虚幻引擎 5 PanelCloth 布料系统深度解析:从原理到生产实践¶

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源视频信息: - 标题:[UFSH2025]虚幻引擎布料模拟现状 PanelCloth新功能和使用技巧 | 肖月Epic Games 开发者关系 TA - 时长:38分14秒 - 视频链接:https://www.bilibili.com/video/BV1Gs1nBdEED
AI 生成说明: 本文由 AI 基于视频内容生成,部分代码示例为 AI 根据上下文补充,仅供参考。
导读¶
核心观点: 1. UE5.3+ 引入的 PanelCloth(面板布料) 系统是 Chaos 物理引擎下的新一代布料解决方案,通过独立资产管理和 DataFlow 节点图实现了更强的可控性和灵活性。 2. 新布料系统解决了传统 Skeletal Mesh 布料按材质分区、权重绘制不便、缺乏自碰撞等核心痛点,尤其适合需要高质量动态表现的游戏和影视项目。 3. 在生产实践中,布料稳定性(防穿插、碰撞优化)和性能预算的平衡是关键,需要通过子步优化、碰撞简化、LayerConstraint 等手段综合调控。
前置知识: - 熟悉 UE5 的 Skeletal Mesh 和动画蓝图 - 了解基本的物理模拟概念(约束、碰撞检测、子步) - 对 DataFlow 节点图有初步认识(类似蓝图或材质编辑器)
一、背景与痛点:为什么需要 PanelCloth?¶
1.1 传统布料系统的局限性¶
在 UE5.3 之前,虚幻引擎的布料系统主要依赖于 Skeletal Mesh Editor 中的 Chaos Cloth 功能。这套系统虽然可用,但在实际生产中暴露出以下核心问题:
图:Skeletal Mesh Editor 中的传统布料编辑界面
问题一:按材质分区的设计缺陷
传统布料系统按 Material Section 创建布料数据,这意味着: - 角色服装上材质不同的区域会被拆分成独立的模拟数据 - 不同材质的布料区域之间 无法交互,也 无法发生自碰撞 - 这导致多层服装(如内衬+外套)无法实现真实的层级碰撞效果
问题二:权重绘制体验不佳
尽管 Chaos Cloth 支持通过权重图(Weight Map)精细控制物理属性(如刚度、阻尼),但在 3D Viewport 中绘制权重并不直观: - 缺乏类似 DCC 软件(Maya/Blender)的权重绘制工具 - 调整反馈周期长,美术迭代效率低
问题三:与骨骼网格体强耦合
布料数据嵌入在 Skeletal Mesh Asset 中,导致: - 无法独立管理布料配置 - 多角色共享布料资产困难 - 版本迭代和协同工作流受限
1.2 PanelCloth 的设计目标¶
为了解决上述痛点,Epic Games 在 UE5.3 引入了 PanelCloth(面板布料) 系统,核心设计理念包括:
- 独立资产管理:布料配置从 Skeletal Mesh 中解耦,作为独立的
.uasset存在。 - DataFlow 节点图编辑:提供可视化、结构化的编辑方式,类似材质编辑器。
- 统一模拟域:支持跨材质区域的布料交互和自碰撞。
- 更强的美术控制:通过权重图、Vertex Color、Attribute Map 等多种方式实现精细控制。
图:PanelCloth 独立资产创建界面
二、核心原理解析:PanelCloth 的技术架构¶
2.1 资产结构与 DataFlow 工作流¶
PanelCloth 的核心是 Chaos Cloth Asset,它是一个独立的布料配置资产。与传统布料不同,PanelCloth 使用 DataFlow Graph 来定义布料的物理行为。
图:DataFlow 节点图编辑界面
DataFlow 节点图的优势:
- 模块化设计:每个节点代表一个物理特性(如弯曲约束、碰撞设置、空气阻力)。
- 可复用性:节点图可以保存为模板,在不同角色间共享。
- 实时预览:修改节点参数后,可以在编辑器中实时看到效果。
初始模板节点:
创建新的 Chaos Cloth Asset 时,引擎会自动生成一套默认模板节点,包括: - Simulation Config:模拟配置(时间步、迭代次数) - Material Properties:材质属性(弹性、阻尼、质量) - Collision Settings:碰撞设置(简单碰撞、复杂碰撞) - Constraints:约束类型(距离约束、弯曲约束、体积约束)
图:默认模板节点结构
2.2 布料物理模型:从 PBD 到 XPBD¶
PanelCloth 基于 XPBD(Extended Position Based Dynamics) 算法,这是 PBD 的改进版本。
