PhysX 和 NavMesh 在服务器的应用

原创

王亚昌

修改于 2020-06-03 15:07:54

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修改于 2020-06-03 15:07:54

文章被收录于专栏：王亚昌的专栏王亚昌的专栏王亚昌的专栏

一、引言

本文源于一个简单的想法 “在LINUX服务器进程中，加载Unity搭建的场景，并驱动AI在客户端的行为”，这个想法引发了一系列的思考：

物理引擎的选择
如何从Unity导出场景
如何用PhysX加载场景，并验证其正确性
如何驱动AI寻路
等等

带着上面的问题，作者花了大概两周的时间完成了组件选型、搭建、测试验证的工作，也整理完了这篇文章，分享给有相同疑问的同事。因此，本文主要侧重于工作流的介绍和工具的使用，原理的介绍只会在必须的情况下提及，更多的原理需要大家去自行查阅，比如PhysXAPI的使用、CharacterController的应用、Detour库的使用等，可以详读最后一节的参考文献。

下面开始，会逐步解决上面的问题，另外，列举一下文中用到的组件列表，方便大家提前查阅。

PhysX
PhysX Visual Debugger（PVD)
UnityPhysXExport
RecastNavigation
Microsoft Visual Studio
Premake5

首先是物理引擎的选择，这里选择了PhysX，主要有两个原因：

开源，支持Unity\UE3\UE4
有很多成功的游戏，已经成为腾讯内部的主流技术选型

下一节开始，会开始介绍Linux环境下PhysX环境的搭建。

二、 Linux环境PhysX搭建

1. 下载

下载PhysX，首先需要申请加入NVIDIAGameWorks，进入NVIDIA官网，找到PhysX下载页，然后按步骤操作就好，系统会自动审核，大概10分钟就可以搞定了。

得到授权后，可以进入github主页下载版本，地址如下：https://github.com/NVIDIAGameWorks/PhysX-3.4

2. 编译

PhysX的编译十分简单，github上写的也很清楚，开发机是linux64环境，所以直接进入PhysX-3.4-master/PhysX_3.4/Source/compiler/linux64文件夹，输入make执行即可，编译成功会生成一系列的静态和动态库。

[root@SH-todo-1412181717 /data/physx/PhysX-3.4-master/PhysX_3.4]# find -name "*.a"
./Lib/linux64/libLowLevelCHECKED.a
./Lib/linux64/libLowLevelAABBCHECKED.a
./Lib/linux64/libLowLevelDynamicsCHECKED.a
./Lib/linux64/libLowLevelClothCHECKED.a
./Lib/linux64/libLowLevelParticlesCHECKED.a
./Lib/linux64/libPhysX3VehicleCHECKED.a
./Lib/linux64/libPhysX3ExtensionsCHECKED.a
./Lib/linux64/libSceneQueryCHECKED.a
./Lib/linux64/libSimulationControllerCHECKED.a
./Lib/linux64/libLowLevelDEBUG.a
./Lib/linux64/libLowLevelAABBDEBUG.a
./Lib/linux64/libLowLevelDynamicsDEBUG.a
./Lib/linux64/libLowLevelClothDEBUG.a
./Lib/linux64/libLowLevelParticlesDEBUG.a
./Lib/linux64/libPhysX3VehicleDEBUG.a
./Lib/linux64/libPhysX3ExtensionsDEBUG.a
./Lib/linux64/libSceneQueryDEBUG.a
./Lib/linux64/libSimulationControllerDEBUG.a
./Lib/linux64/libLowLevelPROFILE.a
./Lib/linux64/libLowLevelAABBPROFILE.a
./Lib/linux64/libLowLevelDynamicsPROFILE.a
./Lib/linux64/libLowLevelClothPROFILE.a
./Lib/linux64/libLowLevelParticlesPROFILE.a
./Lib/linux64/libPhysX3VehiclePROFILE.a
./Lib/linux64/libPhysX3ExtensionsPROFILE.a
./Lib/linux64/libSceneQueryPROFILE.a
./Lib/linux64/libSimulationControllerPROFILE.a
./Lib/linux64/libLowLevel.a
./Lib/linux64/libLowLevelAABB.a
./Lib/linux64/libLowLevelDynamics.a
./Lib/linux64/libLowLevelCloth.a
./Lib/linux64/libLowLevelParticles.a
./Lib/linux64/libPhysX3Vehicle.a
./Lib/linux64/libPhysX3Extensions.a
./Lib/linux64/libSceneQuery.a
./Lib/linux64/libSimulationController.a
./Snippets/lib/linux64/libSnippetUtilsCHECKED.a
[root@SH-todo-1412181717 /data/physx/PhysX-3.4-master/PhysX_3.4]# find -name "*.so"
./Bin/linux64/libPhysX3GpuCHECKED_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3GpuDEBUG_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3GpuPROFILE_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3Gpu_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3CommonCHECKED_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3CHECKED_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3CharacterKinematicCHECKED_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3CookingCHECKED_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3CommonDEBUG_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3DEBUG_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3CharacterKinematicDEBUG_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3CookingDEBUG_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3CommonPROFILE_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3PROFILE_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3CharacterKinematicPROFILE_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3CookingPROFILE_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3Common_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3CharacterKinematic_x64.so
./Bin/linux64/libPhysX3Cooking_x64.so

