Cocos2d-x学习笔记（十五）-------->物理引擎

物理引擎

Cocos2d-x引擎内置了两种物理引擎，它们分别是Box2D和Chipmunk，都是非常优秀的2D物理引擎，而且x引擎将它们都内置在SDK中。Box2D使用较为广泛，在这里选择Box2D来进行学习。

物理引擎模拟的内容：

重力：在游戏中模拟重力加速度，当游戏中人物跳跃起来后会受到重力影响而向下移动，在没有地面的场景，人物和物体会由于重力而做自由落体运动。

牵引力(动力)：在游戏中比如汽车的引擎，人物本身能够提供向前进行的动力，这种牵引力是持续不断地作用在物体上的，物体因此可以向作用力的方向移动。

摩擦力：物体在地面等接触面上移动时，会受到摩擦力的影响，它可以使正在运动的物体由于摩擦力的作用而停下来。

冲击力：比如爆炸会产生一次性的冲击力，会对爆炸范围内的物体产生一瞬间的力的作用，使其运动起来。

碰撞检测：当一个物体与另一个物体碰撞后，两个物体会因为碰撞发生作用力与反作用力，会让其之前的运动受到影响。

还有浮力、关节链接等等物理概念。

Box2D简介：

Box2D是由C++开发的一款轻量级的二维刚体仿真库，主要用于编写2D游戏，开发者可以使用它让游戏中的物体运动起来更真实。让游戏世界更具交互性。Box2D物理引擎是一个程序性动画系统。做动画常有两种方法：一种是预先准备好动画所需的图像数据，比如某种格式的 2D 图片，再一帧一帧地播放。这种预先准备的可称为数据性动画。另一种是以一定方法，动态计算出动画所需的数据，比如移动后的新位置、旋转的角度等等，根据这些数据再进行绘图。这种动态计算的可称为程序性动画。 Box2D就是用物理学的方法，推导出游戏世界物体的位置、角度等数据。而Box2D也仅仅是推导出数据，至于得到数据之后怎么处理就是开发者自己的事情了。

Box2D的一些基本对象：

物理世界world：一个物理世界就是各种刚体bodies、夹具fixtures、约束constraints等物理引擎中基本对象相互作用的集合。所有的物理对象都是在物理世界已经建立好的基础上，在物理世界中生成的。物理世界具有一个范围，在2D坐标系中，物理世界的范围就是一个矩形区域，区域内的物理对象可以相互作用，发生物理碰撞等影响，一旦物理对象到了区域之外，将不再进行物理运算，不再产生任何物理作用。Box2D支持创建多个世界，但这通常没有必要。物理世界是Box2D引擎最为重要的对象，游戏必须要持有物理世界对象，这样才能访问物理世界中的各种对象，知道它们的状态，然后将这些状态更新到游戏界面中反映出各种模拟的物理现象。

刚体rigid body：大多数游戏对象在物理世界中都被抽象成为刚体对象，它是物理世界中十分坚硬的物质，物理引擎假定刚体都是不会发生形变的，它上面任意两点之间的距离都保持不变。在Box2D物理引擎中，b2Body类就是代表刚体的类型。在设计实现物理游戏时，刚体通常都对应着游戏中的一个具有具体外形的角色。刚体在Box2D中主要分为两大类，一类是可以移动位置或者旋转的动态刚体，这种刚体通常用于表示游戏中的活动物体；另一类是位置无法移动和旋转的静态刚体，这种刚体通常用于表示游戏中的地面平台等静物。

夹具fixture：每个刚体都需要定义一个或者多个夹具，夹具是一个属性容器，它具有形状属性shape、密度属性density、摩擦属性friction和恢复属性restitution。当一个刚体具有了夹具之后，它就可以参与物理世界的碰撞检测，摩擦力运算和弹力运算了。

形状shape：2D几何外形对象，比如圆形circlr或者多边形polygon。形状定义好之后会被附加到某个夹具之上，作为夹具的外形属性存在，它是夹具的重要组成部分，家具在刚体碰撞运算时会通过形状来进行检测。形状类中保存的主要是形状的几何数据信息，比如一个圆形circle主要是保存它的半径信息，只要知道了半径就能知道圆形的具体大小；另一个比较常用的形状是四边形rect，它主要记录的是四边形的宽度和高度信息。

