何为物理引擎,能做什么?

物理引擎是一个计算机程序,使用质量、速度、摩擦力和空气阻力等变量,模拟了一个近似真实的物理系统,为刚性物体赋予真实的物理效果,比如重力、旋转和碰撞等效果,让物体的行为表现的更加趋向真实,例如,守望先锋的英雄在跳起时,系统所设置的重力参数就决定了他能跳多高,下落时的速度有多快,子弹的飞行轨迹等等。

四个例子不同的效果,模拟物体落入斜坡的表现

  • 无物理效果
  • 重力,没有碰撞效果
  • 重力和碰撞,没有旋转效果
  • 重力、碰撞以及旋转效果

物理引擎通常有两种常见类型:实时物理引擎和高精度物理引擎。高精度物理引擎需要更多的处理能力来计算非常精确的物理,通常使用在科学研究(计算物理学)和动画电影制作。实时物理引擎常用于电子游戏并且简化了算法,降低精确度以减少处理时间,使得在游戏中有更好的处理速度。

物理引擎在游戏中的应用

CS1.5 应用的是真实度比较差的物理引擎,人物死亡后倒地动作是固定的,即使有障碍物也会执行这个动作,所以人物穿过了门。

CS 1.5

而 CS:GO 因为采用了 Source Engine 开发,模拟较为精细,所以人物死亡之后的姿势可以根据物理学自动计算,所以可以躺在杆上,使游戏更加真实。

CS GO

Matter.js 介绍

Matter.js 是一个用于 Web 的 JavaScript 2D 物理引擎库,该项目诞生于 2014 年 2 月 28 号(0.5.0-alpha 版本),目前已更新迭代了 11 个版本(最新为 0.12.0 版本),它相较于老牌的 Box2D 引擎库,Matter.js 更为轻量级(压缩版仅有 84 KB),并且在性能和功能方面也不逊色。

在没有 Matter.js 前,你想去制作一个物理游戏不仅需要扎实数学知识和物理知识,并且需要通过编程语言表示出来让机器读懂。而有 Matter.js 就不一样了,它为开发者提供了许多的功能模块,通过简单易用的 API 就可以实现例如弹跳、碰撞、重力、滚动等物理效果。

Matter.js 介绍

Matter.js 下载

首先,需要下载开发版本或者稳定版定,并将脚本加入到页面中,即可开启旅程。

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<script src="matter.js" type="text/javascript"></script>

你也可以使用包管理工具 Bower 或 NPM

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$ bower install matter-js
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$ npm install matter-js

Matter.js 支持的特性

刚体复合体复合材料
凹面和凸面物理特性(质量、面积、密度等)弹性(弹性和非弹性碰撞)
碰撞(粗略阶段、中间阶段、精细阶段)稳定的堆叠和静止动量守恒
摩擦力和阻力事件监听约束
重力睡眠和静态物体圆角(倒角)
视图(平移、缩放)碰撞查询(射线追踪、区域测试)时间缩放(减速、加速)
Canvas 渲染器(支持向量和纹理)MatterTools 工具(创建、测试和调试)世界状态序列化,需要 resurrect.js
跨浏览器(Chrome、Firefox、Safari、IE8+)兼容移动端(触摸、响应)原生 JS 实现

Matter.js 中基础的概念

大多数的物理引擎对于物理模拟的要素都有着相近的概念,不同的引擎差别在于使用的方式,功能的全面性,模拟的精细度等层面,下面就先从物理世界的基础概念讲起。

Engine(引擎)和 World(世界)

Matter.Engine 模块包含了创建和处理引擎的方法,引擎是负责管理和更新模拟世界的控制器,引擎可以控制时间的缩放,可以检测所有的碰撞事件,并且拿到所有碰撞的物体对(pairs)。

在 Matter.js 中任何的物体都需要一个容身处,而存放这些物体的地方,我们称之为世界,物体必须添加到世界里,然后由引擎运行这个世界。而创建世界需要使用到 Matter.World 模块,该模块包含了用于创建和操作世界的方法,一个 Matter.World 相当于一个复合物体,物体、约束、复合物体的聚合体,其次世界还有额外的一些属性,比如重力、边界。

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Render(渲染)

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// Matter.Render 用法
var engine = Engine.create();
// ... 将物体加入到世界中
var render = Render.create({
element: document.body,
engine: engine,
options: options
});
Engine.run(engine);
Render.run(render);
  • element 是一个容器元素,使用时指定要渲染的节点
  • engine 指定为 Matter.Engine 实例
  • options 指定一些渲染的参数

Matter.Render 是将实例渲染到 Canvas 中的渲染器,控制视图层的样式,它的主要作用是用于开发和调试,默认情况下 Matter.Render 将只显示物体的线框(轮廓),这对于开发和调试很有帮助,但如果需要使用到全局实体渲染则需要将线框模式关闭 render.options.wireframes = false,另外它同样也适合制作一些简单的游戏,因为它包括了一些绘图选项、线框、向量、Sprite 精灵和视窗功能。

