独立游戏开发中的物理系统

注：本文选自机械工业出版社出版的《独立游戏开发：基础、实践与创收》一书的小节，略有改动。经出版社授权刊登于此。文末还有赠书福利哦！！！

Unity物理系统更准确的叫法应该是物理引擎（Physics Engine），该引擎是采用NVIDIA的PhysX物理引擎实现的，为避免与游戏引擎本身的名字冲突，本书还是称其为物理系统。所谓物理系统，是指在游戏对象上实现加速度、碰撞、重力、摩擦力及各种外力作用的一系列功能集合。Unity物理系统又分为2D和3D两种类型，两者在使用上大体相似，主要区别是3D物理系统多了一个维度。

Unity物理系统没有总开关，只要在游戏对象上附加并正确设置了物理组件（如Rigidbody、Collider、Joint、Effector等组件），即使用了物理系统功能。下面我们继续开发案例游戏，并基于物理系统实现主角的移动、跳跃、自由落体及更复杂的碰撞检测等功能。

游戏对象调整

对于Road，我们需要将其调整为一个有一定距离且主角可以站立的路面。首先将Road的Sprite Renderer组件Draw Mode属性选择为Tiled（在该属性下，图像会根据游戏对象尺寸自动填充，就像连续的瓦片一样），然后在场景中拖曳Road的左右边框（需要确保工具栏中的变换工具为Rect Tool状态），适当增大其宽度后即可得到一个连续的路面。接下来调整碰撞器范围，在Box Collider 2D组件中单击Edit Collider按钮后，碰撞器范围即进入可编辑状态，调整完后再次单击Edit Collider按钮即可。我们还需要取消碰撞器的Is Trigger属性，以保证主角与路面的碰撞不可穿透，此时尽管Road并未附加Rigidbody 2D组件，但它相当于一个Static状态的刚体。另外，之前的Road脚本已经不适用了，我们将其对应脚本组件从检视窗口移除，并将该脚本文件从项目窗口删除即可。如图1和图2所示：图1展示了检视窗口中Road的相关组件情况，标注框中为相关的调整项；图2展示了Road在场景视图中的情况，注意其碰撞器范围是一个极细的矩形绿色框（图中可能不容易看出来，请读者结合实际操作查看），我们将该范围上边框调整在Road高度二分之一的位置，对应马路中央，也是游戏角色的水平落脚点。

图1 Road游戏对象相关组件情况

图2 调整后的Road游戏对象

注：在图1中，有一个三角形警告符号，其内容提示我们：当前本Sprite图像资源的导入设置可能会造成Tiled模式下的绘制错误。但很明显，我们这里并未出现绘制错误，笔者在实际工作中也尚未遇到过此类错误，忽略该警告即可。或者，可在该Sprite的图像资源导入设置中，将Mesh Type属性设置为Full Rect以消除该警告。

对于Player，我们需要让其拥有重力以及合适的碰撞范围。首先将Rigidbody 2D组件的Gravity Scale属性设置为4，以接受该值大小的重力等级。接着重新选择碰撞器，由于主角有一个近似圆形的外观，因此可用圆形的Circle Collider 2D组件替换Box Collider 2D组件，并适当调整其范围大小，如图3所示。

图3调整后的Player游戏对象

对于RoadBlock，可用类似方法调整其碰撞范围并删除RoadBlock脚本即可，具体步骤这里不再赘述。

渲染顺序修正

我们先运行游戏，可以看到主角会因重力向路面下落，最终被错误地显示在马路后面，如图4所示。要修正此问题，我们需要了解下Sprite Renderer组件的Sorting Layer与Order in Layer属性：Sorting Layer属性中可添加一系列特定名称的排序分组，Unity将按照组顺序依次渲染其中的Sprite；当多个Sprite同属一个Sorting Layer分组时，则可通过Order in Layer属性的值大小来决定它们的渲染顺序。

值得注意的是，Soring Layer与Layer虽然只差一个单词，但在Unity中它们是两个不同的概念，可阅读书中第5章中有关Layer的简要介绍。另外读者应知晓，Sprite Renderer组件功能不属于物理系统功能。

下面，我们开始调整Sorting Layer与Order in Layer。首先，在Sorting Layer中添加一个Player分组：任意选择一个游戏对象，在检视窗口中单击Sorting Layer属性右侧的Default按钮，并在展开的下拉列表中选择Add Sorting Layer选项，即可打开标签与层的有关设置，其中，Sorting Layers栏下默认仅有一个Default分组，右下角的加减号（“+ -”）可增减分组，拖曳左侧的等号（“=”）则可调整组顺序，这里我们添加一个Player分组，并保持现有顺序即可。然后为Player的Sprite选择该分组：单击Player游戏对象，直接将其Sorting Layer属性右侧的选项选择为刚才添加的Player分组即可。接下来，Road与RoadBlock之间同样需要调整渲染顺序：将RoadBlock拖曳到Road上，可看到错误的前后关系，此时保持两者的Sorting Layer同属默认Default分组，我们保持Road的Order in Layer属性为0，再将RoadBlock的Order in Layer属性设为1，即可修正渲染顺序（RoadBlock为0，Road为-1也可以）。图5展示了调整后的运行效果。

