【Unity3D】物理系统脚本编程

内容摘取总结自《Unity3D脚本编程与游戏开发》（马遥，沈琰）第三章——物理系统脚本编程
搬运自我的博客：浮生如梦 岁月如歌

文章目录

• • 基础
  • • 获取刚体组件
    • 施加作用力
    • 修改速度
    • 二段跳
    • 射线
    • 层和层遮罩
    • 射线编程详解
  • 修改物理材质
  • FixedUpdate
  • 修改角速度
  • 质心
  • 更多施加力的方式
  • 刚体约束

基础 获取刚体组件

using UnityEngine;

public class Test : MonoBehaviour
{
    Rigidbody rigid;
    void Start()
    {
        rigid = GetComponent<Rigidbody>();
    }
}

施加作用力

private void Update()
{
    if (Input.GetButtonDown("Jump"))
    {
        rigid.AddForce(new Vector3(0, 100, 0));
    }
}

以上代码的作用是在玩家按下空格键时，对刚体施加一个向上的力，大小为100牛，持续时间是一个物理帧间隔（默认0.02秒）。如果物体只有1千克，重力不到10牛，那么这个力会让它跳起一定高度。

修改速度

//  获取当前物体速度
Vector3 vel = rigid.velocity;
//  将当前速度沿z轴增加1m/s
rigid.velocity = vel + new Vector3(0, 0, 1);

二段跳

using UnityEngine;

public class SimpleJump : MonoBehaviour
{
    Rigidbody rigid;
    void Start()
    {
        rigid = GetComponent<Rigidbody>();
    }
    private void Update()
    {
        if (Input.GetButtonDown("Jump"))
        {
            rigid.velocity = new Vector3(rigid.velocity.x, 0, rigid.velocity.z);
            rigid.AddForce(new Vector3(0, 100, 0));
        }
    }
}

射线

bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction);
bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, float maxDistance);
bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, float maxDistance, int layerMask);

bool Raycast(Ray ray, out RaycastHit hitInfo);
bool Raycast(Ray ray, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance);
bool Raycast(Ray ray, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance, int layerMask);

//  创建从原点向上的射线
Ray ray = new Ray(Vector3.zero, Vector3.up);

//  获得当前鼠标指针在屏幕上的位置（单位是像素）
Vector2 mousePos = Input.mousePosition;
//  创建一条射线，起点是摄像机位置，方向指向鼠标指针所在的点（隐含了从屏幕到世界的坐标转换）
Ray ray2 = Camera.main.ScreenPointToRay(mousePos);

//  之后可以将ray或ray2发射出去，例如：
Physics.Raycast(ray, 10000, LayerMask.GetMask("Default"));

层和层遮罩

int mask = LayerMask.GetMask("Ground", "Player", "Obstacle");
if (Physics.Raycast(transform.position, Vector3.forward, mask))
{
    // 碰到了物体
}

mask = ~mask;      // 英文波浪线，代表二进制取反

gameObject.layer = LayerMask.NameToLayer("Default");

射线编程详解

• 射线碰撞信息

以下几个Raycast()函数的重载可以获取到碰撞信息

bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, float 
maxDistance);
bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, float 
maxDistance, int layerMask);
bool Raycast(Ray ray, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance, int layerMask);
//演示
private void TestRay()
{
        // 声明变量，用于保存碰撞信息
    RaycastHit hitInfo;
    // 发射射线，起点是当前物体的位置，方向是世界前方
    if (Physics.Raycast(transform.position, Vector3.forward, out hitInfo))
    {
            //  如果确实碰到物体，会运行到这里。没碰到物体就不会

            //  获取碰撞点的坐标（世界坐标）
        Vector3 point = hitInfo.point;
            //  获取对方的碰撞体组件
        Collider coll = hitInfo.collider;
            //  获取对方的Transform组件
        Transform trans = hitInfo.transform;
            //  获取对方的物体名称
        string name = coll.gameObject.name;

            //  获取碰撞点的法线向量
        Vector3 normal = hitInfo.normal;
    }

• 其他形状的射线

//  球形射线：
bool SphereCast(Ray ray, float radius);
bool SphereCast(Ray ray, float radius, out RaycastHit hitInfo);

//  盒子射线：
bool BoxCast(Vector3 center, Vector3 halfExtents, Vector3 direction);
bool BoxCast(Vector3 center, Vector3 halfExtents, Vector3 direction, out 
RaycastHit hitInfo, Quaternion orientation);

//  胶囊体射线：
bool CapsuleCast(Vector3 point1, Vector3 point2, float radius, Vector3 direction);
bool CapsuleCast(Vector3 point1, Vector3 point2, float radius, Vector3 direction, 
out RaycastHit hitInfo, float maxDistance);

• 穿过多个物体的射线

RaycastHit[] RaycastAll(Ray ray, float maxDistance);
RaycastHit[] RaycastAll(Vector3 origin, Vector3 direction, float maxDistance);
RaycastHit[] RaycastAll(Ray ray, float maxDistance, int layerMask);
RaycastHit[] RaycastAll(Ray ray);

• 区域覆盖型射线（Overlap）

Collider[] OverlapBox(Vector3 center, Vector3 halfExtents, Quaternion 
orientation, int layerMask);
Collider[] OverlapCapsule(Vector3 point0, Vector3 point1, float radius, int 
layerMask);
Collider[] OverlapSphere(Vector3 position, float radius, int layerMask);

