • FEM E、关节 k、粒子材料参数和渲染材质不具有统一数值含义；先核量纲、状态和 law。

  • Jacobian、梯度形函数和训练可微 rollout 是不同证据；当前源码身份也不能替代历史宿主 binary 身份。

10. 阅读练习与参考答案#

  1. 把临时 CylinderCallbacks 传给 PxCustomGeometry，再复制 geometry 给长期 shape，是否安全？

    不安全。geometry 复制保留同一个裸 callback 指针；临时对象释放后悬空。需由应用保持回调及依赖数据活着，直到所有使用者结束；之后还要核对并发和缓存更新。

  2. cylinder 高度从 H 变为 2H，只更新碰撞支持点够不够？

    不够。bounds、query、接触 cache 和质量/COM/惯量需要一致更新；固定密度下质量翻倍，横向惯量含 H² 项，不是简单所有分量乘 2。margin 非零还有另一质量计算路径。

  3. linear1=-n 再交给 Px1DConstraint，是否描述两个 attachment 的相对速度？

    通常不是。原生 J 已含负的 linear1/angular1；本章相对点速需两个 linear 字段都填 n，再各填 r×n。重复取负会变成速度相加。

  4. row 的 maxImpulse=10，hasDriveLimit=true，driveLimitsAreForces=true，simDt=0.002，最终上限是多少？

    按实际 helper 是 0.02（线性行为 N·s）；缺任一 flag 时为 10 N·s。不能照 eHAS_DRIVE_LIMIT 短注释的反向 unless 理解，也不能把 TGS 内部 h 随意替换 simDt。

  5. distance joint 的 tolerance=0.01 意味着残差小于 0.01 就退出 solver 吗？

    不是。它用于构造几何死区和单边误差；迭代预算另设。还需检查 min/max flags、spring flag 和刚度，默认 joint 不能称为已配置弹簧。

  6. 一行没开 eOUTPUT_FORCE，但仍修正了速度。getForce 为零是否说明无约束作用？

    不能。writeback 只累计带输出标志的行，断裂判断也使用这部分；还需辨清 scene/激活/断裂状态和采样阶段。报告不含所有外力。

  7. custom geometry 在普通 GPU scene 可用，因此也能和 cloth 碰撞、并完全在 GPU 跑？

    不成立。rigid custom pair 有 CPU fallback，cloth/custom 分支有过滤限制；具体 pair、PCM、contact modification 都影响路径。CPU 虚函数不会自动成为 GPU kernel。

  8. 为了 Direct GPU，把 custom constraint 的 eGPU_COMPATIBLE 打开是否够了？

    不够且公开 setter 禁止。官方 D6 的内建路径和数据格式才有相应支持；DistanceJoint/custom solver-prep 的 CPU 链不能据此迁移。

  9. FEM volume 有 400 个 collision 顶点、120 个 simulation 顶点，复制哪个长度作为完整求解状态？

    两者分别有自己的缓冲/语义；simulation position/velocity 用 120，collision position/rest 用 400，不能互换。完整恢复还要初态/拓扑/参数/同步，单一位置数组不是完整 checkpoint。

  10. 把无量纲 FEM C 的乘子 ell 除以 dt 能直接得力吗？

    按本章无阻尼 co-rotational 更新，ell 量纲是 ML²，除以 T 不是力。它还需通过梯度/具体离散方程解释，不能仿照刚体冲量读回。

  11. 粒子数组叫 mDensity，是否可直接当 kg/m³ 传感器输出？

    不能。所引 kernel 写入的是截断密度误差乘预计算 scale；局部 mass=1。必须追溯内部归一化、用途和对外 API，名称不足以证明物理单位。

  12. 接到 post-solve event，能立即在 CPU 读取 GPU buffer，或让下个 step 自动等自己的 kernel 吗？

    都不能这样推断。先让用户 stream 等事件，再安排读/拷贝，CPU 等拷贝完成；应用额外写入还须在下次引擎访问前建立依赖。particle callbacks 另有提供 stream 与 fetchResultsParticleSystem 的契约。

  13. Direct GPU Jacobian 可读，是否完成可微仿真？

    没有。它不提供整步状态/动作/参数的反向传播及非光滑点约定。外部代理/有限差分/custom backward 是另一个实现和验证对象；当前只完成源码课程。

11. 本章完成范围与后续入口#

B6/B7 已建立扩展协议、CPU DistanceJoint 从配置到输出的完整追踪、公开 GPU 调度/内核地图、FEM/particle 状态与代表性数值路径，以及宿主/可微/多物理边界。此处“源码课完成”不表示逐行证明所有后端或已运行任何示例。新的原生片段只有 syntax/type 检查；公开源码与实际硬件/运行能力分开记录。

E7 仍待完成 A0 安装专题与双路线整体审校，包括统一先修、术语、未决项和 DexLab 原批次复用入口；当前不自动开展安装/原生构建。本仓先解释引擎，实验最终复用 DexLab，保留原版本、配置与工况，不新增评分器或比较排名。

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