3.3 物理引擎 (Physics)

3.3 物理引擎 (Physics)

三、Unity 核心模块父章节领域

3.3 物理引擎 (Physics)

物理引擎是游戏开发中至关重要的核心模块，它负责模拟真实世界中的物理规律，例如重力、碰撞、摩擦力等，为游戏世界带来生动性和交互性。在 Unity3D 中，物理引擎扮演着举足轻重的角色，它使得开发者能够轻松地创建具有真实物理行为的游戏对象，而无需从头开始编写复杂的物理计算代码。

本章节将深入探讨 Unity3D 的物理引擎系统，从基础概念到高级应用，结合代码实践和详细解释，帮助您全面掌握 Unity 物理引擎的使用技巧，为您的游戏开发项目打下坚实的物理基础。

3.3.1 物理引擎概述

Unity3D 默认集成了强大的物理引擎，它允许您为游戏对象赋予物理属性，使其能够响应各种物理事件，例如碰撞、受力等。物理引擎的核心目标是模拟真实世界的物理现象，使游戏中的物体运动和交互更加自然和可信。

主要功能:

• 碰撞检测 (Collision Detection): 检测游戏对象之间是否发生碰撞，并提供碰撞信息。

• 刚体动力学 (Rigidbody Dynamics): 模拟刚体在力、扭矩和碰撞作用下的运动。

• 关节 (Joints): 连接多个刚体，模拟铰链、弹簧等物理连接效果。

• 物理材质 (Physics Materials): 定义物体的表面物理属性，例如摩擦力和弹性。

• 射线投射 (Raycasting): 模拟发射射线，用于检测场景中的物体，常用于实现射击、点击等交互功能。

• 物理模拟参数控制 (Physics Simulation Settings): 允许开发者调整物理模拟的全局参数，例如重力、时间步长等。

Unity 物理引擎类型:

Unity 提供了两种主要的物理引擎：

• Built-in 3D 物理引擎: 基于 PhysX 3.x 版本，是 Unity 默认的 3D 物理引擎，功能全面，性能优秀，适用于大多数 3D 游戏项目。

• Built-in 2D 物理引擎: 专为 2D 游戏设计，提供 Box2D 物理引擎的封装，优化了 2D 物理模拟的性能和功能。

本章节主要关注 Built-in 3D 物理引擎。

mermaid 图表 - 物理引擎在 Unity 中的角色:

图表解释:

• 物理引擎 (Physics) 是 Unity 游戏引擎的核心模块之一。

• 它与渲染引擎、输入系统、音频系统和脚本系统等模块紧密协作。

• 脚本系统 (Scripting) 通过 API 与物理引擎交互，控制物理行为和处理物理事件。

• 物理引擎提供碰撞检测、刚体动力学、关节、物理材质、射线投射和物理模拟参数控制等核心功能。

3.3.2 刚体 (Rigidbody)

刚体 (Rigidbody) 是 Unity 物理引擎的核心组件，它赋予游戏对象物理属性，使其能够受到物理引擎的控制，参与物理模拟。任何想要受到重力影响、发生碰撞、受力运动的游戏对象，都必须添加 Rigidbody 组件。

Rigidbody 组件的主要属性:

• Mass (质量): 刚体的质量，影响其惯性和受力后的加速度。质量越大，惯性越大，越难改变其运动状态。

• Drag (阻力): 模拟空气阻力或流体阻力，减缓刚体的线速度。

• Angular Drag (角阻力): 模拟旋转阻力，减缓刚体的角速度。

• Use Gravity (使用重力): 控制刚体是否受到重力影响。

• Is Kinematic (是否运动学): 设置为 True 时，刚体不受物理引擎控制，只能通过脚本直接控制其 Transform 组件进行运动。常用于角色控制或动画驱动的物体。

• Interpolate (插值模式): 用于平滑刚体的运动，减少抖动。常见的选项有 None (不插值)、Interpolate (线性插值) 和 Extrapolate (外插值)。

• Collision Detection (碰撞检测模式): 设置刚体的碰撞检测模式，影响碰撞检测的精度和性能。常见的选项有 Discrete (离散检测)、Continuous (连续检测) 和 Continuous Dynamic (连续动态检测)。