PBD vs XPBD:
PBD(Position Based Dynamics): - 优势:计算效率高,易于实现。 - 劣势:结果依赖迭代次数,难以保证物理准确性。 - 适用场景:对物理精度要求不高的游戏场景。
XPBD(Extended Position Based Dynamics): - 优势:引入刚度系数(Stiffness)和时间步修正,物理行为更稳定。 - 劣势:计算成本略高于 PBD。 - 适用场景:需要精确控制布料刚度和阻尼的高质量项目。
核心约束类型:
PanelCloth 支持多种约束(Constraint),每种约束控制布料的不同物理属性:
- Distance Constraint(距离约束):
- 控制布料的拉伸和压缩行为。
-
参数:
Stiffness(刚度)、Damping(阻尼)。 -
Bending Constraint(弯曲约束):
- 控制布料的抗弯刚度。
-
参数:
Bending Stiffness(弯曲刚度)。 -
Volume Constraint(体积约束):
- 保持布料的体积不变(如充气的气球)。
-
参数:
Volume Stiffness(体积刚度)。 -
Animation Capture Constraint(动画捕捉约束):
- 让布料部分跟随动画运动,部分自由模拟。
- 参数:
Animation Drive Stiffness(动画驱动刚度)。
2.3 权重传递与蒙皮绑定¶
PanelCloth 提供了强大的 权重传递工具(Weight Transfer),可以将角色骨骼的 SkinWeight 自动传递到布料模型上。
图:权重传递节点界面
权重传递算法:
UE5 的权重传递算法不同于传统 DCC 软件的"按位置传递": 1. 首先将身体权重传递到 法线接近且距离最近 的布料顶点。 2. 然后通过 平滑扩散 算法,从已匹配的点向周围未匹配的点传递权重。
这种算法的优势是: - 权重过渡更平滑、自然。 - 对复杂拓扑结构(如褶皱、折叠)的适应性更强。
避坑指南:复杂区域的权重处理
在实际应用中,以下区域的权重传递容易出现问题: - 松垮区域:裙摆、袖口等。 - 转折区域:腋窝、膝盖窝、肘关节。
解决方案:使用 Mask Map 引导权重传递
图:通过 Mask Map 标记复杂区域
可以绘制一张黑白 Mask Map,标记复杂区域(黑色),然后输入到权重传递节点: - 黑色区域会被强制 不直接从身体模型传递权重。 - 而是根据周围已匹配的点进行 平滑推导。
对比效果如下:
图:左侧为未使用 Mask 的效果(权重不平滑)
图:右侧为使用 Mask 引导后的效果(权重过渡自然)
2.4 动画捕捉约束:过渡区域的艺术控制¶
Animation Capture Constraint 是 PanelCloth 的核心功能之一,它允许布料的某些区域 部分跟随动画、部分自由模拟。
图:动画捕捉约束节点配置
工作原理:
对每个布料顶点建立一条指向 蒙皮位置 的弹簧约束: - 约束强度由 Vertex Color 或 Weight Map 控制。 - 在模拟过程中,将模拟点向动画位置"拉",拉力大小取决于权重。
实战案例:裙子腰部固定 + 裙摆自由模拟
图:裙子腰部固定,裙摆自由模拟的权重分布
通过渐变的 Weight Map: - 腰部区域:权重 = 1.0,完全固定在动画位置。 - 裙摆区域:权重 = 0.0,完全自由模拟。 - 过渡区域:权重 = 0.5,部分跟随动画、部分模拟。
这样的好处是: - 裙子腰部的褶皱设计可以得到保持。 - 裙摆可以自然地随角色运动飘动。
高级用法:特殊动作的纠正
图:角色下蹲时的布料纠正示例
当角色下蹲时,长袍可能会穿插堆叠在脚跟处。可以在 AnimBP(动画蓝图) 中: 1. 检测角色的 Crouch 状态。 2. 动态修改布料的 Animation Drive Stiffness 参数(通过 ClothOutfitInteractor 接口)。 3. 将裙摆的动画位置稍微抬高,让布料自然铺在角色身后。
图:动画蓝图中动态调整布料参数的示例
以下是在动画蓝图中运行时修改布料参数的代码示例(由 AI 根据视频内容补充,仅供参考):
// [AI补充] 在动画蓝图中运行时修改布料参数的 C++ 示例
void UMyAnimInstance::UpdateClothParameters(bool bIsCrouching)
{
// 获取角色的 Skeletal Mesh Component
USkeletalMeshComponent* MeshComp = GetSkelMeshComponent();
