Cocos Creator 3D 物理模块介绍

张晓衡

发布于 2019-10-22 15:14:05

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发布于 2019-10-22 15:14:05

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设计思路

简单易用

为了让游戏开发更加简单、友好和高效，Cocos Creator 3D 在研习和摸索中设计了一套比较基础的物理组件，并且还在持续完善中。尽管当前的组件功能还十分有限，但是相信在有了之前的组件设计经验后，很快就可以有更多强大且易用的物理组件。

另外，我们还对物理模块设计了一套抽象层，这是物理组件能够发挥其功能的底层支持，也是我们为多物理后端打下的基础。

多物理后端

用于接入不同的物理引擎，目标是能够在开发时，切换到不同的物理引擎后端中，满足对于不同游戏所需要的不同物理功能。

多物理后端的设计，可以使游戏包体更灵活，但主要的考虑是不同游戏要求的物理功能是不同的，例如：

有些游戏只需要检测系统
有些游戏需要支持基本功能并且包体小的物理
有些游戏需要功能齐全的物理

对于不同的物理引擎后端，抽象层也将致力于提供简单统一的 API 使用，并且将尽力保障相同的参数在每个后端的实际表现达到统一一致。当然，这里针对的是所有后端都支持的功能。我们为多物理后端打下的基础。

目前的状况及后续发展

目前 Cocos Creator 3D 的物理模块已经支持仅碰撞检测的 builtin 和轻量功能的 cannon.js 物理引擎。未来，我们将持续完善已接入 cannon.js 的更多功能特性，并且还将接入功能更加强大齐全的 ammo.js。

使用示例

在介绍使用方法之前，为了更好地展示目前的物理功能，以便更好地结合具体使用与具体情境，我将通过一些示例来进行讲解，文末参考链接[Demo]中可以获取完整示例。

吞噬与吸引效果

上方的动图中，蓝色圈可以看作是一个洞，并具有吸引物体的能力，一个完整的洞效果可以分为物理和渲染两个方面的内容，这里主要介绍的是物理方面。

首先，看一下它们的物理结构：

方块（球类似，区别为碰撞器是球形状的，地面是只有碰撞器的结构）

蓝色圈

通过上面的节点树层级关系，可以知道 Hole 节点负责的是物理的功能，而它的子节点负责的是渲染的功能。当然，这里的层级关系也可以改变，例如，把渲染元素所需要的组件挂载到 Hole 节点上。

在 Hole 节点上，主要体现物理元素的是它挂载的两个球碰撞器组件，并且都是触发器的类型。这里可以分别看作内外圈，它们负责的功能分别为“洞”和“吸引”。

“吸引”的实现：监听外圈的触发器进入的事件，当物体进入时，对其施加向洞中心方向的力，这样就可以实现洞的吸引效果。

“洞”的实现：同样监听内圈的触发器进入事件，当物体进入时，修改物体碰撞器的掩码，使得物体不会与地面产生碰撞，物体的刚体由于受到重力和吸引力的影响，就会掉落下去，这也可以看做“吞噬”的效果。

车辆模拟的效果

物理模拟是为了表现真实世界，所以使用物理的最佳实践，就是把实物结构用基础的元素表达出来，再调整每个基础元素的属性，这样一般都可以模拟出期望的效果。

但物理模拟始终是模拟，在游戏中这类需要实时交互的场景里，需要将表现力和实时交互能力平衡。如果需要更佳的实时性能，那么可以尝试对物理结构简化。

需要注意的是，本文介绍的车辆模拟，是基于现有的物理功能制作的，并不是严格的真实车辆模拟，只是一种取巧的方式，而实现此车辆模拟的主要内容是车辆的结构：

上图结构也是通过真实车的结构简化而来的，设计好结构后，还需要调整每个部分的属性：

重心: 车的重心应该要低一些，否则可能会很容易翻车；

车身和车轮：车辆运动应该是很平稳的，可以把摩擦力系数都设置为 0，另外车轮要比车身低一些，这样在碰到障碍物后车辆会有晃动的效果，用来模拟避震；

挡板：因为车身摩檫力设置为 0 了，为了防止车滑起来，加一个摩檫力不为 0 的挡板；

刚体：默认质量为 10，这里可以改成 200；因为摩檫力都为 0，避免车一直滑动，将阻力（damping）设置为 0.9；角速度因子 x 轴向设置成 0.5，减低车在 x 轴向的旋转抖动。

使用简介

根据所需物理功能，选择不同物理

在开发前，可以先想好大致需要什么样的物理功能，根据不同的功能，选择不同的物理，以下条件可供参考：

只需要规则的运动模拟，例如转动风扇、简单的跳跃，可以通过造型方程进行模拟，例如通过圆的方程进行圆周运动。
只需要碰撞检测，可以考虑使用 builtin + collider 组件或者使用 gemotry 模块中的 intersect 相交性检测 API。
需要物理模拟，目前可以考虑使用 cannon + 物理相关组件，或者通过直接获取引擎底层的物理进行开发。
更加复杂的物理，如复杂约束、车量模拟、布娃娃模拟等，目前组件还未提供，但可以考虑在自己项目中嵌入第三方物理。

在使用物理之前，建议先阅读[物理文档]、物理[测试例]和简单的[Demo]，在这些参考文档中，你可以了解到一些简单 API 的功能和使用方式，建议文档和测试例同时查看，会更助于理解物理模块。