MatterJS_EngineAndWorld

DEMO 戳这里

Body(刚体)

物体或者叫刚体,在物理引擎里特指坚硬的物体,具有固定的形状,不能形变。刚体可以用于表示一个箱子、一个球或是一块木头,每个物体都有自己的物理属性,质量、速度、摩擦力、角度等,还可以设置刚体的标记。Matter.Bodies 模块中内置了几种刚体,矩形 Matter.rectangle、多边形 Matter.polygon、圆形 Matter.circle 、梯形 Matter.trapezoid 等等。

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// 创建刚体
var rect = Bodies.rectangle(200, 100, 50, 50), // 矩形
circle = Bodies.circle(300, 100, 25), // 圆
polygon = Bodies.polygon(450, 100, 5, 25), // 多边形
trapezoid = Bodies.trapezoid(590, 100, 50, 50, 3); // 梯形
// 将刚体添加到世界中
World.add(engine.world, [rect, circle, polygon, trapezoid]);

DEMO 戳这里

Composite(复合体)

由刚体和复合材料通过约束组合在一起的就叫做复合体。复合体对外当作一个刚体,复合体的物理属性是通过所包含的刚体的属性综合计算出来的。Matter.Composite 模块包含用于创建和处理复合体的方法,另外还有一个 Matter.Composites 模块,提供了几种特别的复合材料,例如 链 Composites.chain、牛顿摆球 Composites.newtonsCradle、软体 Composites.softBody、汽车 Composites.car 、堆叠 Composites.stack 等等。

桥梁

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// 使用堆叠创建桥梁
var group = Body.nextGroup(true);
var bridge = Composites.stack(150, 300, 9, 1, 10, 10, function(x, y) {
return Bodies.rectangle(x, y, 50, 20, {
collisionFilter: { // 过滤碰撞
group: group
}
});
});
// 创建链约束
Composites.chain(bridge, 0.5, 0, -0.5, 0, { stiffness: 0.9 });

DEMO 戳这里

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// 软体
var cloth = Composites.softBody(200, 200, 20, 12, 5, 5, false, 8, {
friction: 0.00001, // 摩擦力
collisionFilter: {
group: Body.nextGroup(true)
},
render: {
visible: false
}
});

DEMO 戳这里

牛顿摆球

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// 创建牛顿摆球
var newtonsCradle = Composites.newtonsCradle(300, 320, 5, 25, 150);

DEMO 戳这里

Constraint(约束)

约束可理解为通过一条线,将刚体 A 和刚体 B 两个刚体连接起来,被约束的两个刚体由于被连接在了一起,移动就相互受到了限制。Matter.Constraint 模块包含了用于创建和处理约束的方法,这个约束可以很宽松,也可以很紧绷,还可以定义约束的距离,约束具有弹性,可以用来当作橡皮筋。

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// 创建一个矩形和圆形
var rect = Bodies.rectangle(400, 100, 50, 50, {
isStatic: true
}),
ball = Bodies.circle(400, 400, 50);
World.add(engine.world, [
rect,
ball,
Constraint.create({
bodyA: rect, // 约束刚体 A
pointA : { // 约束点 A
x: 0,
y: 0
},
bodyB: ball, // 约束刚体 B
pointB: { // 约束点 B
x: 0,
y: -50
},
stiffness: 0.6
})
]);

DEMO 戳这里

MouseConstraint(鼠标约束)

如果你想让刚体与用户之间有交互,那就要在鼠标和刚体之间建立连接,也就是鼠标和刚体间的约束,Matter.MouseConstraint 模块包含用于创建鼠标约束的方法,提供通过鼠标或触摸(移动端时)移动刚体的能力,可以设置什么标记的物体才能被鼠标操纵,创建鼠标约束后,可以捕获到鼠标的各类事件。

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// 全局鼠标约束
var mouseConstraint = MouseConstraint.create({
element: render.canvas
});
World.add(engine.world, mouseConstraint);
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// 设置某个标记的物体才能被鼠标操纵
var categoryBall = 0x0001; // 分类
var ball = Matter.Bodies.circle(300, 350, 32, {
density: 0.68, // 密度
restitution: 1, // 弹性
collisionFilter: {
category: categoryBall
}
});
var mouseConstraint = MouseConstraint.create({
element: render.canvas,
collisionFilter: {
mask: categoryBall
}
});
World.add(engine.world, mouseConstraint);

DEMO 戳这里

Vector(向量)

Matter.Vector 模块包含用于创建和操纵向量的方法,向量是引擎有关几何操作行为的基础,修改物体的运动状态基本都是使用向量来控制,例如赋予物体一个力,或者设置物体的速度、旋转角度,并且内置了多个向量的求解函数:向量积、标量积、格式化、垂直向量等等。

Events(事件)