PhysX提供DEBUG和RELEASE库，使用DEBUG库编译可以连接PVD进行调试，另外，因为执行时需要动态链接，所以也需要把动态库的路径添加到ld.so.conf配置中，完成配置后执行ldconfig刷新，同时也可以执行ldconfig -p进行检查是否添加成功。

[root@SH-todo-1412181717 /data/physx/PhysX-3.4-master/PhysX_3.4]# cat /etc/ld.so.conf
include ld.so.conf.d/*.conf
/data/physx/PhysX-3.4-master/PxShared/bin/linux64/
/data/physx/PhysX-3.4-master/PhysX_3.4/Bin/linux64/

3. DEMO测试

这里选择的是PhysX-3.4-master/PhysX_3.4/Snippets/SnippetHelloWorld.cpp进行测试，首先需要修改代码中的snippetMain为main，不然编译时会找不到main函数。同时编写makefile，这里的链接顺序不要错了，makefile内容如下

BINARY = $(patsubst %.cpp,%,$(wildcard *.cpp))

DEBUG_FLAG=-g -Werror -Wall -fPIC -fno-strict-aliasing -I ../../Include/ -I ../../../PxShared/include/ -DNDEBUG  \
        -L ../../Bin/linux64/ \
        -lPxFoundationDEBUG_x64 \
        -lPhysX3CommonDEBUG_x64 \
        -lPhysX3DEBUG_x64 \
        -lPhysX3CookingDEBUG_x64  \
        -lPhysX3PROFILE_x64 \
        -lPhysX3CommonPROFILE_x64 \
        -lPhysX3CharacterKinematicDEBUG_x64 \
        -L ../../Lib/linux64/ \
        -lLowLevel \
        -lPhysX3Extensions \
        -l PhysX3Vehicle \
        -l SceneQuery \
        -l SimulationController \
        -L ../../../PxShared/bin/linux64/ \
        -lPxFoundationDEBUG_x64 \
        -lPxPvdSDKDEBUG_x64 \
        -lPxFoundationPROFILE_x64 \
        -lPxPvdSDKPROFILE_x64 \
        -L ../../../PxShared/lib/linux64/ \
        -lPsFastXmlDEBUG \
        -lPxCudaContextManagerDEBUG \
        -lPxTaskDEBUG \
        -lpthread -ldl -rdynamic

RELEASE_FLAG = -Werror -Wall -fPIC -fno-strict-aliasing -I ../../Include/ -I ../../../PxShared/include/ -DNDEBUG  \
        -L ../../Bin/linux64/ \
        -lPxFoundation_x64 \
        -lPhysX3Common_x64 \
        -lPhysX3_x64 \
        -lPhysX3Cooking_x64  \
        -lPhysX3PROFILE_x64 \
        -lPhysX3CommonPROFILE_x64 \
        -lPhysX3CharacterKinematic_x64 \
        -L ../../Lib/linux64/ \
        -lLowLevel \
        -lPhysX3Extensions \
        -l PhysX3Vehicle \
        -l SceneQuery \
        -l SimulationController \
        -L ../../../PxShared/bin/linux64/ \
        -lPxFoundation_x64 \
        -lPxPvdSDK_x64 \
        -lPxFoundationPROFILE_x64 \
        -lPxPvdSDKPROFILE_x64 \
        -L ../../../PxShared/lib/linux64/ \
        -lPsFastXml \
        -lPxCudaContextManager \
        -lPxTask \
        -lpthread -ldl -rdynamic

#all:$BINARY)

all:SnippetHelloWorld.cpp
        g++ SnippetHelloWorld.cpp $(DEBUG_FLAG)