图4 错误的渲染顺序

图5 修正的渲染顺序

基于物理系统的移动

这里我们修改PlayerController脚本，将当前基于Transform组件的移动替换为基于物理系统功能的移动，如代码1所示。

代码1 PlayerController.cs

using UnityEngine;
public class PlayerController : MonoBehaviour{    // 用于引用Player的Rigidbody 2D组件    private Rigidbody2D body;    // 表示主角的移动速度    public float speed;
    private void Start()    {        // 获取Player的Rigidbody 2D组件        body = GetComponent();    }
    private void FixedUpdate()    {        KeyboardControl();    }
    private void KeyboardControl()    {        // 通过键盘左右键输入乘以速度变量得出水平速度        float sp = speed * Input.GetAxis("Horizontal");        // 根据水平速度和应有的垂直速度影响刚体速度        body.velocity = new Vector2(sp, body.velocity.y);    }}

上述代码中的GetComponent是一个泛型方法，用于获取已附加组件，尖括号内为该组件的具体类型，这里我们获取Player的Rigidbody 2D组件，并由body变量引用。velocity是Rigidbody 2D组件中一个属性，代表当前刚体的移动速度，我们把一个匿名二维矢量赋值给它，即可实现刚体速度驱动游戏对象的移动。在这个匿名二维矢量中，X维度值即左右方向键输入值与speed变量的积，Y维度值则对应刚体当前在该维度应有的速度（也就是说，我们仅控制水平速度，而不直接控制垂直速度，垂直速度将由外力实现，例如，下落时由物理系统重力产生向下的速度；跳跃时由人物跳跃力产生向上的速度）。

注：对精准名词解释一下，velocity表示速度，speed表示速率。速度是有方向和大小的矢量，而速率是没有方向的值。在没有特别说明时，本书把两者都称为速度。

基于物理系统的跳跃与碰撞

我们继续编写PlayerController脚本代码，为主角添加跳跃能力，并使用更复杂的碰撞检测来判定其是否站立在地面上，如代码2所示。

代码2 PlayerController.cs

using UnityEngine;
public class PlayerController : MonoBehaviour{    // 用于引用Player的Rigidbody 2D组件    private Rigidbody2D body;    // 表示主角的移动速度    public float speed;
    private void Start()    {        // 获取Player的Rigidbody 2D组件        body = GetComponent();    }
    private void FixedUpdate()    {        KeyboardControl();    }
    private void KeyboardControl()    {        // 通过键盘左右键输入乘以速度变量得出水平速度        float sp = speed * Input.GetAxis("Horizontal");        // 根据水平速度和应有的垂直速度影响刚体速度        body.velocity = new Vector2(sp, body.velocity.y);    }}

在上述代码中，我们新增了onGround与jumpPower变量，并使用了OnCollisionStay2D与OnCollisionExit2D方法。onGround变量是一个布尔值，用于说明主角是否站立在地面上（或其他可站立物体上），当该值为真时，我们使用GetAxis("Vertical")获取上下方向键输入值，并在输入值大于0时（向上的方向）调用AddForce方法在刚体上增加一个瞬时的力，该力是一个匿名二维矢量，作为参数传递给AddForce方法，我们这里只需要一个向上的力以产生向上的速度，因此该二维矢量的X维度值设为0，Y维度值则设为代表跳跃力大小的jumpPower变量。

OnCollisionStay2D方法会在Player始终与碰撞对象接触时连续执行，我们使用它检测主角是否站立在地面上，其中，contactCount属性保存了Player与某个碰撞对象之间碰撞点的数量（多数情况下为1），我们用cnum变量保存该数量，并结合for循环与GetContact方法遍历所有的碰撞点；contact变量则用于依次保存遍历结果，每一个碰撞点都有一个normal属性，该属性是一个法线向量（这里该向量是一个长度为1，并与Player碰撞点切线垂直的二维向量），当该向量Y维度值为1时，Player的碰撞点必然在正下方，即站立在地面上。这里我们将该值的判定标准设为0.8，以考虑碰撞点稍稍偏离正下方的情况。OnCollisionExit2D方法会在Player脱离任意碰撞时执行，我们直接在其中将onGround变量赋值为假，即说明Player处于悬空状态。

若此时运行游戏，主角将会以滚动方式移动，这不是我们想要的效果。可在Rigidbody 2D组件中展开Constraints选项并勾选Freeze Rotation Z属性以解决此问题，如图6所示。最后在检视窗口的Player Controller脚本组件中，为Speed与Jump Power属性分别设定一个合适的值（这里我们设定为3和150），即可运行游戏测试最终效果。

图6 在Rigidbody 2D组件中锁定Z轴旋转

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