Cocos2d-x學習筆記（十五）-------->物理引擎，cocos2d-x學習筆記

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物理引擎
Cocos2d-x引擎內建了兩種物理引擎，它們分別是Box2D和Chipmunk，都是非常優秀的2D物理引擎，而且x引擎將它們都內建在SDK中。Box2D使用較為廣泛，在這裡選擇Box2D來進行學習。
物理引擎類比的內容：重力：在遊戲中類比重力加速度，當遊戲中人物跳躍起來後會受到重力影響而向下移動，在沒有地面的情境，人物和物體會由於重力而做自由落體運動。牽引力(動力)：在遊戲中比如汽車的引擎，人物本身能夠提供向前進行的動力，這種牽引力是持續不斷地作用在物體上的，物體因此可以向作用力的方向移動。摩擦力：物體在地面等接觸面上移動時，會受到摩擦力的影響，它可以使正在運動的物體由於摩擦力的作用而停下來。衝擊力：比如爆炸會產生一次性的衝擊力，會對爆炸範圍內的物體產生一瞬間的力的作用，使其運動起來。碰撞檢測：當一個物體與另一個物體碰撞後，兩個物體會因為碰撞發生作用力與反作用力，會讓其之前的運動受到影響。還有浮力、關節連結等等物理概念。
Box2D簡介：Box2D是由C++開發的一款輕量級的二維剛體模擬庫，主要用於編寫2D遊戲，開發人員可以使用它讓遊戲中的物體運動起來更真實。讓遊戲世界更具互動性。Box2D物理引擎是一個程式性動畫系統。做動畫常有兩種方法：一種是預先準備好動畫所需的映像資料，比如某種格式的2D圖片，再一幀一幀地播放。這種預先準備的可稱為資料性動畫。另一種是以一定方法，動態計算齣動畫所需的資料，比如移動後的新位置、旋轉的角度等等，根據這些資料再進行繪圖。這種動態計算的可稱為程式性動畫。Box2D就是用物理學的方法，推匯出遊戲世界物體的位置、角度等資料。而Box2D也僅僅是推匯出資料，至於得到資料之後怎麼處理就是開發人員自己的事情了。
Box2D的一些基本對象：物理世界world：一個物理世界就是各種剛體bodies、夾具fixtures、約束constraints等物理引擎中基本對象相互作用的集合。所有的物理對象都是在物理世界已經建立好的基礎上，在物理世界中產生的。物理世界具有一個範圍，在2D座標系中，物理世界的範圍就是一個矩形地區，地區內的物理對象可以相互作用，發生物理碰撞等影響，一旦物理對象到了地區之外，將不再進行物理運算，不再產生任何物理作用。Box2D支援建立多個世界，但這通常沒有必要。物理世界是Box2D引擎最為重要的對象，遊戲必須要持有物理世界對象，這樣才能訪問物理世界中的各種對象，知道它們的狀態，然後將這些狀態更新到遊戲介面中反映出各種類比的物理現象。剛體rigid body：大多數遊戲對象在物理世界中都被抽象成為剛體對象，它是物理世界中十分堅硬的物質，物理引擎假定剛體都是不會發生形變的，它上面任意兩點之間的距離都保持不變。在Box2D物理引擎中，b2Body類就是代表剛體的類型。在設計實現物理遊戲時，剛體通常都對應著遊戲中的一個具有具體外形的角色。剛體在Box2D中主要分為兩大類，一類是可以移動位置或者旋轉的動態剛體，這種剛體通常用於表示遊戲中的活動物體；另一類是位置無法移動和旋轉的靜態剛體，這種剛體通常用於表示遊戲中的地面平台等靜物。夾具fixture：每個剛體都需要定義一個或者多個夾具，夾具是一個屬性容器，它具有形狀屬性shape、密度屬性density、摩擦屬性friction和恢複屬性restitution。當一個剛體具有了夾具之後，它就可以參與物理世界的碰撞檢測，摩擦力運算和彈力運算了。形狀shape：2D幾何外形對象，比如圓形circlr或者多邊形polygon。形狀定義好之後會被附加到某個夾具之上，作為夾具的外形屬性存在，它是夾具的重要組成部分，傢具在剛體碰撞運算時會通過形狀來進行檢測。形狀類中儲存的主要是形狀的幾何資料資訊，比如一個圓形circle主要是儲存它的半徑資訊，只要知道了半徑就能知道圓形的具體大小；另一個比較常用的形狀是四邊形rect，它主要記錄的是四邊形的寬度和高度資訊。關節joint：關節就是種約束，用於將兩個或多個剛體固定到一起。Box2D支援不同的關節類型——轉動revolute、稜柱prismatic、距離distance等。比如卡通人物的手臂運動，就可以定義一個和人類一樣的肘關節，關節兩端是上臂和前臂兩個剛體。一些關節可以有限制limits和馬達motors。關節限制joint limit：關節限制限定了一個關節點運動範圍。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，關節馬達可以驅動關節所串連的物體。例如你可以使用一個馬達來驅動一個肘的旋轉。
在遊戲中引入Box2D物理世界：因為x引擎內建了Box2D物理引擎，所以需要物理引擎的地方只要引入“Box2D/Box2D.h”標頭檔即可，以下代碼就是建立物理世界，也就是初始化Box2D物理引擎的過程，這個過程都是放在遊戲情境初始化階段，把物理世界對象作為遊戲世界的一部分完成初始化過程。