• Constraints (约束): 限制刚体在特定轴向上的运动和旋转。例如，可以冻结刚体在 Y 轴上的位置，使其只能在 XZ 平面上移动。

代码实践 - 添加和配置 Rigidbody 组件:

using UnityEngine;
public class AddRigidbody : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        // 获取当前游戏对象的 Rigidbody 组件，如果不存在则添加一个新的
        Rigidbody rb = GetComponent<Rigidbody>();
        if (rb == null)
        {
            rb = gameObject.AddComponent<Rigidbody>();
        }
        // 配置 Rigidbody 的属性
        rb.mass = 10f; // 设置质量为 10kg
        rb.drag = 0.5f; // 设置阻力为 0.5
        rb.useGravity = true; // 启用重力
        rb.interpolation = RigidbodyInterpolation.Interpolate; // 启用线性插值
        rb.collisionDetectionMode = CollisionDetectionMode.ContinuousDynamic; // 设置为连续动态检测
        rb.constraints = RigidbodyConstraints.FreezeRotationX | RigidbodyConstraints.FreezeRotationZ; // 冻结 X 和 Z 轴的旋转
    }
}
​

代码解释:

1. GetComponent<Rigidbody>(): 尝试获取当前游戏对象已有的 Rigidbody 组件。

2. gameObject.AddComponent<Rigidbody>(): 如果 Rigidbody 组件不存在，则使用 AddComponent 方法添加一个新的 Rigidbody 组件。

3. rb.mass = 10f;: 设置刚体的质量为 10 公斤。

4. rb.drag = 0.5f;: 设置刚体的阻力系数为 0.5。

5. rb.useGravity = true;: 启用刚体的重力效果。

6. rb.interpolation = RigidbodyInterpolation.Interpolate;: 设置刚体的插值模式为线性插值，使运动更平滑。

7. rb.collisionDetectionMode = CollisionDetectionMode.ContinuousDynamic;: 设置碰撞检测模式为连续动态检测，提高高速运动物体的碰撞检测精度。

8. rb.constraints = RigidbodyConstraints.FreezeRotationX | RigidbodyConstraints.FreezeRotationZ;: 通过位运算设置约束，冻结刚体在 X 轴和 Z 轴上的旋转，使其只能绕 Y 轴旋转。

mermaid 图表 - Rigidbody 组件:

图表解释:

• Rigidbody 组件附加到 GameObject 上，赋予其物理属性。

• 图中列出了 Rigidbody 组件的主要属性，例如 Mass, Drag, Use Gravity 等。

3.3.3 碰撞器 (Collider)

碰撞器 (Collider) 是定义游戏对象物理形状的组件，物理引擎使用碰撞器来检测物体之间的碰撞。没有碰撞器的 Rigidbody 将无法与其他物体发生碰撞。

常见的碰撞器类型:

• Box Collider (盒子碰撞器): 立方体形状的碰撞器，适用于大多数方块状物体。

• Sphere Collider (球形碰撞器): 球体形状的碰撞器，适用于球形物体。

• Capsule Collider (胶囊碰撞器): 胶囊形状的碰撞器，适用于角色或圆柱形物体。

• Mesh Collider (网格碰撞器): 基于游戏对象网格形状的碰撞器，可以精确地匹配物体的复杂形状，但性能消耗较高。

• Terrain Collider (地形碰撞器): 用于地形对象的碰撞器，针对地形数据进行了优化。

• Wheel Collider (车轮碰撞器): 专为车辆车轮设计的碰撞器，模拟车轮的滚动和摩擦。

• Composite Collider 2D (复合碰撞器 2D): 2D 物理引擎中的复合碰撞器，可以将多个简单碰撞器组合成复杂的形状。

碰撞检测事件:

当两个带有 Rigidbody 和 Collider 的游戏对象发生碰撞时，会触发一系列碰撞检测事件，脚本可以通过监听这些事件来处理碰撞逻辑。

• OnCollisionEnter (碰撞开始): 当碰撞开始时调用一次。

• OnCollisionStay (碰撞持续): 当碰撞持续期间，每帧调用一次。

• OnCollisionExit (碰撞结束): 当碰撞结束时调用一次。

触发器 (Trigger):

