游戏物理引擎.doc

游戏物理引擎1 Body2 Shape3 Joints物理引擎的工作流程就是对渲染场景的每一帧进行物理模拟，再对具有物理特性的模拟实体进行状态与受力分析。然后，进行碰撞检测，找出运动实体间相互的约束信息，并通过牛顿力学原理计算出每个实体新的位移和速度，从而更新实体的方位，获得新的虚拟场景。基本处理步骤如下： 物理模拟。以牛顿力学定理为基础，根据实体对象的物理属性，计算各种力对实体的作用，从而确定其运动状态。 计算各个实体对象所受的合力(Force)和(Torque)。合力采用向量叠加法计算，合力矩可用平行轴定理来计算。 进行碰撞检测。根据实体的运动状态检测他们之间的交互情况。一般的碰撞检测分为两个检测阶段：粗略检测阶段主要是利用物体的包围盒(AAB/BOBB/Sphere)，配合一种空间划分法(BSP/OCTree)来进行粗略的层次碰撞检测。目的是快速过滤掉没有发生碰撞的物体。如果物体的包围体发生碰撞，那么就进入到精细检测阶段进行更精细的判断。精细检测一半是基于三角形的碰撞。由于3D游戏世界中的物体模型都是有三角形网格组成的，因此在精细检测阶段可以找到确切的碰撞点坐标和碰撞法线。 如果有碰撞发生，响应碰撞并进行碰撞处理。一般用冲量定理来计算刚体碰撞后的速度。另外，物理引擎不知道也不必关心它进行模拟的对象是如何显示的。它根据对象的物理而非图形描述对这些对象的运动和交互过程进行模拟，该抽象化了的描述信息可以用于生成“追踪”模拟的显示。对象物理特性的图形显示则交给图形渲染系统来进行处理。Box2D是一款为2D游戏设计的刚体模拟物理库。程序开发人员可以在游戏中通过使用这个库，达到让物体遵守令人信服的轨迹，让虚拟世界的交互性体验更深。从游戏的角度来看，一个物理引擎的应用就是让动画程序运行时产生，而非预先记录设定。相比于花钱让一个动画师指挥者演员们跑来跑去记录轨迹，还不如请出牛顿先生作为指挥官。1 Body实体(Body)是物理引擎中可相互交互的基本对象。它包含了质量，质心位置和密度等属性。开发人员可以应用一个力，力矩或者脉冲到这个实体上。实体可以有静态的和动态的。静态实体自始至终都不动，并且不与其他静态实体相互碰撞。实体是形状的内在支撑。实体承载着具体的外形在世界中来回移动。在Box2D引擎中，实体所指的一直都是刚体。这意味着附着在同一个实体上的两个形状，绝不会发生相对位移而是保持着相对静止状态。在具体项目实施当中，开发人员通常需要保存一个指向他所创建的实体的指针。因为这样能够保证在后续部分之中他能够继续访问到这个实体的位置信息以便传递给图形绘制系统。不仅如此，保存指向实体的指针也让开发人员也可以在实体完成任务后轻松的把它从世界之中销毁掉。2 Shape形状(Shape)定义了一个Body所应该拥有的外形特征，可以使用多边形，矩形或者圆形之中的任意一个。形状同时也用来定一个实体的质量。这一功能让开发人员能够通过给定密度，Box2D将会计算出形状的面积从而求解出实体的质量属性。同时，形状还拥有摩擦力等属性。形状还可以带有碰撞过滤信息，能够防止某些特定的游戏物体发生碰撞。形状总是由一个实体所拥有，开发人员可以同时附加多个形状到一个实体上面。形状是一个抽象类，因此在Box2D中可以实现很多种具体的形状。只要开发人员下足够的功夫，是能够实现自定义的形状和相应的碰撞检测算法的。3 Joints关节(Joints)，两个刚体的链接部位，它可以影响和约束不同缸体之间的行为和运动方式。在游戏中的典型应用有滑轮，链条和合页等。通过各种巧妙的不同组合，各种关节能够拼凑出很多有趣的运动方式。一些关节提供有属性的限制指，因此开发人员能够控制运动的幅度。而有一些关节提供有马达，这些马达能够驱动关节以一定的速度运转知道这个力量或者是力矩消失。关节的马达能够通过很多种方式应用上。例如开发人员可以使用这个马达去模拟关节的摩擦：把关节的速率调为0，并且提供一个小的但是明显的最大动力值。然后这个马达将会试图保持关节运动直到负荷过强。Distance Joint最简单的一种关节就是远程关节，它指的是两个实体上的两个点之间的距离是常量的。当开发人员指定一个远程关节的时候，连接的两个物体必须已经摆放就绪。然后通过在世界坐标系中指定两个锚点，第一个锚点连接着实体1，而第二个锚点连接实体2。这些点将约束这两个实体之间的距离，如图1所示：图1 远程关节Revolute Joint转动关节强制将两个实体绑定到一个公共的锚点上，通常我们也叫做合页(hinge point)。转动关节只有一个自由活动的角度：绕着两个实体相对转动。它也叫做关节角度。如图2所示：图 2 转动关节Prismatic Joint柱状关节，这是一种能够允许两个实体之间沿着某个轴做相对位移的关节，并且能够防止他们之间有相对的旋转。总而言之他们只能在某一个方向上做自由运动。如图3所示：图 3 柱状关节柱状关节的定义和转动关节有点相似，只用填充它们的支点偏移量和力矩的力。转动关节有个隐面的轴，垂直于屏幕，而柱状关节需要一个平行于屏幕的轴，这个轴固定在两个实体之间和实体的运动保持相对静止。和转动关节相像，当使用Initialize()方法初始化柱状关节时，关节点的位置偏移量保持为0。Pulley Joint滑轮关节用来创建一个理想化的滑轮。滑轮的两根绳子端点绑定在一个静态的实体上，绳子绕过若干个动态的实体，当其中一个上升的时候其他的则在下降，绳子的总长度根据初始化时给出的值来决定。图 4 滑轮关节开发人员可以提供一个比例来模拟滑轮，这将导致其中一个滑轮一边扩大快于其他，在同一时间的约束力量是在一个较小的比另一边。开发人员可以通过这一原理来创建机械杠杆。当滑轮的一边完全展开式可能会遇到一些麻烦：在另一边将绳子的长度将会变成0。在这一点上，约束方程变成奇异方程，不能被解出。因此，滑轮的联合约束的最大长度可以达到任何一个位置。此外，开发人员还要控制游戏时长的原因，就是因为这个最大长度。Gear Joint如果开发人员需要创建一个精密的机械仪器，齿轮将成为一个重要的部件。原则上开发人员可以在Box2D中通过组合多个形状来模拟齿轮的“齿”。这种方法其实并不高效而且很容易让人感觉乏味。因为他们需要把齿轮的“齿”一根一根很仔细的连接起来。Box2D又一个更简单的创建齿轮部件的方法：齿轮关节。图5 齿轮关节为创建一个齿轮关节，开发人员需要两个使用转动关节或者柱状关节连接到地面的实体，开发人员可以随意组合这几种关节，而且Box2D需要在地面创建的时候同时也创建出了转