Matter.Events 模块包含了绑定、移除和触发对象的方法。

  • 绑定事件 Matter.Events.on(object, eventNames, callback)
  • 移除事件 Matter.Events.off(object, eventNames, callback)
  • 触发事件 Matter.Events.trigger(object, eventNames, event)

Matter.js 中的一些属性

施加力

Matter.Body.applyForce(body, position, force) 方法可以给刚体施加一个力,传入 X 和 Y 轴需要的力度值,通过这个方法你可以去模拟踢一个足球、投一个篮球的效果。

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var ball = Bodies.circle(300, 100, 25, {
density: 0.68, // 密度
restitution: 0.8 // 弹性
});
World.add(engine.world, ball);
function addForce() {
var forceMagnitude = 0.02 * ball.mass;
Body.applyForce(ball, ball.position, {
x : (forceMagnitude + Common.random() * forceMagnitude) * Common.choose([1, -1]),
y : -forceMagnitude + Common.random() * -forceMagnitude
});
}
addForce();

DEMO 戳这里

重力

可以设置 X、Y 轴的重力值,默认都为 1,参数在 0、1、-1 中选择使用。

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// 实现反重力效果
engine.world.gravity.y = -1;
// 无重力效果
engine.world.gravity.y = 0;

DEMO 戳这里

睡眠状态

通过 enableSleeping: true 开启睡眠模式后,当刚体处于不受作用状态时,会进入睡眠状态,这样可以有效的提高引擎的性能,当物体被其他物体碰撞或者对刚体施加力时,刚体会被叫醒,引擎会继续对其进行计算模拟。

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// 开启睡眠状态
var engine = Engine.create({
enableSleeping: true
});
// 还可以针对进入睡眠状态的刚体进行监听,比如将刚体移出世界
Event.on(ball, "sleepStart", function() {
World.remove(engine.world, ball);
});

DEMO 戳这里

摩擦力

摩擦力在 Matter.js 中分别提供了三种:摩擦力 friction、空气摩擦力 frictionAir 以及静止摩擦力 frictionStaticfriction 默认值是 0.1,取值范围在 0 - 1,当值为 0 意味着刚体可以摩擦力的无限滑动,1 意味着对刚体施加力后会立刻停止,frictionAir 默认值是 0.01,取值范围 0 - 1,当值为 0 意味着刚体在空间中移动时速度永远不会减慢,值越高时刚体在空间的移动速度越慢,frictionStatic 默认值 0.5,当值为 0 时意味着刚体几乎是静止的,值越高时意味着需要移动刚体所需的力就越大。

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// 摩擦力
Bodies.rectangle(300, 70, 40, 40, {
friction: 0.01
})
// 空气摩擦力
Bodies.rectangle(300, 70, 40, 40, {
frictionAir: 0.05
})
// 静止摩擦力
Bodies.rectangle(300, 70, 40, 40, {
frictionStatic: 1
})

时间缩放

可以控制全局的时间,当值为 0 时为冻结模拟,值为 0.1 给出慢动作效果,值为 1.2 时给出加速效果。

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engine.timing.timeScale = 0.1;

这里就简单提及到几个属性,当然还有更多的属性比如:视图(View)、弹性(Restitution)等等,更详细的 API 可到官网查看。

Matter.js 调试

除了前面讲 Matter.Render 模块的时候提到的线框模式 wireframes 便于调试外,Matter.Render 模块其实还为我们提供了以下几种方法,便于我们自定义调试选项:

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var render = Render.create({
element: document.body,
engine: engine,
options: {
width: 800,
height: 600,
pixelRatio: 1, // 设置像素比
background: '#fafafa', // 全局渲染模式时背景色
wireframeBackground: '#222', // 线框模式时背景色
hasBounds: false,
enabled: true,
wireframes: true, // 线框模式
showSleeping: true, // 刚体睡眠状态
showDebug: false, // Debug 信息
showBroadphase: false, // 粗测阶段
showBounds: false, // 刚体的界限
showVelocity: false, // 移动刚体时速度
showCollisions: false, // 刚体碰撞点
showSeparations: false, // 刚体分离
showAxes: false, // 刚体轴线
showPositions: false, // 刚体位置
showAngleIndicator: false, // 刚体转角指示
showIds: false, // 显示每个刚体的 ID
showVertexNumbers: false, // 刚体顶点数
showConvexHulls: false, // 刚体凸包点
showInternalEdges: false, // 刚体内部边界
showMousePosition: false // 鼠标约束线
}
});

另外官方提供了三个调试工具,可单独使用或一起使用,如下:

工具:

  • MatterTools.Demo 用于运行和测试 DEMO
  • MatterTools.Gui 改变引擎的属性
  • MatterTools.Inspector 检查世界

MatterJS_EngineAndWorld

官方 DEMO 戳这里

下载

感谢你的阅读。

参考资料

Matter.js - a 2D rigid body JavaScript physics engin
liabru/matter-tools
Physics engine - Wikipedia
Matter.js Demo

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