物理引擎box2d的學習心得

1 前言

     最近學習libgdx的時候暫時先沒看box2d那部分，昨天想作個物理效果看了一下那部分的封裝，發現沒點概念太難看懂了，仍是乖乖的把box2d先系統的學習一遍。這個資料網上不少，最好的天然是官方的用戶手冊，還有熱心網友把翻譯成中文的了。仍是老習慣，學完之後留點東西以備忘。

2 基礎知識

    如下內容對理解物理引擎很是重要，摘自用戶手冊，這部分主要是給本身作備忘，強烈建議讀者把《box2d中文手冊》研讀一遍。

2.1 必要知識

質量(mass),力(force),扭矩(torque)和衝量(impulses)，這個不懂看看物理知識。

2.2 核心概念

形狀(shape)

2D幾何對象, 好比圓形(circle)或多邊形(polygon)。

剛體(rigid body)

十分堅硬的物質, 堅硬得像鑽石，它上面任意兩點之間的距離都保持不變。在後面的討論中,咱們用物體(body)來代替剛體。（這就使得物體自己不會產生形變，那軟軟彈彈的效果應該都是動畫）

夾具(fixture)

fixture將形狀綁定到物體之上, 並有必定的材質屬性, 好比密度(density), 摩擦(friction)和恢復(restitution)。

(譯註:一個物體和另外一物體碰撞, 碰撞後速度和碰撞前速度的比值會保持不變，這比值就叫恢復係數。)

約束(constraint)

約束是個物理鏈接, 用於消除物體的自由度。在2D中, 物體有3個自由度(水平，垂直，旋轉)。若是咱們把一個物體釘在牆上(像鐘擺那樣), 那就把它約束到了牆上。這個時候,此物體就只能繞着釘子旋轉, 因此這個約束消除了它2個自由度。

(譯註:簡單的說, 須要用幾個參數來肯定物體的空間狀態, 這個物體就有幾個自由度。在二維中，徹底沒有約束的條件下, 咱們要肯定物體的狀態, 要有x座標, y座標, 旋轉角這三個參數, 因此自由度爲3。若是物體被釘在牆上, 只要有旋轉角，就能夠徹底肯定物體的狀態，有了釘子這個約束，物體自由度就變成了1。)

接觸約束(contact constraint)

一種特殊的約束, 設計的目的是爲了防止剛體被穿透, 也用於模擬摩擦和恢復。接觸約束不用你來建立, 它們會自動被Box2D生成。

關節(joint)

關節就是種約束, 用於將兩個或多個body固定到一塊兒。Box2D支持不一樣的關節類型:轉動(revolute),棱柱(prismatic),距離(distance)等。一些關節能夠有限制(limits)和馬達(motors)。

關節限制(joint limit)

關節限制限定了一個關節的運動範圍。例如人類的胳膊肘只能在某一角度範圍內運動。

關節馬達(joint motor)

根據關節的自由度, 關節馬達能夠驅動關節所鏈接的物體。例如,　你可使用一個馬達來驅動一個肘的旋轉。

世界(world)

一個物理世界就是各類, 剛體(bodies), 夾具(fixtures), 約束(constraints)相互做用的集合。 Box2D支持建立多個世界, 但這一般沒有必要。

box2d的內存是本身管理的，他創建了一個內存池，以減小對內存的頻繁的申請和釋放。因此全部對象都要box2d幫你建立，也就是libgdx中的world。

2.3 模擬物理世界的相關算法

積分器(integrator)的數值算法：在離散的時間點上模擬連續的物理方程。它與傳統的遊戲動畫循環一同運行。咱們須要爲Box2D選取一個時間步。一般來講用於遊戲的物理引擎須要至少 60Hz 的速度,也就是 1/60 的時間步。你可使用更大的時間步,可是你必須更加當心地爲你的世界調整定義。咱們也不喜歡時間步變化得太大,因此不要把時間步關聯到幀頻(除非你真的必須這樣作)。直截了當地,這個就是時間步:

約束求解器(constraint solver)：用於解決模擬中的全部約束,一次一個。單個的約束會被完美的求解,然而當咱們求解一個約束的時候,咱們就會稍微耽誤另外一個。要獲得良好的解,咱們須要屢次迭代全部約束。因此就有必要控制迭代計算的次數以防止無限循環，推薦迭代次數爲10能較好的模擬效果。