这里只编译SnippetHelloWorld.cpp测试，执行make all即可，生成a.out，执行a.out测试是否成功。

三、 PVD调试

上一小节，已经完成了PhysX在服务器端的编译，下面我们开始测试PVD和服务器进程的连通调试。

首先介绍一下PVD的工作原理，PVD启动后会监听127.0.0.1:5425端口，服务器上启动的进程，需要连接上PVD进行，连通后PVD界面上会出现服务器创建的场景。

1. PVD安装

PVD安装十分简单，进入NVIDA官方下载页，下载安装即可，启动后可以看到PVD的主界面，同时在当前机器上，telnet 127.0.0.1 5425可以连通，说明PVD正常启动，并监听端口成功。

下面是连接的示例代码：

    gFoundation = PxCreateFoundation(PX_FOUNDATION_VERSION, gAllocator, gErrorCallback);

    gPvd = PxCreatePvd(*gFoundation);
    PxPvdTransport* transport = PxDefaultPvdSocketTransportCreate(PVD_HOST, 5425, 10);
    if ( transport == NULL ) {
        printf("Transport Create failed\n");
    }
    int ret = gPvd->connect(*transport,PxPvdInstrumentationFlag::eALL);
    printf ("connect ret:%d\n", ret);

2. 搭建反向隧道

当前公司的LINUX开发机无法直接连上办公区的开发机，这里需要建立反向隧道。这里的反向隧道是把LINUX开发机上127.0.0.1:5425的请求，转到办公区的开发机上，这里才能实现和PVD的连通。

Mac开发机上建反向隧道比较简单，执行ssh -N -f -R 5425:127.0.0.1:5425 username@10.12.234.153 -p 36000就可以，其中10.12.234.153是开发机。

Windows开发机相对麻烦一些，作者先用的openssh测试，启动后进程没有常驻，最后用putty解决了，putty的配置如下所示：

配置完成后，点击open，登陆完成后，就可以连接上了。

这时可以在Linux开发机上telnet 127.0.0.1 5425端口，如果可以连通，就说明反向隧道已经建立成功。

3. 连通PVD测试

在Linux开发机上执行a.out，可以在PVD上看到服务器进程创建的场景，下图中的测试场景是从一个UNITY测试场景导出的。

下面开始介绍如何从一个UNITY测试场景导出在PhysX中可以加载的场景。

4. 场景导出

下载UnityPhysXExport(Github:github.com/tnqiang/UnitySceneExport2PhysX3

)，并按照说明操作，可以导出一份xml文件，需要注意的是，要把场景加到BuildSettings中，导出文件如下所示：

<PhysX30Collection version="3.3.4" >
    <UpVector >0 0 0</UpVector>
    <Scale >
        <Length >0</Length>
        <Mass >0</Mass>
        <Speed >10</Speed>
    </Scale>
    <PxMaterial >
        <Id >2253976624</Id>
        <DynamicFriction >0.6</DynamicFriction>
        <StaticFriction >0.6</StaticFriction>
        <Restitution >0</Restitution>
        <FrictionCombineMode >eAVERAGE</FrictionCombineMode>
        <RestitutionCombineMode >eAVERAGE</RestitutionCombineMode>
    </PxMaterial>

服务器端的加载配置并添加到场景中的代码如下：

    //load config
    PxDefaultFileInputData inputData("./MainScence.xml");
    PxCollection * collection = PxSerialization::createCollectionFromXml(inputData, *cooking, *registry );    
    if (NULL == collection) {
        printf("CreateCollectionFromXml failed\n");
        return;
    }

    //create scene
    PxSceneDesc sceneDesc(gPhysics->getTolerancesScale());
    sceneDesc.gravity = PxVec3(0.0f, -9.81f, 0.0f);
    gDispatcher = PxDefaultCpuDispatcherCreate(2);
    sceneDesc.cpuDispatcher    = gDispatcher;
    sceneDesc.filterShader    = PxDefaultSimulationFilterShader;
    gScene = gPhysics->createScene(sceneDesc);
    gScene->addCollection(*collection);

四、从Unity场景导出NavMesh

从Unity场景导出NavMesh的方法，查到的资料主要有两种方法，这两种方法都是基于Recastnavigation库。

方法一是使用CritterAI库，安装插件到Unity中，项目地址在https://github.com/kbengine/unity3d_nav_critterai ，项目主页上介绍的方法比较简单，但依赖于地形数据，比较耗性能，网上还有一篇采用query_tag选项导出的方法，尝试多次后没有成功，所以放弃了这一方法。

