Taichi Play

一组用 Taichi 实现的 2D 物理模拟 demo，从离散刚体到 MPM 多材料流体。

依赖

• Python 3.12+
• taichi 1.7.4
• numpy
• uv

Demo 列表

1. ball_physics.py —— 离散小球瀑布级联

300 个小球从顶部掉落，经过 7 层 30° 交错斜板，沿斜板滑落、从缝隙掉到下一层，最终掉出画面自动删除。

• 物理：线段碰撞检测 + 球-球弹性碰撞（O(n²) pairwise）
• 渲染：3D GGUI，斜板用木色 mesh

uv run python ball_physics.py

2. water_mpm.py —— 最小可跑的 2D MPM 水

88 行级别的极简 MPM 演示，无挡板。8192 个粒子从顶部一团掉下来，撞到地面、墙壁、自身翻滚堆积。用来学习 P2G / grid update / G2P 三步循环。

• 物理：APIC + 弱可压缩水（只追 J）
• 没有邻居查找，背景网格处理一切

uv run python water_mpm.py

3. water_cascade.py —— MPM 水 + 瀑布级联 + 实时 GUI

把 water_mpm.py 和 ball_physics.py 拼起来：MPM 水流过 7 层 30° 挡板。运行时窗口左上有 GUI 面板：

• 4 个材料预设按钮（water / honey / splash / mud）一键切换
• 4 个滑条（gravity / E / FRIC / substeps）实时调
• reset particles 按钮重洒粒子

uv run python water_cascade.py

4. try_elements_2d.py —— taichi-elements 2D（外部库对照实验）

用官方 taichi-elements 库做同样的事，对比"自己写"和"用库"的差异。需要先 clone 库：

git clone https://github.com/taichi-dev/taichi_elements ~/code/taichi_elements

如果路径不是 ~/code/taichi_elements，要改 try_elements_2d.py 顶部的 ELEMENTS_PATH。

uv run --with taichi python try_elements_2d.py

操作：

• R 键：重置场景（水/jelly/沙重新掉下来）
• ESC 键：退出

⚠️ Mac 兼容性：

• Metal 后端不支持 Pointer SNode（稀疏网格），代码里强制用 ti.cpu 后端
• 启动有一堆 int32 implicit cast 警告，是 Taichi 0.8 → 1.7 API 漂移留下的，不致命

5. water_cascade_elements.py —— taichi-elements 版的瀑布级联

把 water_cascade.py 的场景（7 层挡板）用 taichi-elements 重写一遍。比我们手写版的水更像真水：手写版 E=400 看起来像浆糊，elements 默认 E=1e6 才是真水级的不可压缩流体。

关键设计：

• 挡板：库的 add_surface_collider 只能做无限半平面，做不出有限长挡板。改用 add_sphere_collider(surface_slip) 沿挡板线段串一串小球（63 个 collider）
• 批量 collider 优化：原生 API 给每个球注册一个独立 ti.kernel，CPU 上 90+ 次 kernel 启动直接卡到个位数 FPS。我们手写一个 batched kernel，把所有球的 SDF 检查塞进一次网格遍历，FPS 提升 5-10 倍
• 流出屏幕：unbounded=True 让水飞出 [0,1] 后自动消失
• 每 5 秒喷一坨水（墙钟时间，不是帧数）

# 同样需要先 clone taichi_elements 到 ~/code/taichi_elements
uv run --with taichi python water_cascade_elements.py

操作：R 重置场景 | ESC 退出

Demo 之间的对比

Demo	算法	粒子数	关键代码量	适用
ball_physics.py	离散刚体	~300	~270 行	学习碰撞 / 离散物理
water_mpm.py	MPM	8192	~110 行	学习 MPM 最小骨架
water_cascade.py	MPM + 挡板 + GUI	10000	~230 行	实战、调参、出效果（看起来像浆糊）
try_elements_2d.py	MPM（外部库）	自动	~80 行	看高层库怎么封装
water_cascade_elements.py	MPM（外部库）+ 挡板	~3000	~150 行	真水视觉效果，性能受 CPU 限

Prompt 实现方式（ball_physics.py）

用 taichi 做一个 2D 小球物理模拟：
- 球从顶部掉落，约每秒 5 个
- 7 层 30° 交错斜板，边缘在中间相接，形成瀑布级联
- 球沿斜板滑落，从缝隙掉到下一层，最终掉出画面自动删除
- 斜板用 mesh 渲染为木色填充矩形
- 纯 2D 物理（线段碰撞检测），无顶板底板
- 固定相机正对 XY 平面