//定義重力加速度b2Vec2 gravity;//設定垂直方向的重力加速度gravity.Set(0.0f, -9.8f);/*使用剛剛定義好的重力加速度產生物理世界對象，這樣世界中的所有對象都會受到重力加速度的影響*/b2World* phyWorld = new b2World(gravity);//物理世界的對象都參與碰撞檢測，無休眠對象phyWorld->SetAllowSleeping(false);//連續碰撞檢測，避免發生物體穿過另一個物體的事件phyWorld->SetContinuousPhysics(true);//設定碰撞監聽器phyWorld->SetContactListener(listener);

通過以上代碼，就可以在 x引擎中建立一個物理世界，以上代碼的最後一步，用於設定物理世界中各種物體碰撞的監聽對象—— listener，它是 b2ContactListener類型。在物理引擎捕捉到世界中的物體對象發生碰撞後，會使用碰撞監聽器 b2ContactListener的回調方法，來實現碰撞的發現和響應功能。我們要做的就是定義好一個碰撞檢測器，實現它的碰撞回呼函數。有以下函數需要實現。 virtual void BeginContact(b2Contact* contact)：碰撞開始時的回呼函數，一般簡單的碰撞檢測使用；
virtual void EndContact(b2Contact* contact)：碰撞發生後的回呼函數，一般簡單的碰撞檢測使用；
virtual void PreSolve(b2Contact* contact, const b2Manifold* oldManifold)：碰撞求解前的回呼函數，求解就是指計算碰撞產生的衝擊力，需要計算碰撞衝擊力造成的破壞等效果時，需要使用此回呼函數；
virtual void PostSolve(b2Contact* contact, const b2ContactImpulse* impulse)：碰撞求解後的回呼函數，需要計算碰撞衝擊力造成的破壞等效果時，需要使用此回呼函數。