方法二是直接使用Recastnavigation库，这里主要介绍下这种方法的导出过程。

Recast/Detour在线手册http://masagroup.github.io/recastdetour/index.html ，有兴趣的同学可以研究下。

1. 导出场景描述的OBJ文件

从wiki上的源码，生成两个cs文件ObjExporter.cs和EditorObjExporter.cs

http://wiki.unity3d.com/index.php?title=ObjExporter

把两个文件放到当前项目Assets/Editor文件夹下，然后选择一个网格对象，在 Custom 菜单中根据需要选择导出为 Obj 文件，文件将被保存在项目目录中，扩展名为.obj的文件。

2. 安装Recastnavigation库

首先要从github主页下载项目，https://github.com/recastnavigation/recastnavigation。

下载完后，根据主页上的说明，下载premake5，放到RecastDemo下，通过cmd命令行，生成vs2010依赖的编译文件，premake5的使用方法这里不再介绍，执行的命令如下：

premake5.exe —os=windows vs2010

然后需要下载SDL2库，进入http://www.libsdl.org/download-2.0.php ，下载SDL2-devel-2.0.5-VC.zip即可，下载完成后放到RecastDemo/Contrib目录下，如下图所示：

用vs2015打开项目，执行编译（如果出现了连接错误，可以尝试将项目——项目属性——配置属性——连接器——清单文件——嵌入清单 “是”改为“否”），编译成功后，可以在bin目录下找到RecastDemo.exe文件，双击打开即可。Demo中提供了两个测试场景，在InputMesh中选择其中一个进行加载，关于Recastnavigation的使用，这里不再详述.

3. 导入场景文件，导出NavMesh文件

把上面导出的.obj文件放到Bin/Meshes下，然后选择目标obj文件，执行Build，即可完成NavMesh的构建，如下图所示：

右侧支持调整参数，调整完成后点击build可以再次生成，确认OK后点击save即可生成服务器可以使用的navmesh.bin文件。

五、服务器加载NavMesh文件

1. Linux环境，Recastnavigation环境搭建

服务器加载NavMesh文件，需要用到Recastnavigation中的Detour库，所以，首先需要在Linux开发环境，搞完编译问题。

把之前下载的Recastnavigation，在Linux下解压，并在Detour的Source目录下创建makefile，Detour库没有任何外部的依赖，所以编译比较简单，编译生成一个静态库。

OBJS = $(patsubst %.cpp,%.o,$(wildcard *.cpp))
FLAG=-g -Werror -Wall -fPIC -fno-strict-aliasing -I ../Include/ 

TARGET = libdetour.a
all:$(TARGET)

$(TARGET):$(OBJS)
        ar q $@ $(OBJS)

%.o:%.cpp
        g++ -c $< $(FLAG) 

clean:
        rm -rf $(TARGET) $(OBJS)

编译成功后，在之前的demo编译的makefile中，加下对Detour库的链接。

DETOUR = -I /data/physx/recastnavigation-master/Detour/Include/ -L /data/physx/recastnavigation-master/Detour/Source/ -l detour

#all:$BINARY)

all:SnippetHelloWorld.cpp
        g++ SnippetHelloWorld.cpp $(DEBUG_FLAG) $(DETOUR)

2. 加载NavMesh文件

加载NavMesh文件，需要用到Detour中的dtNavMesh类，类提供了Init接口，但是使用RecastDemo导出的bin文件，不能直接用使用Init接口打开，因为这里用到了自定义的头部结构，头部结构定义在Sample_TileMesh.cpp中，如下所示：

struct NavMeshSetHeader
{
    int magic;
    int version;
    int numTiles;
    dtNavMeshParams params;
};

struct NavMeshTileHeader
{
    dtTileRef tileRef;
    int dataSize;
};

RecastDemo生成的文件头部是NavMeshSetHeader结构，而不是MeshHeader，这里官方没有一个很好的说明，详细可以看下面的加载代码:

    FILE* fp = fopen(path, "rb");
    if (!fp) return 0;

    // Read header.
    NavMeshSetHeader header;
    size_t readLen = fread(&header, sizeof(NavMeshSetHeader), 1, fp);
    if (readLen != 1)
    {
        fclose(fp);
        return 0;
    }
    if (header.magic != NAVMESHSET_MAGIC)
    {
        fclose(fp);
        return 0;
    }
    if (header.version != NAVMESHSET_VERSION)
    {
        fclose(fp);
        return 0;
    }

    dtNavMesh* mesh = dtAllocNavMesh();
    if (!mesh)
    {
        fclose(fp);
        return 0;
    }
    dtStatus status = mesh->init(&header.params);
    if (dtStatusFailed(status))
    {
        fclose(fp);
        return 0;
    }