if (!MeshComp)
{
return;
}
// 获取 Cloth Outfit Interactor 接口
UClothOutfitInteractor* ClothInteractor = Cast<UClothOutfitInteractor>(
MeshComp->GetClothingSimulationInteractor()
);
if (!ClothInteractor)
{
return;
}
// 根据下蹲状态动态调整 Animation Drive Stiffness
if (bIsCrouching)
{
// 下蹲时增强动画捕捉,让裙摆抬高
ClothInteractor->SetFloatParameter(
TEXT("AnimationDriveStiffness"), // 参数名(从 DataFlow 节点右键复制)
0.8f // 增强动画驱动强度
);
}
else
{
// 站立时恢复正常模拟
ClothInteractor->SetFloatParameter(
TEXT("AnimationDriveStiffness"),
0.2f // 降低动画驱动强度
);
}
}
关键点: - UE5.5+ 支持 运行时调整布料参数(之前的版本不支持)。 - 使用 ClothOutfitInteractor 接口代替旧的 ClothingSimulationInteractor。 - 参数名可以从 DataFlow 节点上 右键复制 Interactor Parameter Name。
图:从 DataFlow 节点复制 Interactor 参数名
三、深度进阶:布料模拟的稳定性与性能优化¶
3.1 运行时穿插问题:原因与解决方案¶
穿插问题的本质:
布料穿插(Penetration)是物理模拟中最常见的问题,尤其在角色快速运动时: - 碰撞体在一帧内移动距离过大。 - 离散碰撞检测(Discrete Collision Detection)无法捕捉到中间状态。 - 导致布料顶点"跳过"碰撞体,直接穿插到内部。
图:角色快速运动时的布料穿插示例
根本解决方案:增加子步(Substep)
最彻底的解决方案是设置更高的 Substep(子步) 数量: - 子步的作用是将一帧拆分成多个小的时间步进行模拟。 - 例如,帧率 60fps、子步 4,则每秒计算 240 次物理模拟。 - 碰撞检测更精确,穿插问题显著减少。
图:Substep 配置节点
但是……增加子步意味着性能开销成倍增长!
对于移动端或大世界游戏,高子步数是无法承受的。因此,实际生产中需要在 较低性能预算 下尽量避免穿插。
3.2 低性能预算下的防穿插策略¶
策略一:简化碰撞体
图:简化碰撞体的层级结构
碰撞体的复杂度直接影响穿插发生的概率: - 球体(Sphere): 最易处理,穿插概率最低。 - 胶囊体(Capsule): 次优选择,适合手臂、腿部。 - 方盒(Box): 适合躯干,计算成本中等。 - 凸包(Convex Hull): 计算成本高,慎用。 - 三角面网格(Triangle Mesh): 最复杂,后面会专门讨论。
最佳实践:
方案:基于球体和胶囊体的简化物理资产 - 🟢 优势:计算成本低,穿插概率最小,适合绝大多数游戏场景。 - 🔴 劣势:对复杂体型(如肌肉突起)的拟合精度不足。 - 🎯 适用场景:移动端、大世界游戏、多角色场景。
方案:基于凸包或三角面的复杂碰撞 - 🟢 优势:拟合精度高,适合特写镜头或影视级渲染。 - 🔴 劣势:计算成本高,穿插风险增加,需要更高子步。 - 🎯 适用场景:影视项目、过场动画、单角色特写。
策略二:利用空气动力学参数减少穿插
PanelCloth 提供了 Aerodynamics(空气动力学) 节点,可以通过风力模拟减少穿插。
图:空气动力学节点配置
Lift(升力)与 Drag(阻力):
- Drag(阻力): 平行于风和布料的相对速度,将布料速度向风的方向"拉齐",增强稳定性。
- Lift(升力): 垂直于风的相对速度,促使布料在风中翻滚、抖动,增强动态效果。
AutoDrag 和 AutoLift:
这两个参数用于分别控制: - 从外侧吹向布料的风(AutoDrag)。 - 从内侧吹起布料的风(AutoLift)。
实战技巧:降低 AutoLift 减少穿插
如果角色服装容易被风吹向身体导致穿插,可以适当降低 AutoLift 参数: - 减小从内侧吹起布料的风力。 - 从一定程度上减少布料向身体运动的趋势。
图:AutoDrag 和 AutoLift 参数配置
3.3 性能优化:子步与碰撞检测的平衡¶
关键问题:如何在有限的性能预算下最大化布料质量?