触发器是一种特殊的碰撞器，它用于检测物体进入或离开某个区域，但不会产生物理碰撞效果。触发器常用于实现区域检测、道具拾取等功能。

• Is Trigger (是否触发器): Collider 组件的属性，设置为 True 时，该碰撞器变为触发器。

• OnTriggerEnter (触发器进入): 当其他物体进入触发器区域时调用一次。

• OnTriggerStay (触发器持续): 当其他物体在触发器区域内时，每帧调用一次。

• OnTriggerExit (触发器离开): 当其他物体离开触发器区域时调用一次。

代码实践 - 添加 Collider 和处理碰撞事件:

using UnityEngine;
public class CollisionDetection : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        // 添加 Box Collider 组件，如果不存在则添加一个新的
        BoxCollider boxCollider = GetComponent<BoxCollider>();
        if (boxCollider == null)
        {
            boxCollider = gameObject.AddComponent<BoxCollider>();
            boxCollider.size = new Vector3(2f, 2f, 2f); // 设置 Box Collider 的尺寸
        }
    }
    void OnCollisionEnter(Collision collision)
    {
        Debug.Log("碰撞开始！ 与物体: " + collision.gameObject.name + " 碰撞");
        // 处理碰撞逻辑，例如播放碰撞特效、扣血等
    }
    void OnCollisionStay(Collision collision)
    {
        //Debug.Log("碰撞持续！ 与物体: " + collision.gameObject.name + " 持续碰撞");
    }
    void OnCollisionExit(Collision collision)
    {
        Debug.Log("碰撞结束！ 与物体: " + collision.gameObject.name + " 碰撞结束");
        // 处理碰撞结束逻辑，例如物体分离等
    }
    void OnTriggerEnter(Collider other)
    {
        Debug.Log("触发器进入！ 进入物体: " + other.gameObject.name + " 进入触发器");
        // 处理触发器进入逻辑，例如道具拾取、区域检测等
    }
    void OnTriggerExit(Collider other)
    {
        Debug.Log("触发器离开！ 离开物体: " + other.gameObject.name + " 离开触发器");
        // 处理触发器离开逻辑
    }
}
​

代码解释:

1. GetComponent<BoxCollider>(): 尝试获取当前游戏对象已有的 Box Collider 组件。

2. gameObject.AddComponent<BoxCollider>(): 如果 Box Collider 组件不存在，则添加一个新的 Box Collider 组件。

3. boxCollider.size = new Vector3(2f, 2f, 2f);: 设置 Box Collider 的尺寸为 2x2x2。

4. OnCollisionEnter(Collision collision): 碰撞开始事件处理函数，collision 参数包含碰撞信息，例如碰撞点、碰撞法线、碰撞物体等。

5. OnCollisionStay(Collision collision): 碰撞持续事件处理函数。

6. OnCollisionExit(Collision collision): 碰撞结束事件处理函数。

7. OnTriggerEnter(Collider other): 触发器进入事件处理函数，other 参数是被触发器触发的 Collider 组件。

8. OnTriggerExit(Collider other): 触发器离开事件处理函数。

mermaid 图表 - Collider 组件和碰撞事件:

图表解释:

• Collider 组件附加到 GameObject 上，定义其物理形状。

• 图中列出了常见的 Collider 类型，以及碰撞事件和触发器事件。

3.3.4 力和运动 (Forces and Motion)

物理引擎的核心功能之一是模拟物体在力作用下的运动。Unity 提供了多种方法来给 Rigidbody 施加力，控制物体的运动。

常用的施力方法:

• AddForce (添加力): 向刚体施加一个力，使其产生加速度。

  • AddForce(Vector3 force, ForceMode mode = ForceMode.Force)

  • force: 力的方向和大小。

  • mode: 力模式，影响力的应用方式。

    • ForceMode.Force: 持续施力，模拟持续推力或拉力 (默认模式)。

    • ForceMode.Impulse: 瞬时施力，模拟冲击力或爆炸力。

    • ForceMode.Acceleration: 施加速度，忽略质量，直接改变物体的加速度。

    • ForceMode.VelocityChange: 瞬时改变速度，忽略质量，直接设置物体的速度变化量。

• AddTorque (添加扭矩): 向刚体施加一个扭矩，使其产生旋转。

  • AddTorque(Vector3 torque, ForceMode mode = ForceMode.Force)