选择好相应的物理后，接下来通过以下情况做一个简单演示。

规则的运动模拟

在 Cocos Creator 3D 中，可以通过节点 Transform 数据（即 position、rotation、scale 等属性）对节点进行变换，这也同样会驱动其节点链上的模型、粒子、刚体等组件的矩阵信息，以下脚本将通过修改节点的 Transform 信息进行椭圆方程的运动：

    // 这里演示节点以椭圆方程进行运动
    // 注：椭圆的参数方程 x = a*cosθ, y = b*sinθ。
    const _v3_0 = new Vec3();
    update (deltaTime: number) {
        const now = performance.now() / 1000;
        _v3_0.x = this.a * Math.cos(now);
        _v3_0.z = this.b * Math.sin(now);
        this.node.setPosition(_v3_0);
    }

builtin 物理检测

builtin 碰撞检测，底层实际调用的就是[intersect]提供的接口。首先选择物理模块为 builtin ，如下图：

然后，为需要进行检测的节点，加上碰撞体并调整大小，最后根据注册的触发事件来做出相应的行为。

    // 触发事件分三种类型，Enter\Stay\Exit，需要通过 ColliderComponent 组件注册
    start () {
        const collider = this.getComponent(ColliderComponent);
        collider.on('onTriggerEnter', this.onTriggerEnter, this);
        collider.on('onTriggerStay', this.onTriggerStay, this);
        collider.on('onTriggerExit', this.onTriggerExit, this);
    }
    onTriggerEnter (event: ITriggerEvent) { /* TODO */ }
    onTriggerStay (event: ITriggerEvent) { }
    onTriggerExit (event: ITriggerEvent) { }

cannon.js 物理模拟

选择物理模块为 cannon.js，为需要模拟的节点加上 RigidBodyComponent 组件，这样该节点就会进行物理模拟。再加上相应的 ColliderComponent，该节点的刚体就会增加相应的碰撞体，这会用于检测是否与其它碰撞体产生碰撞。

刚接触物理模拟，遇到最大的问题，大概是不知道如何控制刚体，建议各位开发者先熟悉刚体的每个参数所代表的物理意义，在[官方文档]中有详细介绍。

这里将根据一些简单例子来介绍一些可采用的做法：

模拟跳跃行为：由于运动是可以分解的，所以跳跃和移动等可以看作是一类问题，只要让相应的轴向拥有速度，刚体就会运动起来了。

在 cannon.js 物理中改变速度有多种方式，比如可以通过 setLinearVelocity 直接设置线性速度，以及通过 setAngularVelocity 直接设置角速度，这种方式将会使得物体由最大的速度开始往上。但由于受重力影响，物体 Y 轴向的速度将时间变化减小至 0；

也可以通过施加力或者冲量的方式， applyForce 或 applyImpluse，这种方式是根据公式定律计算得出的速度，以 applyForce 举例：

F=M·a F 是刚体的受力，M 是质量，a 是加速度
v=a·t v 是瞬时速度，a 是加速度，t 是时间

这种方式需要理解一些参数去实现效果，如施加力时需要考虑刚体的质量，以及对刚体施加的时间（在这里可以说是施加次数或帧数）。

限制刚体在 Y 轴旋转：这类问题可以看作是对刚体的约束，目前在刚体组件里面提供了对线性速度和角速度的缩放属性，即 linearFactor 与 angularFactor （可以看作是与刚体速度执行分量积），将 angularFactor 的 y 分量设置成 0 ，就可以达到这个效果。理解这些属性，并灵活的使用它们，可以实现非常多的效果。

目前的 cannon.js 支持情况：

刚体
box\sphere 形状
支持触发、碰撞事件，分别为：enter\stay\exit
物理材质
射线检测

更多功能

组件层服务的是所有的开发者，稳定性、通用性是首要的目标，Cocos 将在这个基础上持续不断的加入更多的功能。

对于一些暂不清晰的功能需求，我们将会提供实验性的组件，例如 mesh collider（没有发布正式组件的主要原因是目前的底层支持不够）

访问底层接口：

对于某些暂未提供组件化服务的功能，各位开发者可以考虑在现有的框架之下直接使用底层的物理接口（例如现有的 cannon.js）。以下步骤将会介绍如何在项目工程中直接访问到底层的物理接口：

1. 校验，在预览页面的控制台中输入 CANNON，判断其是否存在，若存在，则不用执行下列子步骤；

（1）将 CANNON 暴露到 Window 中，这里需要改动引擎代码：首先点击编辑器右上角的安装目录按钮，在相对路径 \resources\3d\engine\cocos\physics\cannon\cannon-world.ts 下，打开该文件；在合适位置加上此行代码 window.CANNON = CANNON；然后点击编辑器的开发者选项栏的编译引擎的选项（快捷键 Ctrl +F7），最后刷新编辑器（快捷键 Ctrl+R）

（2）重复步骤 1 ，确保 CANNON 可以被访问到。

2. 将 CANNON 的类型声明文件复制到项目工程当中（下载[声明文件]，后缀为 .d.ts 的文件）

3. 在脚本中用命名空间的方式访问 CANNON 提供的接口（注意不要使用模块的方式，即 import CANNON from 'cannon'）

通过以上步骤就可以在项目工程中直接获取底层的接口进行开发了，需要注意的是，模块需要设置成相应的物理底层。

注：暴露其他的模块是类似的方式。

结合现有框架

目前的框架还没有暴露底层的对象，如果要和现有框架结合起来，哪么需要通过 hack 的方式去访问。这里以获取物理系统中的底层世界对象为例子：

首先可以通过控制台打印出 PhysicsSystem.instance 对象，查看他的属性列表，如下图：