优化手段一:动态 LOD 控制
根据角色距离相机的远近,动态调整: - 子步数量:近处角色使用高子步,远处角色使用低子步。 - 碰撞复杂度:近处开启复杂碰撞,远处使用简单碰撞。
以下是动态 LOD 控制的蓝图示例(由 AI 根据视频内容补充,仅供参考):
// [AI补充] 根据距离动态调整布料 LOD 的 C++ 示例
void AMyCharacter::UpdateClothLOD()
{
// 获取相机位置
APlayerController* PC = GetWorld()->GetFirstPlayerController();
if (!PC || !PC->PlayerCameraManager)
{
return;
}
FVector CameraLocation = PC->PlayerCameraManager->GetCameraLocation();
float DistanceToCamera = FVector::Dist(GetActorLocation(), CameraLocation);
// 获取布料组件
USkeletalMeshComponent* MeshComp = GetMesh();
UClothOutfitInteractor* ClothInteractor = Cast<UClothOutfitInteractor>(
MeshComp->GetClothingSimulationInteractor()
);
if (!ClothInteractor)
{
return;
}
// 根据距离调整子步数量和碰撞复杂度
if (DistanceToCamera < 500.0f) // 近距离(5米内)
{
// 高质量:子步 = 6,开启复杂碰撞
ClothInteractor->SetIntParameter(TEXT("NumSubsteps"), 6);
ClothInteractor->SetBoolParameter(TEXT("EnableComplexCollision"), true);
}
else if (DistanceToCamera < 1500.0f) // 中距离(5-15米)
{
// 中等质量:子步 = 3,关闭复杂碰撞
ClothInteractor->SetIntParameter(TEXT("NumSubsteps"), 3);
ClothInteractor->SetBoolParameter(TEXT("EnableComplexCollision"), false);
}
else // 远距离(15米外)
{
// 低质量:子步 = 1,关闭复杂碰撞
ClothInteractor->SetIntParameter(TEXT("NumSubsteps"), 1);
ClothInteractor->SetBoolParameter(TEXT("EnableComplexCollision"), false);
}
}
优化手段二:自碰撞子步独立设置
图:自碰撞子步独立配置
自碰撞(Self-Collision)的计算成本远高于布料本身的模拟: - 每个子步需要检测所有顶点之间的穿插。 - 计算复杂度为 O(n²)(n 为顶点数量)。
因此,可以将 自碰撞子步 设置得比 布料模拟子步 更小: - 例如,布料模拟子步 = 6,自碰撞子步 = 2。 - 在保证布料动态平滑的前提下,减少自碰撞检测次数。
四、高级特性:复杂碰撞与自碰撞优化¶
4.1 复杂碰撞(Complex Collision):三角面网格碰撞¶
对于需要高精度拟合的角色(如肌肉线条明显的健美角色),简单碰撞体(球体、胶囊体)无法提供足够的精度。此时需要使用 复杂碰撞(Complex Collision)。
图:复杂碰撞配置节点
复杂碰撞的工作原理:
- 直接使用角色的 三角面网格 作为碰撞体。
- 布料顶点与三角面进行精确的碰撞检测。
- 计算成本远高于简单碰撞,但拟合精度最高。
性能优化建议:
- 简化网格: 使用 DCC 软件(Maya/Blender)或 UE5 的 Skeletal Mesh Editor 中的简面工具,减少三角面数量。
- 混合使用: 只在关键部位(如躯干)使用复杂碰撞,四肢仍使用简单碰撞。
