物理引擎-Box2d简介

我们介绍了常见的各种游戏特效的实现，你现在可以很轻松的实现各种游戏中所需要的特效，但是，你可能已经意识到了，我们的游戏一般都需要进行碰撞检测，比如前面的火柴棍小人，我们需要检测子弹和敌人之间的碰撞；碰撞检测通常是游戏开发的难点，作为引擎必然少不了碰撞检测部分，这里我们还是按照cocos2d的构架，使用Box2d作为物理引擎，下面我们将通过在Ophone平台实现一个小游戏，来对Box2d物理引擎进行学习。

Box2d

Box2D是一个用于游戏的2D刚体仿真库，它可以使物体的运动更加真实，让游戏场景看起来更具交互性。2D物理引擎能增强游戏世界中物体如多边形（砖块，三角形，多边形）的动作的真实感从而提高游戏质量。该引擎通过用户设定的参数如重力，密度，摩擦，弹性等参数计算碰撞，角度，力和动力等。这些计算需要大量的数学，物理等知识，如果有兴趣也可以下载其源码来研究。
Box2d同时也提供了各种语言环境的实现，由于Ophone平台使用JAVA作为变成语言，所以我们将选择使用Box2d的java版JBox2d，这也将产生一个问题，JBox2D是用processing库来处理图像显示，所以Ophone平台上则不适用，在Ophone平台上的图像渲染主要包括两种：Canvas和Opengl ES，因此我们可以任选其中一种，这里为了配合我们的引擎实现，选择通过Opengl ES来作为渲染部分，这部分就需要我们自己来实现，其实我们也可以不使用其图像渲染部分，因为我们主要是使用Box2d来做物理检测，稍后我们会通过一个实例游戏来介绍。
另外，比较优秀的2D物理引擎还有Chipmunk，对于谁好谁坏，我们这里不去评价，如果要使用Chipmunk作为物理引擎会比Box2d稍微苦难一些，因为Chipmunk目前没有Java版本，所以只能通过JNI方式来使用，这就需要使用NDK来开发原生的C程序，使用C语言来做，效率要高很多，但是开发，调试的难度也将增加，有机会我们将可以介绍如何使用NDK来编写C程序，并同时整合Chipmunk物理引擎。
这里只是我们对Box2d的一个简单介绍，让大家明白其用处，关于更多详细信息，大家可以参考其官方网站http://www.box2d.org/，图12-1则是cocs2d中演示的Box2d物理引擎效果，学完这部分内容，你也可以很轻松将其运行在Ophone平台上。

图12-1中这每个方块都具有重力，摩擦力，碰撞检测规则，他们都处于同一个世界场景中，不必眼红iPhone开发者，下面就给大家看一下，我们在Ophone平台提供的示例物理小游戏。
在学习使用Box2D引擎之前，我们需要了解一下一些常用的概念：
刚体(rigid body)
一块十分坚硬的物质，它上面的任何两点之间的距离都是完全不变的。它们就像钻石那样坚硬。我们用物体(body)来代替刚体。
形状(shape)
一块严格依附于物体(body)的 2D 碰撞几何结构(collision geometry)。形状具有摩擦(friction)和恢复(restitution)的材料性质。
约束(constraint)
一个约束(constraint)就是消除物体自由度的物理连接。在 2D 中，一个物体有 3 个自由度。如果我们把一个物体钉在墙上(像摆锤那样)，那我们就把它约束到了墙上。这样，此物体就只能绕着这个钉子旋转，所以这个约束消除了它 2 个自由度。
接触约束(contact constraint)
一个防止刚体穿透，以及用于模拟摩擦(friction)和恢复(restitution)的特殊约束。你永远都不必创建一个接触约束，它们会自动被 Box2D 创建。
关节(joint)
它是一种用于把两个或多个物体固定到一起的约束。Box2D 支持的关节类型有：旋转，棱柱，距离等等。关节可以支持限制(limits)和马达(motors)。
关节限制(joint limit)
一个关节限制(joint limit)限定了一个关节的运动范围。例如人类的胳膊肘只能做某一范围角度的运动。
关节马达(joint motor)
一个关节马达能依照关节的自由度来驱动所连接的物体。例如，你可以使用一个马达来驱动一个肘的旋转。
世界(world)
一个物理世界就是物体，形状和约束相互作用的集合。Box2D 支持创建多个世界，但这通常是不必要的。
这里先给大家介绍就是让大家明白Box2d包括哪些内容，稍后对框架的介绍时就能更加容易理解，当然对于这些具体的功能，我们会在后面跟着示例代码一起学习。

Ophone Box2d

首先分析一下我们在Ophone平台上的Box2dDemo需要实现什么功能，首先我们将整个屏幕构建成一个盒子，然后再盒子中设置各种障碍，当我们触摸屏幕上任意位置时，就释放一个当前选择的物体，然后该物体将受到重力等因素的影响开始运动，直到最后静止下来。运行效果如图12-2所示。

