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。

MatterJS_EngineAndWorld

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

布

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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

MatterJS_EngineAndWorld

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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 frictionStatic。friction 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

  • MatterTools.Demo
  • MatterTools.Gui
  • MatterTools.Inspector (依赖jQuery)

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

物理引擎 Matter.js
Web开发
感谢您的阅读，本文由 凹凸实验室 版权所有。如若转载，请注明出处：凹凸实验室（ https://aotu.io/notes/2017/04/17/Matter-js/）
上次更新：2019-04-20 19:28:31