- LOD 控制: 只在离相机较近的角色上开启复杂碰撞。
图:混合使用简单碰撞和复杂碰撞的物理资产
4.2 自碰撞(Self-Collision):点对点 vs 点对面¶
PanelCloth 提供了两种自碰撞算法:
方案一:点对点(Vertex-to-Vertex)自碰撞
图:点对点自碰撞示意图(左侧)
- 在每个布料顶点上放置一个小球。
- 检测这些小球之间的穿插。
- 优势: 计算效率高,适合游戏场景。
- 劣势: 精度较低,薄布料容易穿插。
方案二:点对面(Vertex-to-Triangle)自碰撞
图:点对面自碰撞示意图(右侧)
- 检测每个顶点与所有三角面之间的穿插。
- 优势: 精度最高,适合影视级渲染。
- 劣势: 计算成本极高,不适合移动端。
方案对比:
点对点自碰撞: - 🟢 优势:计算效率高,适合移动端和大世界游戏。 - 🔴 劣势:对薄布料(如丝绸)的精度不足,容易穿插。 - 🎯 适用场景:游戏实时模拟,多角色场景。
点对面自碰撞: - 🟢 优势:精度最高,适合特写镜头和多层服装。 - 🔴 劣势:计算成本极高,需要高性能硬件。 - 🎯 适用场景:影视项目,过场动画,单角色特写。
4.3 多层服装优化:Self-Collision Layer¶
多层服装的核心问题:
当角色同时穿着多层服装(如内衬+衬衫+外套)时: - 自碰撞检测需要处理所有层之间的交互。 - 如果没有明确的层级关系,布料容易纠缠、穿插。
图:多层布料互相堆叠纠缠的问题
解决方案:Self-Collision Layer(自碰撞层级)
图:Self-Collision Layer 配置节点
通过为每层布料分配一个 层级编号(Layer Index): - 低序号层 会将 高序号层 沿着法线方向向外推。 - 例如,内衬 = Layer 0,外套 = Layer 1,则外套会被内衬向外推开。
实战示例:裙子 + 外套的层级设置
图:通过 Int Map 设置自碰撞层级
- 使用
Self-Collision to Int-Map节点。 - 选择内层裙子,设置 Layer Index = 0。
- 选择外层外套,设置 Layer Index = 1。
- 输入到 Self-Collision 节点的
Layer参数。
图:设置层级后,多层布料稳定模拟
4.4 Chaos-Chaos 约束:辅助自碰撞的新方案¶
Chaos-Chaos Constraint 是 UE5.6 新增的功能,专门用于辅助自碰撞。
图:Chaos-Chaos 约束配置节点
工作原理:
在布料的任意两点之间预先建立 弹簧约束: - 约束被 压缩 时,产生排斥力(Repulsion)。 - 约束被 拉伸 时,产生吸引力(Attraction)。 - 两种力可以 分开控制。
与动态自碰撞的区别:
- 动态自碰撞: 每帧动态生成约束,计算成本高。
- Chaos-Chaos 约束: 预先生成固定的点对点约束,性能开销小。
适用场景:
用于 总是靠得比较近 的布料区域,如: - 多层服装的内外层。 - 衣领和上衣之间。 - 裙摆的前后层。
图:Chaos-Chaos 约束的排斥力和吸引力分开控制
实战建议:
- 在 DCC 软件中预先标记需要添加约束的点对。
- 导入 UE5 后,使用 Chaos-Chaos 约束节点建立连接。
- 设置 压缩刚度(Compression Stiffness)较高,拉伸刚度(Tension Stiffness)较低。
- 这样可以防止布料挤压穿插,同时保留自然的拉伸效果。
五、实战总结与建议¶
5.1 布料制作的工作流总结¶
完整工作流:
- 在 DCC 中准备模型:
- 创建角色身体和服装模型(布料拓扑要合理)。
-
绘制关键权重图(Max Distance、Animation Drive Weight)。
-
导入 UE5 并创建 Chaos Cloth Asset:
- 使用默认模板初始化 DataFlow 节点图。
-
配置碰撞设置(简单碰撞 + 复杂碰撞混合)。
-
调整物理属性:
- 根据布料材质(丝绸、棉质、皮革)调整刚度和阻尼。
-
设置动画捕捉约束,控制固定区域和模拟区域的过渡。
-
优化性能与稳定性:
- 调整子步数量,平衡质量和性能。
-