屏幕中间的长条则是我们设置的障碍，而圆形和矩形都是我们在点击屏幕时要释放的物体，前面我们说过，JBox2d中的图形部分在Ophone中不能用，所以我们会专门介绍如何通过Opengl ES来对图形图像进行渲染，另外，该示例中的这些物体都是通过纹理映射来将图片映射到四边形上。为了大家能掌握图形系统相关内容，我们还实现了一个功能，玩家可以自己设置障碍，只需要点击Menu中，选择"编辑模式"就可以进入障碍编辑状态，如图12-3所似。

当障碍编辑完成之后再次选择编辑模式，则恢复到游戏中，此时我们所编辑的这些障碍都会正常的运行。当然该过程我们并没有使用引擎来完成，目的在于让大家更清楚渲染的原理，以及代码能够更多的重用，也就是说，大家可以直接拷贝代码到需要的游戏中去即可。同时大家也能掌握很多Opengl ES的相关知识。

Ophone平台如何使用JBox2d

要使用JBox2d我们首先需要获得其源码或者jar包，这个就不用多说了，知道其官方网站下载即可，这里我们下载了一个完整版本jbox2d-2.0.1-full.jar，让后将其放入我们所建立OphoneBox2d工程的lib文件夹下，JBox2d中大致包含了如图12-4所示的一些包：

 

图12-4 JBox2d结构图

 

其中org.jbox2d.collision比较重要，主要负责处理碰撞相关，包括对一些多边形的实现，这里所说的多边形主要是一些数据，比如多边形的位置，大小，重力，形状，质量等属性；org.jbox2d.common包主要用来设置一些全局的属性（Setting.java），调试时所使用的颜色（Color3f.java），以及其他的一些数学相关的内容，因为我们说了Box2d他主要不是来做渲染的，但是有时候我们需要知道所设置的这些物体是否正确，进行调试，就需要绘制这些简单的图形，并显示出来，供我们调试；org.jbox2d.dynamics包主要负责动力学相关的内容，下面是常见的功能包描述。
org.jbox2d.collision包
AABB：AABB坐标
OBB：OBB坐标
ContactID：接触ID
ContactPoint：接触点
ManifoldPoint：繁殖点
Segment：线段
Shape：外形基类
ShapeDef：外形定义基类
CircleDef：圆外形定义
CircleShape：圆外形
FilterData：碰撞过滤器
MassData：质量运算器
PolygonDef：多边开定义
PolygonShape：凸多边形
org.jbox2d.common包
Color3f：调试绘图颜色
Settings：全局设置
Mat22：2*2 矩阵
Sweep：碰撞描述
Vec2：向量(x ,y)
XForm：坐标转换,平移或旋转
标准的版本中还会存在Mat33表示3*3的矩阵和Vec3向量（x,y,z），该java版本中没有出现这些。
org.jbox2d.dynamics包
Body：刚体或叫物体
BodyDef：刚体定义
BoundaryListener：世界边界侦听
ContactFilter：继承这个类用来获取过滤碰撞
ContactListener：继承这个类用来获取碰撞结果
DebugDraw：调试绘图,用于调试
DestructionListener：关节或外形销毁时处理方法
World：物理世界
org.jbox2d.dynamics.contacts
Contact：管理两个外形接触
ContactEdge：接触边用来连接多个物体和接触到一个接触表
ContactResult：记录接触结果
org.jbox2d.dynamics.Joints
DistanceJoint：距离校正器
DistanceJointDef：距离连接定义
GearJoint：齿轮
GearJointDef：齿轮连接定义
Joint：连接基类
JointDef：连接定义基类
JointEdge：用于组合刚体或连接到一起.刚体相当于节点,而连接相当于边
MouseJoint：鼠标连接
MouseJointDef：鼠标连接定义
PrismaticJoint：棱柱连接
PrismaticJointDef：棱柱连接定义
PulleyJoint：滑轮连接
PulleyJointDef：滑轮连接定义
RevoluteJoint：旋转连接
RevoluteJointDef：旋转连接定义
org.jbox2d.testbed：主要是一些用来测试的程序

添加JBox2d到Ophone项目中
要在工程中使用JBox2d库，需要将JBox2d添加到工程中，添加方法如下：
右键单击工程，选择"Properties"，进入项目Properties界面。
选择"Java Build Path"，选择"Libraries"选项卡。
在点击"Add Jars..."按钮，添加Jar。
选择当前工程中我们之前放入lib文件夹中的jbox2d-2.0.1-full.jar文件，如图12-5所示，单击"确定"按钮即可。