关节joint：关节就是种约束，用于将两个或多个刚体固定到一起。Box2D支持不同的关节类型——转动revolute、棱柱prismatic、距离distance等。比如卡通人物的手臂运动，就可以定义一个和人类一样的肘关节，关节两端是上臂和前臂两个刚体。一些关节可以有限制limits和马达motors。

关节限制joint limit：关节限制限定了一个关节点运动范围。例如人类的胳膊肘只能在某一角度范围内运动。

关节马达joint motor：根据关节的自由度，关节马达可以驱动关节所连接的物体。例如你可以使用一个马达来驱动一个肘的旋转。

在游戏中引入Box2D物理世界：

因为 x引擎内置了 Box2D物理引擎，所以需要物理引擎的地方只要引入 “Box2D/Box2D.h”头文件即可，以下代码就是建立物理世界，也就是初始化 Box2D物理引擎的过程，这个过程都是放在游戏场景初始化阶段，把物理世界对象作为游戏世界的一部分完成初始化过程。

//定义重力加速度
b2Vec2 gravity;
//设置垂直方向的重力加速度
gravity.Set(0.0f,-9.8f);
/*使用刚刚定义好的重力加速度生成物理世界对象，
这样世界中的所有对象都会受到重力加速度的影响*/
b2World* phyWorld = new b2World(gravity);
//物理世界的对象都参与碰撞检测，无休眠对象
phyWorld->SetAllowSleeping(false);
//连续碰撞检测，避免发生物体穿过另一个物体的事件
phyWorld->SetContinuousPhysics(true);
//设置碰撞监听器
phyWorld->SetContactListener(listener);

通过以上代码，就可以在 x引擎中建立一个物理世界，以上代码的最后一步，用于设置物理世界中各种物体碰撞的监听对象—— listener，它是 b2ContactListener类型。在物理引擎捕捉到世界中的物体对象发生碰撞后，会使用碰撞监听器 b2ContactListener的回调方法，来实现碰撞的发现和响应功能。我们要做的就是定义好一个碰撞检测器，实现它的碰撞回调函数。有以下函数需要实现。

virtual void BeginContact(b2Contact* contact)：碰撞开始时的回调函数，一般简单的碰撞检测使用；

virtual void EndContact(b2Contact* contact)：碰撞发生后的回调函数，一般简单的碰撞检测使用；

virtual void PreSolve(b2Contact* contact,const b2Manifold* oldManifold)：碰撞求解前的回调函数，求解就是指计算碰撞产生的冲击力，需要计算碰撞冲击力造成的破坏等效果时，需要使用此回调函数；

virtual void PostSolve(b2Contact* contact,const b2ContactImpulse* impulse)：碰撞求解后的回调函数，需要计算碰撞冲击力造成的破坏等效果时，需要使用此回调函数。

这四个回调方法中，前两个功能有限但使用起来简单，后两个提供的信息量大，但使用起来比较复杂，这个要根据游戏的具体要求而定，如果我们的游戏过程对物理要求不高，仅仅是实现碰撞检测功能，那么我们主要使用 BeginContact(b2Contact* contact)这个回调函数就足够了，如果我们要处理碰撞之前和碰撞之后的效果，根据碰撞中产生的相互作用力来计算物理碰撞后的移动，则我们必须好好的利用全部这四个函数，它们联合作用起来，可以模拟出比较真实而复杂的物理碰撞效果。

在游戏初始化时引入 Box2D物理世界，然后实现碰撞回调函数之后，我们的物理世界初始化工作就完成了，剩下的工作是根据游戏要求，预先生成或者在游戏过程中动态生成各种物理对象。比如刚体对象。