设置 LOD 规则,根据距离动态调整子步和碰撞复杂度。
-
运行时参数控制:
- 在动画蓝图中监听角色状态(下蹲、跳跃、奔跑)。
- 通过
ClothOutfitInteractor接口动态调整布料参数。
5.2 避坑指南¶
坑点一:忽略权重传递的复杂区域 - 现象: 腋窝、膝盖窝等区域的权重传递效果不佳,布料抖动或穿插。 - 解决方案: 使用 Mask Map 引导权重传递,强制这些区域根据周围点平滑推导。
坑点二:盲目增加子步导致性能崩溃 - 现象: 为了解决穿插问题,将子步设置得过高(如 10+),导致帧率暴跌。 - 解决方案: 优先简化碰撞体,使用 LOD 控制,而不是一味增加子步。
坑点三:自碰撞参数设置不当 - 现象: 多层服装模拟时布料纠缠、抖动剧烈。 - 解决方案: 设置 Self-Collision Layer,明确层级关系,或使用 Chaos-Chaos 约束辅助。
坑点四:运行时参数接口使用错误 - 现象: UE5.4 及更早版本使用 ClothingSimulationInteractor 接口无法生效。 - 解决方案: UE5.5+ 必须使用 ClothOutfitInteractor 接口。
5.3 最佳实践建议¶
游戏场景推荐配置:
- 子步: 2-4(根据设备性能调整)。
- 碰撞: 简单碰撞为主(球体 + 胶囊体),仅躯干使用复杂碰撞。
- 自碰撞: 使用点对点自碰撞 + Chaos-Chaos 约束辅助。
- LOD: 根据距离动态调整子步和碰撞复杂度。
影视场景推荐配置:
- 子步: 6-10(追求精度)。
- 碰撞: 复杂碰撞为主(三角面网格)。
- 自碰撞: 使用点对面自碰撞 + Self-Collision Layer。
- 缓存: 使用布料缓存(Cloth Cache)预先烘焙模拟结果。
5.4 学习资源推荐¶
图:官方学习路径和教程资源
Epic Games 提供了丰富的官方学习资源:
- 角色物理学习路径(Character Physics Learning Path):
- 包含每个版本的 PanelCloth 更新内容。
-
涵盖布料缓存、场景碰撞、机器学习布料等高级主题。
-
虚幻商城教程(Unreal Marketplace Tutorials):
-
提供多个布料制作的完整案例。
-
社区论坛和 Discord:
- 与其他开发者交流实战经验。
- Epic 官方 TA 会定期解答疑问。
六、总结与展望¶
PanelCloth 是 UE5 在物理模拟领域的重要进化,它通过独立资产管理、DataFlow 节点图、XPBD 算法等技术手段,为游戏和影视项目提供了高质量的布料解决方案。
核心要点回顾:
- 架构优势: 独立资产、可视化编辑、跨材质模拟、精细权重控制。
- 稳定性关键: 子步优化、碰撞简化、LOD 控制、动画捕捉约束。
- 高级特性: 复杂碰撞、自碰撞层级、Chaos-Chaos 约束。
未来展望:
- 机器学习布料(ML Cloth): 通过训练模型预测布料动态,进一步降低计算成本。
- GPU 加速: 未来版本可能支持更高效的 GPU 计算管线。
- 实时编辑: 在运行时通过 UI 动态调整布料参数,实现更强的艺术控制。
最后的建议:
在实际项目中,布料系统的配置需要根据 目标平台(PC、主机、移动端)、项目类型(游戏、影视、VR)和 美术需求 综合考量。没有"万金油"的配置,只有最适合你项目的方案。
希望本文能帮助你更深入地理解 PanelCloth 的技术原理,并在实战中灵活运用这些工具和技巧。如果你有任何疑问或想要交流更多 UE5 技术细节,欢迎加入我们的 UE5 技术交流群!
相关链接: - 官方文档:https://docs.unrealengine.com/5.6/en-US/chaos-cloth-in-unreal-engine/ - 角色物理学习路径:https://dev.epicgames.com/community/learning/paths/ - Chaos-Chaos 约束教程:https://dev.epicgames.com/documentation/
声明: 本文部分代码示例由 AI 根据视频内容补充,旨在辅助理解技术原理,实际应用时请参考官方文档进行调整。