• 射线调试技巧

void DrawLine(Vector3 start, Vector3 end, Color color);
void DrawLine(Vector3 start, Vector3 end, Color color, float duration);

void DrawRay(Vector3 start, Vector3 dir, Color color);
void DrawRay(Vector3 start, Vector3 dir, Color color, float duration);

//  以一个简单的射线为例
Raycast(起点, 方向向量, 长度);

//  对应的可视化线条
DrawLine(起点, 起点+方向向量.normalized * 长度, Color.red);
//  其中nomalized是将向量标准化，即方向不变长度变为1

修改物理材质

在Project窗口中单击鼠标右键，选择Create→Physics Material，就可以创建一个物理材质。物理材质的参数被简单定义为Dynamic Friction（动态摩擦系数）、Static Friction（静态摩擦系数）、Bounciness（d性系数）、与其他物体接触时的Friction Combine（摩擦力系数算法）和Bounce Combine（d性系数算法），如图所示。

动态摩擦系数就是物体之间正在相对滑动时的摩擦系数。例如0.1代表很光滑的表面，0.9代表很粗糙的表面。

静态摩擦系数就是物体之间没有相对滑动时的摩擦系数。现实生活中，物体的静态摩擦力一般略大于动态摩擦力，当然在游戏世界中可以随意调节它们的大小。

d性系数可以调节物体反d力的大小。例如0.8可以代表充气很足的篮球，0则代表没有任何反d力。d性系数一般不能高于0.9，否则会导致物体反d的速度比撞击前的速度还快，这样它会变得越来越快，没有止境。

最后两个参数决定了两个物体表面都具有摩擦系数和d性系数时，如何计算综合的摩擦系数和d性系数。可选择取平均值、取最大值、取最小值或相乘4种方式。

最后，有两点值得说明。

一是物理材质是配合碰撞体使用的。碰撞体有一个“材质”（Material）的属性，这里自然不是指渲染材质，而是指物理材质。将创建好的物理材质拖曳到该属性上即可指定该属性。

二是不指定任何物理材质时，碰撞体具有默认的物理材质。

FixedUpdate

当设备运行不流畅、帧率下降时，会发现Time.deltaTime变大了（即帧与帧之间的时间间隔变长），但是Time.fixedDeltaTime却不会。一般Time.fixedDeltaTime会是一个固定的值（默认为0.02秒，可以通过选择主菜单的Edit→Project Settings→Time来修改）。

物理更新不仅要保证频率高，还要保证频率稳。不稳定的频率一样会带来糟糕的效果，因此所有的物理系统处理都在引擎循环中的一个专门环节上完成。

游戏世界的时间是一个虚拟的概念，一定程度上可以人为控制。如果在某个时刻T，硬件卡顿了0.06秒，正好错过了3次FixedUpdate()的调用时机，那么在下一次有机会运行的时候，FixedUpdate()函数会补上之前错过的3次，连续执行4次，而且还会“假装”这4次的调用时间点分别是T+0.02s、T+0.04s、T+0.06s、T+0.08s。通过这样的机制，就能确保无论硬件运行是否稳定，游戏都能保证“稳定”的物理更新，避免出现奇怪的结果。作为对比，Update()函数则没有这个特性。

对于摄像机抖动问题：

由于刚体因速度或受力而产生的运动，属于物理更新。而Update()函数和LateUpdate()函数不属于物理更新，这其中有着微妙的时间差。要解决这个问题并不难，针对物理移动的刚体，只要将跟随摄像机的移动也编写到FixedUpdate()里，抖动的问题就会消失了。

修改角速度

void Update()
{
     if (Input.GetKeyDown(KeyCode.R))
     {
         rigid.angularVelocity = new Vector3(0, 60, 0);
     }
}

质心

public class Tumbler : MonoBehaviour
{
  Rigidbody rigid;
  void Start () {
        rigid = GetComponent<Rigidbody>();
        // 设置centerOfMass就可以指定重心了（本地坐标系）
        rigid.centerOfMass = new Vector3(0, -1, 0);
    }
}

更多施加力的方式

void AddForceAtPosition(Vector3 force, Vector3 position);
void AddForceAtPosition(Vector3 force, Vector3 position, ForceMode mode);
//之前讲解函数AddForce()时，忽略了它的最后一个参数——ForceMode（力的模式），AddForceAtPostion()函数同样也有该参数。
//“力的模式”参数是一个枚举类型，定义如下
public enum ForceMode
{
        // 默认方式为持续施加力，符合牛顿力学
    Force = 0,
        // 设置为瞬间爆发力，适合表现快速猛烈的力，例如爆炸
        // 力的持续时间有区别，但仍然符合牛顿力学
    Impulse = 1,
        //  瞬时改变刚体速度，不考虑物体质量
    VelocityChange = 2,
        //  直接改变加速度，不考虑物体质量
    Acceleration = 5
}

刚体约束

• 编辑器界面修改

• 脚本修改

//  冻结所有的缩放和旋转
rigid.constraints = RigidbodyConstraints.FreezeAll;

//  仅冻结沿x轴的位移，取消所有其他约束
rigid.constraints = RigidbodyConstraints.FreezePositionX;

//  仅冻结所有旋转，取消位移约束
rigid.constraints = RigidbodyConstraints.FreezeRotation;

//  冻结沿x轴和z轴的旋转，冻结沿y轴的位移
rigid.constraints  = RigidbodyConstraints.FreezeRotationX 
 | RigidbodyConstraints.FreezeRotationZ 
 | RigidbodyConstraints.FreezePositionY;

Rayhirox于2022-04-08使用Notion整理完毕