OmniBody软体模拟：GPU粒子实时实现切割、剥皮与断裂

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据80.lv报道，韩国科学技术院（KAIST）的研究人员开发出一款名为OmniBody的软体模拟框架，能够在实时环境中模拟物体的切割、剥皮与断裂，而无需进行复杂的网格重构。该研究由Jewoo Shin与Jinah Park主导，其核心是用对齐的椭球粒子替代传统网格，并通过局部约束计算实现物体的全局形变。相关成果于2026年10月12日作为SIGGRAPH 2026动画与模拟海报论文发布，论文全文可见于ACM数字图书馆。

从网格到粒子：软体模拟的范式之选

传统软体模拟依赖四面体或六面体网格，在形变时能呈现精细效果，但一旦涉及物体被切割或破碎，网格的拓扑变化便要求昂贵的重新划分流程，往往难以满足实时交互需求。据接受采访的Jewoo Shin介绍，OmniBody采用了体素对齐的有向椭球粒子作为模拟基本单元。相比传统质点粒子，每个椭球粒子携带更多形变信息，可以被看作一个微型单元，在计算方式上更接近有限元方法（FEM）。其中，碰撞、弯曲、弹性、体积保持和断裂被分解为独立的局部约束条件，这些约束在GPU上并行求解，绕过了有限元所需的矩阵组装或线性系统求解环节。

复杂行为如何从简单规则中涌现

基于扩展位置动力学（XPBD）框架，OmniBody将约束划分为两个层级：粒子级约束与邻居级约束。粒子级约束处理各向异性弹性与体积保持，控制每个椭球在受力下的缩放与恢复；邻居级约束则决定粒子间如何连接与分离。Jewoo Shin指出，求解器按照位置动力学的“预测-投影-更新”顺序，先解算位置约束，再依据各粒子构型更新形状，最后通过断裂约束决定是否断开连接。由于每个时间步被细分为更短的子步，系统能够稳定地向平衡态收敛。

GPU并行化：让64,000颗粒子实时运行

在性能测试环节，OmniBody展现了令人印象深刻的实时计算能力。根据研究团队公布的数据，在NVIDIA GeForce RTX 3080 Ti显卡上，一个包含8,000粒子（20³网格）的立方体场景，每帧模拟时间约为0.9毫秒；即便将规模提升至64,000粒子（40³网格），模拟耗时仍可控制在3.1毫秒以内。在更为复杂的切割拉伸立方体测试中，最坏情况下的峰值帧耗时也未超过10毫秒，达到了交互式应用所需的性能水平。Shin解释说，这一性能的关键在于体素化的邻居结构：约束被自然地沿x、y、z三个轴分解为三组独立集合，将原本最昂贵的Gauss-Seidel求解过程压缩为仅三轮扫描，使复杂度接近线性增长，与GPU的并行架构非常契合。

然而，Jewoo Shin也坦承当前版本的局限。为了保持各约束模块的可调性，GPU在执行时仍以大量小型顺序操作方式运行，由于许多操作会访问相同的数据，硬件不得不等待前一个操作完成才开始下一个，由此造成可观的开销。此外，每个粒子的内存布局目前优先考虑灵活性而非极致优化。研究团队已将约束整合与内存布局优化列为下一步的工作重点。

无需网格重划分：距离阈值驱动的材质断裂

OmniBody实现的两种破坏方式——撕裂与切割——均绕开了传统网格重构。撕裂由距离型断裂模型控制：粒子表面的距离理想情况下始终为零，当物体被拉扯至超出设定阈值时，相应约束被永久解除，物体便自然分离。更为巧妙的是，这一断裂阈值可以沿各轴分别设定，从而模拟纤维方向性的食材——例如更易沿特定纹理撕开的肉块。切割则更为直接：一个虚拟切割体（如平面）在穿过几何体时，将路径上遇到的接触约束全部停用，效果如同剪断一块果冻中的弹簧。

不过，Shin指出，精确复现特定裂纹形态尚无十足把握。当前所有粒子均设定为等质量，导致粒子在受力时反应趋同，夹捏作用只会分离最靠近接触点的粒子，而非沿预期路径向内传播。要解决该问题，需对每个粒子的逆质量进行差异化处理，以引导裂纹沿目标方向延伸——而这大概率需要引入可微求解方案。研究团队将这一课题列为未来研究的突破口。

视觉呈现与引擎落地的现实挑战

在仿真层面，OmniBody的约束并非源自严格的物理能量方程，因此其行为有时无法完全贴近真实物理世界的预期。Shin以单摆为例：由于当前公式未包含角动量项，物体无法像真实钟摆般往复晃动。在视觉层面，当前的渲染方案要么直接显示粒子本身，要么通过蒙皮网格跟随粒子运动。对于完全可破坏的模型而言，物体被切开后会暴露内部截面，而现有方法难以干净利落地渲染这些新暴露出的内表面。Shin建议，基于纹理的体积表达或高斯泼溅技术或许是更有前景的可视化路线。

在游戏引擎集成方面，现实环境通常包含大量动态交互物体，模拟器需在多样化的交互中维持稳定与高效。由于OmniBody本质上是真实物理行为的近似，特定情境下仍可能产生出乎意料的表现。多物体间的稳健交互与进一步的代码级优化，被视为顺利整合进商业引擎的必要工程条件。

FAQ：关于OmniBody的常见疑问

Q1: OmniBody能直接用于现有商业游戏引擎的制作流程吗？

**A1: 目前还不成熟。尽管模拟本身已具备实时性能，但从仿真视觉效果到内部物理约束稳定性的工程化打磨仍需大量工作。Shin强调，若追求完全可破坏的软体表现，现有技术的开销与调参难度均高于传统网格方案；游戏策划若只是需要预设的碎片效果，既定方案往往更高效。

Q2: 该技术的最大受益场景是什么？

**A2: XR交互。在虚拟现实或混合现实中，用户可以用双手自由抓取、揉捏、切割虚拟物体，既往的全局求解器或预设脚本难以承载这类非预设的交互模式。OmniBody的模块化粒子模拟具备天然的可交互属性，能大幅提升沉浸感。此外，沙盒类游戏也是极具潜力的应用方向——想象一下，在虚拟厨房里揉面、切面包、做菜，将是完全不同于固定动画的全新感官体验。

看向未来：通往更真实的可探索世界

OmniBody的价值并不在于取代所有既有仿真方案，而在于为高度交互的环境提供一种全新的物理交互深度。它用椭球粒子与模块化局部约束，在计算开销与物理丰富性之间找到了一种务实平衡。Jewoo Shin在采访中表露了对未来的期许：“我一直热衷于模拟与沙盒游戏，曾长久设想过一个可以像现实世界一样探索与操控物体的虚拟环境。”随着约束模块的进一步整合、内存布局的精细优化，以及可微质量分配模型的引入，这项技术有望成为XR应用与次世代交互游戏的重要基石，将玩家真正从预设脚本中解放出来。

歌坛新闻

KAIST研究人员开发的OmniBody用椭球粒子结合XPBD约束，在RTX 3080 Ti上实现每秒30帧的64K粒子软体切割与碎裂模拟，无需网格重划分。实时物理交互新范式。