让碰撞更真实 -- 天天飞车物理系统简介

本文的目标受众为刚刚进入游戏行业的同学，以及非猿类但是想要了解一下游戏研发的同学，旨在说明物理系统的一些基本概念和基本做法，高手勿喷。有错请指出，以免误导。

由于天天飞车是一个轻量级手游，其物理系统是一个比较简单的体系，没有过多的物理模拟方面的计算，当然手机上也无法支撑起大量的物理模拟计算。因此本文其实叫做“天飞碰撞系统简介”比较恰当。

游戏物理由碰撞和物理模拟两方面组成。碰撞体系主要作用在于可以使物体之间产生交互，从而使得互相独立的物体能够关联起来，产生互动；物理模拟则是通过物理计算模拟物体的运动，从而使游戏世界更加真实。一般来说，碰撞之后将产生物理反馈，但是物理模拟和碰撞之间没有必然的因果联系。没有碰撞物体也可以有物理模拟行为，比如自由落体；碰撞也不一定产生物理反馈，比如攻击用的碰撞盒，在碰到敌人之后将产生伤害。下图列举了市面上比较出名的两个物理引擎。

言归正传开始说碰撞体系。

首先说一下地形。所谓地形就是让玩家，Npc及其他一切物体的承载体，天飞中赛车在Y轴为0的平面上运动，即地形就是Y轴为0的平面。其实可以认为天飞没有地形系统，但是说了碰撞不说地形感觉有点不完整，因此稍微带过，也顺带凑点字数，当然也可以认为天飞用了一张全0的高度图（笑）。（高度图也是目前主流的简易地形实现方式，性能消耗小且有不错的表现， 以下两图展示了高度图的基本形态， 这里不多做论述， 如果需要深入了解可谷歌之）。

                                 （图1-高度图）

                                 （图2-高度图）

接下来说碰撞体。碰撞体是碰撞系统的核心组成部分，碰撞体之间的交互结果将成为模拟物理反馈的依据。碰撞体的形式多种多样，可以是盒子，球体，胶囊，射线，也可以是一个复杂的模型（形状越复杂其碰撞的检测难度越大，在现在cpu的运算能力基础上，还很难支撑起全面的模型级别的碰撞检测，因此一般都是使用简单的碰撞体进行模拟）。

             （图-碰撞球）                             （图-碰撞盒）

                                        （图-模型级别的碰撞体）

                                                        （图-射线检测）

碰撞体是游戏世界中的物体感知这个世界中的其他物体的媒介。当两个物体的碰撞盒交叠在一起了，我们就认为这两个物体发生了碰撞。也就是说，物体藉由碰撞盒的交叠，感知到了另一个物体的存在。

可以这么说，游戏中有两个世界，一个是逻辑世界，一个是物理世界。逻辑世界即我们在游戏中可见的，某车在某位置，某房子在某位置（如下图1）；物理世界则是由许许多多的碰撞体组成，每一个逻辑世界中的物体，都可以有1个或多个碰撞体（不同的碰撞体可以起到不同的检测用途，如下图2）。逻辑世界是由我们的逻辑代码进行控制，而物理世界一般是由物理引擎（简单一点的话就是物理模块）进行控制，因为逻辑世界和物理世界之间没有从属关系，因此，需要每一帧将逻辑世界发生的变化同步给物理世界，以保证两个世界的变化是相同的。

比如逻辑世界中的车从（0,0,0）移动到了（100,0,0），如果不进行同步，则这辆车在物理世界中的碰撞体还停留在在（0,0,0），假设在（100,0,0）有一个障碍物的话，因为碰撞体位置的错误，车子就将穿越障碍物。

举个简单的例子说明游戏中一般的使用顺序：车子朝前方移动，首先朝移动方向做碰撞检测（1）如果无碰撞，则移动，移动结束之后同步碰撞体的信息（2）如果发生碰撞，说明路上有障碍无法移动，则进行物理反馈，如播放撞车动画等。

                                                      （图1-逻辑世界）

                                                             （图2-物理世界）

      上一段中说到一个物体可以有多个碰撞体，来看一下天飞中的实际例子。下图是天飞某辆玩家车的编辑器截图，可以看到一辆车上有好几个大小不一的碰撞盒，说明了碰撞盒（物理世界）和车子（游戏中的物体，逻辑世界）没有一对一的联系，并且其位置和尺寸也可以因各种需求而改变，充满灵活性。例如下图中的红圈内的碰撞盒，是用来做超车检测用的，而黄圈内的碰撞盒是用来做捡道具用的（此处只想说明基本原理，对游戏中的具体逻辑不做过多解释），用户可以根据需求创建各种各样的碰撞体来表现游戏中物体的“存在感”。