這四個回調方法中，前兩個功能有限但使用起來簡單，後兩個提供的資訊量大，但使用起來比較複雜，這個要根據遊戲的具體要求而定，如果我們的遊戲過程對物理要求不高，僅僅是實現碰撞檢測功能，那麼我們主要使用 BeginContact(b2Contact* contact)這個回呼函數就足夠了，如果我們要處理碰撞之前和碰撞之後的效果，根據碰撞中產生的相互作用力來計算物理碰撞後的移動，則我們必須好好的利用全部這四個函數，它們聯合作用起來，可以類比出比較真實而複雜的物理碰撞效果。在遊戲初始化時引入 Box2D物理世界，然後實現碰撞回呼函數之後，我們的物理世界初始化工作就完成了，剩下的工作是根據遊戲要求，預先產生或者在遊戲過程中動態產生各種物理對象。比如剛體對象。
定義物體對象，實現重力效果：在物理類比遊戲當中，一般都會有大量的剛體存在於這個物理世界內。有時候這些剛體是在遊戲初始化時建立的，他們有位置、密度、體積等預製好的屬性；而另一種情況是根據遊戲過程即時動態地產生剛體，並為剛體設定位置等屬性。 Box2D是一個高效的物理引擎，所以即時動態產生剛體的速度非常快，只要數量不是非常巨大，就不會影響遊戲的運行速度，剛體通常都會對應這個遊戲中的某個角色或者是角色的一部分，比如在飛行射擊遊戲中，飛機的身體就可以用一個剛體或者多個剛體的組合來代表，剛體就是遊戲角色在物理世界的抽象，剛體碰撞的物理變化最終還要反饋到遊戲中的角色身上。

//首先產生b2BodyDef這個結構體的執行個體b2BodyDef spriteBodyDef;//指定剛體定義的類型是動態剛體，表明剛體是可以在物理世界中移動的spriteBodyDef.type = b2_dynamicBody;//設定剛體定義的初始位置spriteBodyDef.position.Set(5.0f,5.0f);//接下來使用spriteBodyDef對象來產生真正的剛體Bodyb2Body* spriteBody = phyWorld->CreateBody(&spriteBodyDef);//產生一個矩形形狀，定義大小範圍b2PolygonShape spriteShape;spriteShape.SetAsBox(10.0f, 10.0f);//接下來產生剛體Body將要使用的夾具對象b2FixtureDef spriteShapeDef;//指定夾具的外形就是剛剛產生的矩形spriteShapeDef.shape = &spriteShape;//設定其物理密度spriteShapeDef.density = 10.0f;//設定自己所屬的碰撞組spriteShapeDef.filter.categoryBits = 0x0010;//第2組//指定自己會與哪個組發生碰撞spriteShapeDef.filter.maskBits = 0x0001;//第1組//使用定義好的夾具產生剛體spriteBody->CreateFixture(&spriteShapeDef);

此時，物理世界中就有了一個剛體對象，這裡要強調的是剛體的夾具定義時的碰撞分組資訊，其中 filter.categoryBits把剛體的夾具定義在第2組，接下來的 filter.maskBits定義為第1組；這樣此剛體的夾具就會與處於第一組的剛體夾具發生碰撞，而其他組或者位於同一組的剛體夾具，即使有了接觸也不會發生碰撞事件，這是 Box2D物理引擎的碰撞分組篩選功能。這在遊戲中非常有用。在定義好這個剛體之後，在沒有設定它的位置時，它會預設出現在物理世界的原點，也就是座標 (0,0)的點。
實現物體的碰撞檢測： b2ContactListener：它是整個 Box2物理世界中發生碰撞的監聽以及響應類，所有發生在 Box2D物理世界中的碰撞時間都能夠被 b2ContactListener類型的監聽器檢測並在碰撞響應函數中被處理。通常我們都是將自己實現的遊戲世界作為碰撞檢測的介面實作類別，也就是說在定義某個我們自己的遊戲世界類(這裡我們假設將它稱為 World類)時，我們讓它繼承自 b2ContactListener，這樣 World類的執行個體對象就可以對物理世界的碰撞捕捉和處理了。 例如：

class World :public b2ContactListener

對應物理世界的處理回呼函數也在此聲明，這個例子中我們只對發生碰撞那一刻的事件做響應，其他事件不做詳細處理，所以碰撞檢測的函式宣告如下。

//碰撞事件回呼函數virtual void BeginContact(b2Contact* contact);virtual void EndContact(b2Contact* contact){ B2_NOT_USED(contact);//關閉此事件，不做處理}virtual void PreSolve(b2Contact* contact, const b2Manifold* oldManifold){B2_NOT_USED(contact);//關閉此事件，不做處理B2_NOT_USED(oldManifold);//關閉此事件，不做處理}virtual void PostSolve(b2Contact* contact, const b2ContactImpulse* impulse){B2_NOT_USED(contact);//關閉此事件，不做處理B2_NOT_USED(impulse);//關閉此事件，不做處理}