  • torque: 扭矩的方向和大小。

  • mode: 力模式，与 AddForce 的力模式相同。

• AddExplosionForce (添加爆炸力): 向刚体施加一个爆炸力，模拟爆炸效果。

  • AddExplosionForce(float explosionForce, Vector3 explosionPosition, float explosionRadius, float upwardsModifier = 0.0F, ForceMode mode = ForceMode.Force)

  • explosionForce: 爆炸力的大小。

  • explosionPosition: 爆炸中心位置。

  • explosionRadius: 爆炸半径。

  • upwardsModifier: 向上方向的力修正系数。

  • mode: 力模式，与 AddForce 的力模式相同。

直接控制速度:

除了施加力，还可以直接控制 Rigidbody 的速度和角速度。

• velocity (线速度): 获取或设置刚体的线速度。

  • rb.velocity = new Vector3(10f, 0f, 0f); // 设置水平速度为 10m/s

• angularVelocity (角速度): 获取或设置刚体的角速度。

  • rb.angularVelocity = new Vector3(0f, 1f, 0f); // 设置绕 Y 轴旋转的角速度为 1rad/s

代码实践 - 施加力控制物体运动:

using UnityEngine;
public class ForceMovement : MonoBehaviour
{
    public float moveSpeed = 10f;
    public float jumpForce = 500f;
    private Rigidbody rb;
    void Start()
    {
        rb = GetComponent<Rigidbody>();
    }
    void Update()
    {
        // 获取水平方向的输入
        float horizontalInput = Input.GetAxis("Horizontal");
        // 计算水平方向的力
        Vector3 moveForce = new Vector3(horizontalInput * moveSpeed, 0f, 0f);
        // 施加力，使用 ForceMode.Force 模式
        rb.AddForce(moveForce);
        // 检测空格键按下，进行跳跃
        if (Input.GetKeyDown(KeyCode.Space))
        {
            // 施加瞬时向上的力，使用 ForceMode.Impulse 模式
            rb.AddForce(Vector3.up * jumpForce, ForceMode.Impulse);
        }
    }
}
​

代码解释:

1. moveSpeed 和 jumpForce: 可调节的移动速度和跳跃力参数。

2. rb = GetComponent<Rigidbody>();: 获取 Rigidbody 组件。

3. Input.GetAxis("Horizontal"): 获取水平方向的输入，范围为 -1 到 1。

4. moveForce: 计算水平方向的力向量。

5. rb.AddForce(moveForce): 使用 AddForce 函数施加水平方向的力，使用默认的 ForceMode.Force 模式，模拟持续的推力。

6. Input.GetKeyDown(KeyCode.Space): 检测空格键是否按下。

7. rb.AddForce(Vector3.up * jumpForce, ForceMode.Impulse): 使用 AddForce 函数施加向上的跳跃力，使用 ForceMode.Impulse 模式，模拟瞬时的冲击力。

mermaid 图表 - 力和运动:

图表解释:

• Rigidbody 组件可以通过 AddForce, AddTorque, AddExplosionForce 等方法施加力。

• 可以直接控制 Rigidbody 的 velocity 和 angularVelocity 属性来改变其运动状态。

• AddForce 和 AddTorque 方法可以使用不同的 ForceMode 参数来控制力的应用方式。

3.3.5 关节 (Joints)

关节 (Joints) 组件用于连接多个 Rigidbody，约束它们之间的相对运动，模拟各种物理连接效果，例如铰链、弹簧、绳索等。

常见的关节类型:

• Fixed Joint (固定关节): 将两个刚体固定在一起，使其相对位置和旋转保持不变。

• Hinge Joint (铰链关节): 模拟铰链连接，允许两个刚体绕一个轴旋转。

• Spring Joint (弹簧关节): 模拟弹簧连接，使两个刚体之间存在弹力。

• Distance Joint (距离关节): 保持两个刚体之间的距离恒定。

• Character Joint (角色关节): 专为角色动画设计的关节，用于 Ragdoll 效果。

• Configurable Joint (可配置关节): 功能最强大的关节，可以配置各种自由度和约束，模拟复杂的关节行为。

代码实践 - 创建 Hinge Joint 模拟门:

using UnityEngine;
public class HingeDoor : MonoBehaviour
{
    public GameObject doorHandle; // 门把手 GameObject，作为铰链连接点
    void Start()
    {
        // 获取门把手的 Rigidbody 组件
        Rigidbody handleRb = doorHandle.GetComponent<Rigidbody>();
        // 获取门的 Rigidbody 组件
        Rigidbody doorRb = GetComponent<Rigidbody>();
        // 创建 Hinge Joint 组件
        HingeJoint hingeJoint = gameObject.AddComponent<HingeJoint>();
        // 连接两个 Rigidbody
        hingeJoint.connectedBody = handleRb;
        // 设置 Anchor 和 Connected Anchor，定义铰链轴的位置
        hingeJoint.anchor = Vector3.zero; // 门上的铰链点，相对于门自身
        hingeJoint.connectedAnchor = Vector3.up; // 门把手上的铰链点，相对于门把手自身，向上偏移
        // 设置 Axis，定义铰链轴的方向
        hingeJoint.axis = Vector3.up; // 绕 Y 轴旋转
        // 启用限制角度，限制门的旋转范围
        hingeJoint.useLimits = true;
        JointLimits limits = hingeJoint.limits;
        limits.min = -90f; // 最小角度 -90 度
        limits.max = 0f;  // 最大角度 0 度
        hingeJoint.limits = limits;
    }
}
​

代码解释:

1. doorHandle: 公共变量，用于在 Inspector 面板中指定门把手 GameObject。

2. handleRb = doorHandle.GetComponent<Rigidbody>();: 获取门把手的 Rigidbody 组件。

3. doorRb = GetComponent<Rigidbody>();: 获取门的 Rigidbody 组件。

4. HingeJoint hingeJoint = gameObject.AddComponent<HingeJoint>();: 添加 Hinge Joint 组件到门 GameObject 上。

5. hingeJoint.connectedBody = handleRb;: 设置连接的 Rigidbody 为门把手的 Rigidbody。

6. hingeJoint.anchor = Vector3.zero;: 设置铰链点在门上的位置，相对于门的局部坐标系，设置为原点 (0,0,0)。

7. hingeJoint.connectedAnchor = Vector3.up;: 设置铰链点在门把手上的位置，相对于门把手的局部坐标系，向上偏移 (0,1,0)。

8. hingeJoint.axis = Vector3.up;: 设置铰链轴的方向为 Y 轴，门将绕 Y 轴旋转。

9. hingeJoint.useLimits = true;: 启用角度限制。

10. JointLimits limits = hingeJoint.limits;: 获取关节的限制角度属性。

11. limits.min = -90f; limits.max = 0f;: 设置最小角度为 -90 度，最大角度为 0 度，限制门的旋转范围。

12. hingeJoint.limits = limits;: 将设置好的角度限制应用到关节上。

mermaid 图表 - Joints 组件:

图表解释:

• Joints 组件用于连接多个 Rigidbody，约束它们之间的运动。

• 图中列出了常见的 Joint 类型，以及 Joint 组件的通用属性，例如 Connected Body, Anchor, Axis, Limits 等。

3.3.6 物理材质 (Physics Materials)

物理材质 (Physics Materials) 用于定义游戏对象的表面物理属性，例如摩擦力 (Friction) 和弹性 (Bounciness)。通过调整物理材质，可以模拟不同材质的表面效果，例如冰面、橡胶、木材等。

Physics Material 组件的属性:

• Static Friction (静态摩擦力): 物体静止时，阻止其开始滑动的摩擦力。

• Dynamic Friction (动态摩擦力): 物体滑动时，阻碍其滑动的摩擦力。

• Bounciness (弹性): 物体碰撞时的弹性系数，范围 0 到 1，0 表示完全无弹性，1 表示完全弹性。

• Friction Combine (摩擦力组合模式): 当两个物体碰撞时，如何组合它们的摩擦力。

  • Average: 取平均值。

  • Minimum: 取最小值。

  • Maximum: 取最大值。

  • Multiply: 相乘。

• Bounce Combine (弹性组合模式): 当两个物体碰撞时，如何组合它们的弹性。

  • Average: 取平均值。

  • Minimum: 取最小值。

  • Maximum: 取最大值。

  • Multiply: 相乘。