                                               （图-不同用途的碰撞体）

为了区分这些碰撞体，需要对他们进行分类。一般而言碰撞体上会有其类型的信息。天飞中的碰撞类型如下图。在有了类型信息之后，碰撞行为就可以更加准确，有目标性。比如玩家的Bullet类型的碰撞体只会和Enemy类型的碰撞，而不用考虑和玩家自身的碰撞体碰撞，同时也降低了碰撞检测计算的消耗。

                      （图-碰撞类型）

物理引擎一般会暴露出逻辑接口给逻辑世界调用，来完成碰撞操作。这些操作多种多样，用来做不同类型的碰撞检测，如rayTest, sweepTest, overlapTest等等。简单介绍一下在天飞中各种检测的用途以作示例：

1） rayTest 主要用于AI车的导航操作，即AI车向前方发射一条射线，如果这条射线碰到了其他车，则AI车感知到前方有障碍物，就会选择转向以避开障碍物。

射线检测的另一个用途：拾取（Pick）被广泛运用在各种游戏中，如FPS中鼠标瞄准，RTS中单位的选择，都是从鼠标位置发出射线，“pick”了第一个被射线“击中”的物体。

2） overlapTest 为了和SweepTest做出区别，先做介绍。如其名，这是“交叠”测试，属于静态的测试方法，即判断两个碰撞体是否发生交叠。天飞中overlap被应用在爆炸中。爆炸时产生一个大型的碰撞体以表示爆炸范围，凡是被“交叠”的，都将被爆炸席卷。

3） sweepTest正如其名，是一种“清扫”型的检测，是一种动态的检测方式。广泛用于玩家车和Npc车的各种碰撞。因为赛车的运动速度很快，一帧可能开出去几十米，此时如果使用overlapTest，则只能和运动起点以及终点的物体进行碰撞，中间过程的物体会被全部略过。“清扫”的含义就是，假设物体从A运动到B，则碰撞体也将从A开始运动到B，路上所有overlap的东西，都算被碰到。

需要注意的是，物体之间是需要相互做碰撞检测的。例如，玩家车想要检测是否碰到npc车，npc车同时也要检测是否碰到玩家车，否则有可能会因为检测时序问题产生错误的碰撞结果。

考虑下图（1）这种玩家车和npc车相向运动的情况。假设双方的速度都很大，以至于双方在一帧的运动过程中就可以超越对方的位置，如下图（2、3）。假设仅是玩家车主动发起检测，如果玩家车先动，则可以检测到npc车，如下图（2）；如果npc车先动，则npc车越过玩家车，此后玩家车再运动，但是npc车已经不在玩家前方了，就错过了这次应该要发生的碰撞，如下图（3）。

                                          （图1玩家和Npc相向运动）

               （图2玩家先动，从黑色位置移动到红色位置，此时能够发生碰撞）

（图3  npc先动，从黑色位置移动到红色位置，之后玩家再动， 此时无法发生碰撞）

碰撞之后，物理引擎会返回碰撞结果，同时会返回一些碰撞信息以辅助我们做出对应的物理反馈。举个简单的例子，在天飞中，碰撞会返回碰撞盒撞击的面，藉由这个信息，我们就可以知道是车头撞到了东西，还是车侧面撞到了东西，或者是车尾撞到了东西，从而做出加速或减速或反弹的决定。更复杂的物理引擎将会返回更加丰富的碰撞信息，如碰撞的法向量，碰撞双方的距离等等，能够做出更加逼真的碰撞反馈的模拟。

（图 碰撞信息）

最后说一下物理反馈的模拟。因为天飞的轻量级游戏性，没有做很细致的物理模拟。除去基本的加速运动和跳跃之后的自由落体运动，很多物理反馈都可以使用动画来进行模拟，如被导弹击中之后车体抖动，旋转，都可以播放对应的动画来表现，这和其他游戏都是一致的。一般来说不是专门做物理模拟的游戏，都不会用复杂的物理模拟，而是用更加直观且有很好表现的动画模拟。更复杂的物理引擎会使用动量、扭矩或者弹性等更加复杂的属性来模拟物体的运动，甚至是一些流体的运动，如果水、旗帜，也是可以模拟的，这里不做详细讨论。

总体而言，物理系统是由碰撞体加物理模拟组成。每个碰撞体都有自己的类型，以增加碰撞的目标性并减少碰撞的计算量。整个模拟过程是：首先由逻辑世界和物理世界交互，发起各种各样的碰撞检测，使得逻辑世界的物理能够“感知”到周围的其他物体，并根据“感知”到的物理的类型，属性，和诸如碰撞法向量之类的碰撞信息，做出不同的物理反馈，如加减速，或者播放某个动画、声音及特效等。