使用關節來串連剛體： 連接器：連接器可以使兩個或者多個剛體串連到一起，起到限制世界當中物體自身或物體之間的作用。
距離連接器( Distance Joint)：最為常見也是最為簡單的連接器，是通常所說的在兩個剛體上兩個點之間保持一定距離的距離連接器。當你指定一個距離連接器時，相應的兩個剛體應該已經在應有的位置上了。然後在全局座標系中指定兩個錨點定點，第一個錨定點串連body1，第二個錨定點串連body2。這些點代表著應該保持的距離的常量。這樣不論兩個物體怎樣運動，它們之間都會保持著固定的距離，就像使用一隻杆子串連了這兩個物體一樣。距離連接器也可以變成軟的，就像串連一個彈簧一樣，在定義中通過調節 頻率( frequency)和阻 尼率( damping ratio)兩個常量來取得柔軟的效果，以下是定義一個彈簧效果的距離連接器。

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);

距離連接器的應用場合非常廣泛，固定距離連接器可以類比翹翹板、捆綁物體的繩子這些物理現象；軟性的連接器則可以用來類比彈跳板、橡皮筋等物理現象。

旋轉連接器( Revolute Joint)：旋轉連接器同時作用於兩個剛體，並使兩個剛體共用同一個錨定點，經常稱之為 鉸鏈點( hinge point)。相對於兩個物體的旋轉來說，旋轉連接器有一個自由度範圍。這個角度稱為 串連角( joint angle)。
定製一個旋轉串連，我們需要在世界中提供兩個剛體和一個簡單的錨定點。初始化方法假設物體已經在正確的位置。在以下例子代碼中，兩個剛體通過旋轉連接器以第一個物體的質心作為 鉸鏈點( hinge Point)串連在一起。當 bodyB逆時針旋轉的時候，轉動連接器的角度為正值。就像 Box2D中的所有其他角一樣，旋轉是以弧度為基準。一般來說，旋轉連接器使用 Initialize()方法建立完成之後，旋轉連接器的角度為零，和兩個物體當前的角度無關。在一些場合下你可以希望控制 串連角( joint angle)，以下代碼給出了旋轉連接器的建立和串連角的限制設定：

b2RevoluteJointDef jointDef;jointDef.Initialize(body1,body2, 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);

旋轉連接器的應用也非常廣泛，凡是涉及到旋轉開關的地方，都可以使用旋轉連接器來實現；比如：汽車的輪子。我們只要將動力或者扭矩作用在輪子剛體上讓連接器旋轉，汽車就可以向前或者向後移動了。

平移連接器( Prismatic Joint)：平移連接器運行相關聯的兩個剛體沿著特定的座標軸進行平移。平移串連阻止相對旋轉。因此平移串連只有一個方向上的自由度。

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

平移連接器應用場合在遊戲中也很廣泛：當一個物體與另一個物體在某個平面交叉移動時，就需要用到平移連接器，比如垂直升降的電梯，就可以使用平移連接器來類比實現。

Box2D調試渲染：在測試過程中，所有的剛體外形都應該是可見的，這樣我們才能觀測出各種物理碰撞等現象的詳細過程和結果，這就需要我們引入 GLESDebugDraw類。它是使用 OpenGLES底層繪圖方法，將剛體的外形準確繪製到螢幕上的功能類。 GLESDebugDraw類位於 Cocos2d-x SDK的 GLES-Render.h檔案中。所有如果遊戲需要使用到 Box2D物理引擎並且需要調試，就要將這兩個類也拷貝到遊戲的類檔案目錄下並引用這兩個檔案。在這兩個檔案中還定義了 b2Draw類，它提供了大多數關於繪製幾何圖形的抽象方法。 使用：首先要將 GLESDebugDraw類型的對象設定到物理世界對象上，然後確認有哪些內容需要被繪製，可以繪製的內容包括剛體的 外形、 質心、 關節、 AABB包圍盒(也就是能夠包圍剛體的矩形包圍盒)等內容。