定义物体对象，实现重力效果：

在物理模拟游戏当中，一般都会有大量的刚体存在于这个物理世界内。有时候这些刚体是在游戏初始化时建立的，他们有位置、密度、体积等预制好的属性；而另一种情况是根据游戏过程实时动态地生成刚体，并为刚体设置位置等属性。Box2D是一个高效的物理引擎，所以实时动态生成刚体的速度非常快，只要数量不是非常巨大，就不会影响游戏的运行速度，刚体通常都会对应这个游戏中的某个角色或者是角色的一部分，比如在飞行射击游戏中，飞机的身体就可以用一个刚体或者多个刚体的组合来代表，刚体就是游戏角色在物理世界的抽象，刚体碰撞的物理变化最终还要反馈到游戏中的角色身上。

//首先生成b2BodyDef这个结构体的实例
b2BodyDef spriteBodyDef;
//指定刚体定义的类型是动态刚体，表明刚体是可以在物理世界中移动的
spriteBodyDef.type = b2_dynamicBody;
//设置刚体定义的初始位置
spriteBodyDef.position.Set(5.0f,5.0f);
//接下来使用spriteBodyDef对象来生成真正的刚体Body
b2Body* spriteBody = phyWorld->CreateBody(&spriteBodyDef);
//生成一个矩形形状，定义大小范围
b2PolygonShape spriteShape;
spriteShape.SetAsBox(10.0f,10.0f);
//接下来生成刚体Body将要使用的夹具对象
b2FixtureDef spriteShapeDef;
//指定夹具的外形就是刚刚生成的矩形
spriteShapeDef.shape = &spriteShape;
//设定其物理密度
spriteShapeDef.density = 10.0f;
//设定自己所属的碰撞组
spriteShapeDef.filter.categoryBits = 0x0010;//第2组
//指定自己会与哪个组发生碰撞
spriteShapeDef.filter.maskBits = 0x0001;//第1组
//使用定义好的夹具生成刚体
spriteBody->CreateFixture(&spriteShapeDef);

此时，物理世界中就有了一个刚体对象，这里要强调的是刚体的夹具定义时的碰撞分组信息，其中 filter.categoryBits把刚体的夹具定义在第2组，接下来的 filter.maskBits定义为第1组；这样此刚体的夹具就会与处于第一组的刚体夹具发生碰撞，而其他组或者位于同一组的刚体夹具，即使有了接触也不会发生碰撞事件，这是 Box2D物理引擎的碰撞分组筛选功能。这在游戏中非常有用。在定义好这个刚体之后，在没有设置它的位置时，它会默认出现在物理世界的原点，也就是坐标(0,0)的点。

实现物体的碰撞检测：

b2ContactListener：它是整个 Box2物理世界中发生碰撞的监听以及响应类，所有发生在 Box2D物理世界中的碰撞时间都能够被 b2ContactListener类型的监听器检测并在碰撞响应函数中被处理。通常我们都是将自己实现的游戏世界作为碰撞检测的接口实现类，也就是说在定义某个我们自己的游戏世界类(这里我们假设将它称为 World类)时，我们让它继承自 b2ContactListener，这样 World类的实例对象就可以对物理世界的碰撞捕捉和处理了。

例如：

class World :public b2ContactListener

对应物理世界的处理回调函数也在此声明，这个例子中我们只对发生碰撞那一刻的事件做响应，其他事件不做详细处理，所以碰撞检测的函数声明如下。

//碰撞事件回调函数
virtual void BeginContact(b2Contact* contact);

virtual void EndContact(b2Contact* contact)
{ 
	B2_NOT_USED(contact);//关闭此事件，不做处理
}

virtual void PreSolve(b2Contact* contact,const b2Manifold* oldManifold)
{
	B2_NOT_USED(contact);//关闭此事件，不做处理
	B2_NOT_USED(oldManifold);//关闭此事件，不做处理
}

virtual void PostSolve(b2Contact* contact,const b2ContactImpulse* impulse)
{
	B2_NOT_USED(contact);//关闭此事件，不做处理
	B2_NOT_USED(impulse);//关闭此事件，不做处理
}