初始化成功后，就可以读取所有的Tiles

    // Read tiles.
    for (int i = 0; i < header.numTiles; ++i)
    {
        NavMeshTileHeader tileHeader;
        readLen = fread(&tileHeader, sizeof(tileHeader), 1, fp);
        if (readLen != 1)
        {
            fclose(fp);
            return 0;
        }

        if (!tileHeader.tileRef || !tileHeader.dataSize)
            break;

        unsigned char* data = (unsigned char*)dtAlloc(tileHeader.dataSize, DT_ALLOC_PERM);
        if (!data) break;
        memset(data, 0, tileHeader.dataSize);
        readLen = fread(data, tileHeader.dataSize, 1, fp);
        if (readLen != 1)
        {
            fclose(fp);
            return 0;
        }

        mesh->addTile(data, tileHeader.dataSize, DT_TILE_FREE_DATA, tileHeader.tileRef, 0);
    }

    gMeshQuery = dtAllocNavMeshQuery();
    if (!gMeshQuery) {
        printf("alloc nav mesh query failed\n");
        return -1;
    }

    static int max_node = 1024;
    status = gMeshQuery->init(mesh, max_node);
    if (dtStatusFailed(status)) {
        printf("nav query  init failed\n");
        return -1;
    }

到此，navmesh结构已经构建完成，MeshQuery对象也完成初始化，下一步可以用MeshQuery对象进行寻路。

3.关于坐标系

在寻路测试中，碰到一个很奇怪的问题，在LINUX寻路控制一个角色移动时，发现角色会穿墙，对比了RacastDemo中的测试路径和PVD中的移动轨迹发现二者是镜像关系，这才发现原来是坐标系的问题。

Unity采用的是左手坐标系，PVD中可选左手\右手，当然这里设置的是左手，而RecastNavigation中采用的是右手坐标系。

实测发现，RacastNavigatoin里的坐标点和Unity中的坐标点，只有X坐标是反的。也就是说Unity中的（20, 1, 30)，对应NavMesh中应该是(-20, 1, 30)。所以这里在调用Detour API的时候，坐标系的X坐标需要乘上-1转换为右手坐标系，得到的路径点座标结果，也需要再乘上-1，还原为左手坐标系。

这里建议大家把坐标转换封装起来，对上层调用的人来说，就不需要关注坐标的问题了。

4. 寻路测试

下面，我们来测试下服务器的寻路，这里的测试方法是，在RecastDemo中选择一个路径，在服务器上输出起始点，在PVD上观察角色移动的路径，是否和RecastDemo中一致。

首先我们在RecastDemo中选择一个测试路径：

起点在(24.53, 0, -18.70), 终点在(-24.03, 0, 27.95).

在服务器上输出起始点，因为坐标系的原因，这里的X是取反的，另外，因为Y轴没有变化，所以暂不输出Y坐标。

start:-24.530001 0.000000 -18.700001
end:24.030001 0.000000 27.950001
start_poly:5505024 end_poly:7143425
path_count = 26
straight_path_count:9
24.530001 0.000000 -18.700001
30.800003 0.200000 -15.999999
30.500004 0.200000 -13.899999
14.000003 0.200000 4.700002
-1.899998 0.200000 23.000004
-10.899999 0.200000 29.000004
-13.899999 0.200000 32.900002
-15.999999 0.200000 33.200005
-24.030001 0.000000 27.950001

测试一共经过9个点后，到达目标。

在PVD上，可以看到实际的模拟情况，这里抽取了几个截图。

测试结果显示，服务器的寻路结果和RecastDemo中是一致的。

六、总结

回头我们最初的问题，如何从“Unity中，导出物理场景给服务器使用，同时借助NavMesh实现在场景中的角色导路”，借助于上面的工具，这个问题已经实现，最后我们再总结下具体的工作流。

工作流启动于Unity中的场景修改后，需要依次执行以下步子骤：

使用UnityPhysXExport生成PhysX加载的配置，同步到服务器，现在的格式是XML文件。
导出场景描述文件.obj，采用RacastDemo生成.bin文件，同步到服务器，现在是二进制的bin文件。
连接PVD，检查步骤1生成的配置是否OK；测试几次寻路点，检查步骤2生成的NavMesh文件是否OK。

最后附上参考资料和API手册。

七、参考资料

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

linux

unity

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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