基于2D多边形的碰撞检测和响应(一)

简介
本文是阐述如何在2D动作游戏中进行精确而高效的碰撞检测。这里的碰撞是基于多边形而不是基于精灵的。这两者之间在设计上会有不同。
 
基于精灵的碰撞检测是通过精灵之间的重叠的像素来完成的。而多边形使用向量数学来精确计算交点,时间和碰撞方向。虽然多边形仅仅是精灵的一个近似,但是它比精灵系统要高级。
 
  • 可以精确模拟逼真的简单物理学,例如反弹,摩擦,斜面的滑行
  • 碰撞检测可以更精确的用于高速精灵系统。在基于精灵的系统中,如果物体移动过快就会在跳过另一个物体。
  • 基于向量数学因此可以扩展到3D,然而精灵碰撞系统被严格限制在2D的情况下。

特性
本文使用的算法只适用于凸多边形,例如三角形,四边形,六边形,圆形。对于非凸多边形,你可以将其分解为多个凸多边形,例如三角形。
 
算法可以用于快速移动或慢速移动的多边形。不管物体移动多快,碰撞都不会丢失。它也可以处理重叠的问题,并促使交叠物体分离。
 
演示也支持分割多边形交叉。这可以用于子弹的建模。
 
同时提供了简单的物体系统,弹力,一些基本的摩擦和静摩擦力。用于确保物体不会从斜面上滑落。
 

有一个刚体系统的例子,使用了Chrsi Hecker的物理教程。


限制
有序碰撞。就是说并不是有序的进行碰撞。这对于快速移动的物体会出现一定的问题。一旦碰撞被检测到,它就被直接处理了。理想状态下你可能需要找到一个碰撞点并处理它,然后寻找更多的碰撞。但是对于2D动作游戏,这通常是不必要的。

一、分离坐标轴方法
这个方法是碰撞检测的核心。它的规则非常简单并且非常易于实现。这个方法也非常快并且非常可靠,因为计算中没有使用除法操作,下面给出一个简单的基于两个BOX的碰撞检测的例子。

基于2D多边形的碰撞检测和响应(一)_第1张图片

算法试图在两个物体之间找到一个合适平面,如果这个平面存在,那么物体就没有相交。
 
为了测试物体是否是分开的,简单的方法是投影这个物体到平面的法线上,并比较两者之间的间距看二者是否重叠。
 

显然有无数的平面可以用来分割两个物体。但是已经经过证明的是:你只需要使用一部分平面来进行测试,对于BOX从上图中可以看出平面的法线为BOX B的长轴。

 
对于BOX来说需要测试的分割平面是那些法线等于两个BOX的轴向的平面。因此对于两个BOX来说,你只需要测试4个分割平面即可。在这四个平面里,一旦发现一个分割平面可以分割BOX那么你就可以断定这两个BOX是不相交的。
 
如果四个平面都不能分割BOX,那么这两个BOX一定是相交的,也就是出现了碰撞。
 
可以扩展这个算法到普通的多边形,算法是相同的,只用需要测试的平面的数量改变了。并且分割平面在每个多边形边的垂直方向上又有一个法线。在下图中,你可以看到两个分割平面用于测试。在红色的平面上你可以看到两个间隔是重叠的。然而,在蓝色的平面上间隔是不重叠的,因此,蓝色的平面的是分割平面,因此物体是不相交的。

基于2D多边形的碰撞检测和响应(一)_第2张图片

现在,我们有一个算法来检测两个多边形是否是相交的。代码可以分为三个部分:

a)         生成需要测试的分离轴

b)        计算每一个多边形在分离轴法线上的投影

c)        检测这些投影是否相交

bool Intersect(Polygon A, Polygon B)
{
    for(I = 0; I < A.num_edges; I ++)
    {
        Vector N = Vector(-A.EdgeDir[I].y, A.EdgeDir[I].x);
        if (AxisSeparatePolygons(N, A, B))
            return false;
    }
    for(I = 0; I < B.num_edges; I ++)
    {
        Vector N = Vector(-B.EdgeDir[i].y, B.EdgeDir[I].x);
        if (AxisSeparatePolygons (N, A, B))
            return false;
    }
    return true;
}

 

void CalculateInterval(Vector Axis, Polygon P, float& min, float& max)
{
    float d = Axis dot P.vertex[0]; //
从坐标原点开始计算向量
    min = max = d;
    for(I = 0; I < P.num_vertices; I ++)
    {
        float d = P.vertex[I] dot Axis;
        if (d < min)
            min = d;
        else
        if(d > max)
            max = d;
    }
}

算法检测2D多边形之间的碰撞,这个算法非常的快速和适用。边的方向不需要单位化,因此你可以避免存贮边的方向,并通过多边形的顶点直接得到边的方向。

for(J = A.num_vertices-1, I = 0; I < A.num_vertices; J = I, I ++)
{
    Vector E = A.vertex[I] – A.vertex[J];
    Vector N = Vector(-E.y, E.x);

    if (AxisSeparatePolygons(N, A, B))
        return false;
}

 

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