使用关节来连接刚体：

连接器：连接器可以使两个或者多个刚体连接到一起，起到限制世界当中物体自身或物体之间的作用。

距离连接器( Distance Joint)：最为常见也是最为简单的连接器，是通常所说的在两个刚体上两个点之间保持一定距离的距离连接器。当你指定一个距离连接器时，相应的两个刚体应该已经在应有的位置上了。然后在世界坐标系中指定两个锚点定点，第一个锚定点连接body1，第二个锚定点连接body2。这些点代表着应该保持的距离的常量。

这样不论两个物体怎样运动，它们之间都会保持着固定的距离，就像使用一只杆子连接了这两个物体一样。距离连接器也可以变成软的，就像连接一个弹簧一样，在定义中通过调节频率( frequency)和阻尼率( damping ratio)两个常量来取得柔软的效果，以下是定义一个弹簧效果的距离连接器。

b2DistanceJointDef jointDef;
jointDef.Initialize(body1,body2,body1->GetPosition(),body2->GetPosition());
jointDef.collideConnected = true;
jointDef.frequencyHz = 4.0f;
jointDef.dampingRatio = 0.5f;
jointDef.length = 10;
phyWorld->CreateJoint(&jointDef);

距离连接器的应用场合非常广泛，固定距离连接器可以模拟翘翘板、捆绑物体的绳子这些物理现象；软性的连接器则可以用来模拟弹跳板、橡皮筋等物理现象。

旋转连接器( Revolute Joint)：旋转连接器同时作用于两个刚体，并使两个刚体共享同一个锚定点，经常称之为 铰链点( hinge point)。相对于两个物体的旋转来说，旋转连接器有一个自由度范围。这个角度称为 连接角( joint angle)。

定制一个旋转连接，我们需要在世界中提供两个刚体和一个简单的锚定点。初始化方法假设物体已经在正确的位置。在以下例子代码中，两个刚体通过旋转连接器以第一个物体的质心作为 铰链点( hinge Point)连接在一起。当 bodyB逆时针旋转的时候，转动连接器的角度为正值。就像 Box2D中的所有其他角一样，旋转是以弧度为基准。一般来说，旋转连接器使用 Initialize()方法创建完成之后，旋转连接器的角度为零，和两个物体当前的角度无关。在一些场合下你可以希望控制 连接角( joint angle)，以下代码给出了旋转连接器的建立和连接角的限制设定：

b2RevoluteJointDef jointDef;
jointDef.Initialize(body1,b2Vec2(body1->GetPosition().x-15,body1->GetPosition().y+15));
jointDef.lowerAngle = -0.5 * b2_pi;
jointDef.upperAngle = 0.25 * b2_pi;
jointDef.enableLimit = true;
phyWorld->CreateJoint(&jointDef);

旋转连接器的应用也非常广泛，凡是涉及到旋转开关的地方，都可以使用旋转连接器来实现；比如：汽车的轮子。我们只要将动力或者扭矩作用在轮子刚体上让连接器旋转，汽车就可以向前或者向后移动了。

平移连接器( Prismatic Joint)：平移连接器运行相关联的两个刚体沿着特定的坐标轴进行平移。平移连接阻止相对旋转。因此平移连接只有一个方向上的自由度。

b2PrismaticJointDef jointDef;
jointDef.Initialize(body1,body2->GetPosition(),body2->GetPosition());
jointDef.lowerTranslation = -100.0f;
jointDef.upperTranslation = 100.0f;
jointDef.enableLimit = true;
phyWorld->CreateJoint(&jointDef);

平移连接器应用场合在游戏中也很广泛：当一个物体与另一个物体在某个平面交叉移动时，就需要用到平移连接器，比如垂直升降的电梯，就可以使用平移连接器来模拟实现。

Box2D调试渲染：

在测试过程中，所有的刚体外形都应该是可见的，这样我们才能观测出各种物理碰撞等现象的详细过程和结果，这就需要我们引入 GLESDebugDraw类。它是使用 OpenGLES底层绘图方法，将刚体的外形准确绘制到屏幕上的功能类。 GLESDebugDraw类位于 Cocos2d-x SDK的 GLES-Render.h文件中。所有如果游戏需要使用到 Box2D物理引擎并且需要调试，就要将这两个类也拷贝到游戏的类文件目录下并引用这两个文件。在这两个文件中还定义了 b2Draw类，它提供了大多数关于绘制几何图形的抽象方法。