2.4 fixture中一些有意思的概念

密度(Density)

fixture的密度用來計算父物體的質量屬性。密度值能夠爲零或者是整數。你全部的fixture都應該使用類似的密度，這樣作能夠改善物體的穩定性。

當你添加一個fixture時，物體的質量會自動調整。

摩擦(Friction)

摩擦可使對象逼真地沿其它對象滑動。Box2D支持靜摩擦和動摩擦,二者都使用相同的參數。摩擦在Box2D中會被精確地模擬,摩擦力的強度與正交力(稱之爲庫侖摩擦)成正比。摩擦參數常常會設置在0到1之間, 也可以是其它的非負數，0意味着沒有摩擦, 1會產生強摩擦。當計算兩個形狀之間的摩擦時,Box2D必須聯合兩個形狀的摩擦參數。

恢復(Restitution)

恢復可使對象彈起。恢復的值一般設置在0到1之間。想象一個小球掉落到桌子上，值爲0表示着小球不會彈起, 這稱爲非彈性碰撞。值爲1表示小球的速度跟原來同樣，只是方向相反, 這稱爲徹底彈性碰撞。

傳感器(Sensors)

有時候遊戲邏輯須要判斷兩個fixture是否相交,但卻不該該有碰撞反應。這能夠經過傳感器(sensor)來完成。傳感器也是個fixture，但只會偵測碰撞而不產生其它反應。

2.5 body中一些有意思的概念 

阻尼(Damping)

阻尼用於減少物體在世界中的速度。阻尼跟摩擦有所不一樣,摩擦僅在物體有接觸的時候纔會發生。阻尼並不能取代摩擦,每每這兩個效果須要同時使用。 

休眠參數(Sleep Parameters)

休眠是什麼意思? 模擬物體的成本是高昂的,因此若是物體更少,那模擬的效果就能更好。當物體中止了運動時, 咱們會但願中止模擬它 

固定旋轉(Fixed Rotation)

你可能想一個剛體，好比某個角色，具備固定的旋轉角。這樣物體即便在負載下，也不會旋轉。

×××(Bullets)

遊戲模擬一般以必定幀率(frame rate)產生一系列的圖片。這就是所謂的離散模擬。在離散模擬中，在一個時間步內剛體可能移動較大距離。默認狀況下,Box2D會經過連續碰撞檢測(CCD)來防止動態物體穿越靜態物體。通常狀況下，dynamic物體之間不會應用CCD,這是爲了保持性能。

3 libgdx中的box2d

3.1 libgdx的優點

    有個不得不說的優勢，box2d用戶手冊裏面有至關篇幅在說如何管理內存和引用，這個對於java程序而言真的是再不用多考慮了。

    另外，jbox2d版本在性能方面有些問題，但牛逼的是libgdx是經過jni調用的box2d的c++版本。

3.2 如何將actor和body聯繫起來

    這個問題真的有點讓我困擾，咱們指望的效果天然是actor能帶上物理特性，但遺憾的是不能直接這麼指定。這就形成了一個是在物理世界移動的物理，一個是動畫世界的圖片，二者卻沒有了直接關係。因此這就須要將這兩個東西聯繫在一塊兒，而後同步二者的爲止。

    目前以爲比較好的方式就是在上層再作一次封裝，將actor和相應的body綁定在一塊兒，每幀都先讓body去計算位移，而後再調整actor的位置。

4 總結

    物理引擎真的很強大，能經過對物理定義就變成一個能夠按物理邏輯運行的效果，但在這以前對於box2d的概念必須有所瞭解。在libgdx中調用box2d仍是比較方便的，就是惋惜還要本身去綁定。Loving libgdx ~~

 

參考資料：
1. box2d v2.0.1中文手冊：http://wenku.baidu.com/view/153e4421af45b307e8719753.html
2. box2d與精靈（sprite）的同步：http://blog.u250.info/?p=121002
3. 使用box2d的注意事項：http://kongweile.iteye.com/blog/978718
4. box2d v2.1.0中文手冊（有譯註，也新一些，推薦）：http://blog.csdn.net/complex_ok/article/details/6706982