debugDraw = new GLESDebugDraw();//這裡建立一個debug渲染模組phyWorld->SetDebugDraw(debugDraw);//設定uint32 flags = 0;flags += b2Draw::e_shapeBit;//形狀flags += b2Draw::e_aabbBit;//AABB塊flags += b2Draw::e_centerOfMassBit;//物體質心flags += b2Draw::e_jointBit;//關節debugDraw->SetFlags(flags);scheduleUpdate();//每一幀都會調用一個叫update的方法，進行重新整理螢幕

scheduleUpdate函數將會在每一幀中，調用一個 update的方法。這個方法可以這麼寫：

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

這樣，在每一幀的時候，都會進行螢幕重新整理，物理引擎中的內容都變為可見形式的了。

Box2D速度與效能注意事項：物理引擎實際上是比較佔用硬體資源的，因為引擎中大量的剛體碰撞檢測，各種作用力的效果計算都非常耗費 CPU運算時間。尤其是當剛體數量大量增長時， Box2D的計算量將成幾何級的增長。所以使用 Box2物理引擎時，一定要注意效能最佳化以及提高模擬度的幾個技巧。 (1)區分靜態剛體和動態剛體：如果有個物體可以使用靜態剛體來定義，那就一定不要使用動態剛體來定義它。因為靜態剛體僅僅進行碰撞檢測，不會考慮作用力對它的影響，相對於動態剛體來說，靜態剛體的計算量會小很多，可以減少 CPU的負擔。 (2) 啟動動態剛體休眠屬性：在物理引擎初始化時，可以通過設定是否允許動態剛體休眠來改善效能。如果設定允許動態剛體休眠，一些受到很小作用力或者沒有受到作用力的剛體，它們會保持靜止不動的狀態，此時它們會進入休眠 Sleep狀態。進入 Sleep狀態的剛體，將不會進行物理運算，這樣就可以減少運算時間，知道它們再次受到作用力處於運動狀態後，才會從休眠狀態被喚醒，繼續參與物理計算。
(3) 設定單位轉換參數：遊戲螢幕是以像素為單位長度的，而物理引擎是以米為單位長度的，這裡就存在一個米與像素的單位換算關係。物理引擎有一個合理的單位工作範圍，在 Box2D中，物體的大小最好在 0.1米到 10米之間，如果超過這個範圍，物體的表現可能會變得不真實。所以設計遊戲中的物體大小時，其像素單位也需要有一個合理的範圍。我們通常將換算值設定為 32，這樣在遊戲中 32*32像素大小的物體，在物理引擎中它就是 1米*1米大小，在這樣一個合理的大小範圍內， Box2D引擎的類比效果會比較真實。
(4) 設定子彈屬性：動態剛體有時會高速移動，如果剛體在兩幀之間移動的距離超過了碰撞物體的身長，那碰撞檢測就失去了檢測功能，出現剛體直接穿過障礙物的現象。所以如果某個剛體的運動速度很快時，需要設定此剛體為子彈類型，也就是高速移動的動態剛體類型，使用 SetBullet(true)函數。這樣的剛體在移動時會計算每一個單位的移動是否發生碰撞，不會發生直接穿過障礙物的現象。

複雜多邊形的代碼產生工具：當遊戲物體的形狀變得豐富而複雜時，手動書寫代碼定義物體外形是不現實的，這就需要藉助一些有效工具來定義物體的外形， vertexhelper軟體是一款開源免費的定點繪製工具。通過可視化的介面可以繪製出任意一種你想要的多邊形。而組成這些多邊形的頂點資料，將會以C++代碼的形式給出，經過拷貝粘貼，就可以將複雜的多邊形產生代碼放到自己的類中。