使用：

首先要将 GLESDebugDraw类型的对象设置到物理世界对象上，然后确认有哪些内容需要被绘制，可以绘制的内容包括刚体的外形、质心、关节、 AABB包围盒(也就是能够包围刚体的矩形包围盒)等内容。

debugDraw = new GLESDebugDraw();//这里新建一个debug渲染模块
phyWorld->SetDebugDraw(debugDraw);//设置
uint32 flags = 0;
flags += b2Draw::e_shapeBit;//形状
flags += b2Draw::e_aabbBit;//AABB块
flags += b2Draw::e_centerOfMassBit;//物体质心
flags += b2Draw::e_jointBit;//关节
debugDraw->SetFlags(flags);

scheduleUpdate();//每一帧都会调用一个叫update的方法，进行刷新屏幕

scheduleUpdate函数将会在每一帧中，调用一个 update的方法。这个方法可以这么写：

void HelloWorld::update(float dt){
	phyWorld->Step(0.03f,10,10);
}

这样，在每一帧的时候，都会进行屏幕刷新，物理引擎中的内容都变为可见形式的了。

Box2D速度与性能注意事项：

物理引擎实际上是比较占用硬件资源的，因为引擎中大量的刚体碰撞检测，各种作用力的效果计算都非常耗费 cpu运算时间。尤其是当刚体数量大量增长时， Box2D的计算量将成几何级的增长。所以使用 Box2物理引擎时，一定要注意性能优化以及提高仿真度的几个技巧。

(1)区分静态刚体和动态刚体：如果有个物体可以使用静态刚体来定义，那就一定不要使用动态刚体来定义它。因为静态刚体仅仅进行碰撞检测，不会考虑作用力对它的影响，相对于动态刚体来说，静态刚体的计算量会小很多，可以减少 cpu的负担。

(2) 启动动态刚体休眠属性：在物理引擎初始化时，可以通过设置是否允许动态刚体休眠来改善性能。如果设置允许动态刚体休眠，一些受到很小作用力或者没有受到作用力的刚体，它们会保持静止不动的状态，此时它们会进入休眠 Sleep状态。进入 Sleep状态的刚体，将不会进行物理运算，这样就可以减少运算时间，知道它们再次受到作用力处于运动状态后，才会从休眠状态被唤醒，继续参与物理计算。

(3) 设置单位转换参数：游戏屏幕是以像素为单位长度的，而物理引擎是以米为单位长度的，这里就存在一个米与像素的单位换算关系。物理引擎有一个合理的单位工作范围，在 Box2D中，物体的大小最好在 0.1米到 10米之间，如果超过这个范围，物体的表现可能会变得不真实。所以设计游戏中的物体大小时，其像素单位也需要有一个合理的范围。我们通常将换算值设置为 32，这样在游戏中 32*32像素大小的物体，在物理引擎中它就是 1米*1米大小，在这样一个合理的大小范围内， Box2D引擎的模拟效果会比较真实。

(4) 设置子弹属性：动态刚体有时会高速移动，如果刚体在两帧之间移动的距离超过了碰撞物体的身长，那碰撞检测就失去了检测功能，出现刚体直接穿过障碍物的现象。所以如果某个刚体的运动速度很快时，需要设置此刚体为子弹类型，也就是高速移动的动态刚体类型，使用 SetBullet(true)函数。这样的刚体在移动时会计算每一个单位的移动是否发生碰撞，不会发生直接穿过障碍物的现象。

复杂多边形的代码生成工具：

当游戏物体的形状变得丰富而复杂时，手动书写代码定义物体外形是不现实的，这就需要借助一些有效的工具来定义物体的外形， vertexhelper软件是一款开源免费的定点绘制工具。通过可视化的界面可以绘制出任意一种你想要的多边形。而组成这些多边形的顶点数据，将会以C++代码的形式给出，经过拷贝粘贴，就可以将复杂的多边形生成代码放到自己的类中。

Cocos2d-x学习笔记（十五）-------->物理引擎

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