OphoneBox2d框架

现在工程的结构展开应该如图12-6所示。

其中实现该工程的文件如下：
Box2dTest：工程Activity，入口
GameGLSurfaceView：游戏GLSurfaceView
GLRenderer：Opengl es渲染器
DrawObject：使用Opengl ES来绘制常用图形（矩形，圆形）
PhysicsWorld：物理世界场景

OphoneBox2d实现

开始分析代码之前，我们先确定一下需要准备的资源图片，从图12-2所示，我们可以看出，多少需要一个矩形和一个圆形的图片（当然也可直接指定颜色绘制矩形和圆形），这里我们将使用图片来进行纹理映射，该工程所需要的纹理图片如图12-7所示。

Box2dTest实现

该类继承自Activity，将作为本程序的入口，授予我们是通过Opengl ES来渲染的，所以构建需要构建一个GLSurfaceView对象作为Opengl ES的窗口，然后通过setContentView函数来设置显示该窗口视图。然后分别在onPause和onResume函数中调用GLSurfaceView类的GLSurfaceView。当然这也是所有Opengl ES程序的渲染基础框架，所有的Opengl ES程序窗口都由GLSurfaceView来实现。具体实现入代码清单12-1所示。
代码清单12-1：Box2dTest.java

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public class Box2dTest extends Activity { 　　 private GLSurfaceView mGLView; 　　 /** Called when the activity is first created. */ 　　 @Override 　　 public void onCreate(Bundle savedInstanceState) { 　　 super.onCreate(savedInstanceState); 　　 //构建GLSurfaceView视图 　　 mGLView = new GameGLSurfaceView(this); 　　 setRequestedOrientation(ActivityInfo.SCREEN_ORIENTATION_PORTRAIT); 　　 getWindow().addFlags(WindowManager.LayoutParams.FLAG_FULLSCREEN); 　　 //设置GLSurfaceView视图 　　 setContentView(mGLView); 　　 } 　　 @Override 　　 protected void onPause() { 　　 super.onPause(); 　　 mGLView.onPause(); 　　 } 　　 @Override 　　 protected void onResume() { 　　 super.onResume(); 　　 mGLView.onResume(); 　　 } 　　 //创建按钮 　　 public boolean onCreateOptionsMenu(Menu menu) { 　　 menu.add(Menu.NONE, 1, Menu.NONE, "编辑模式"); 　　 menu.add(Menu.NONE, 2, Menu.NONE, "选择模型"); 　　 return true; 　　 } 　　 //按钮事件处理 　　 public boolean onOptionsItemSelected(MenuItem item) { 　　 switch (item.getItemId()) { 　　 case 1: 　　 //切换编辑模式 　　 ((GameGLSurfaceView) mGLView).toggleEdit(); 　　 return true; 　　 case 2: 　　 //选择模型 　　 ((GameGLSurfaceView) mGLView).toggleModel(); 　　 return true; 　　 } 　　 return false; 　　 } 　　}     

前面我们说了，可以通过Menu来切换模式和选择模型，因此我们在onCreateOptionsMenu中添加了两个菜单选项，其中"编辑模式"用来切换编辑状态和游戏状态，"选择模型"则用于选择我们触摸屏幕时所释放的模型，这里主要包括矩形和圆形，因此在菜单事件处理函数onOptionsItemSelected中，我们分别对两个菜单选项进行了处理，具体实现位于GameGLSurfaceView中。

GameGLSurfaceView实现

要实现一个用于显示Opengl ES窗口程序的视图，Ophone为我们提供了GLSurfaceView类，因此我们的GameGLSurfaceView类可以继承自GLSurfaceView很轻松的实现Opengl ES视图，该视图中有一个重要的部分，那就是Renderer，每一个Opengl ES窗口视图都需要一个渲染器来负责渲染。本例中的渲染器GLRenderer直接通过继承自Renderer来实现，GLSurfaceView中可以通过setRenderer来设置一个自定义的渲染器。具体实现入代码清单12-2所示。
代码清单12-2：GLSurfaceView.java

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public class GameGLSurfaceView extends GLSurfaceView { 　　 GLRenderer mRenderer; 　　 public GameGLSurfaceView(Context context) { 　　 super(context); 　　 mRenderer = new GLRenderer(context); 　　 setRenderer(mRenderer); 　　 } 　　 public void toggleEdit() { 　　 mRenderer.toggleEdit(); 　　 } 　　 public void toggleModel() { 　　 mRenderer.switchModel(); 　　 } 　　 public boolean onTouchEvent(final MotionEvent event) { 　　 mRenderer.setSize(this.getWidth(), this.getHeight()); 　　 //线程通信 　　 queueEvent(new Runnable() { 　　 public void run() { 　　 mRenderer.touchEvent(event.getX(), event.getY(), 　　 event.getAction()); 　　 } 　　 }); 　　 // sleep 　　 try { 　　 Thread.sleep(20); 　　 } catch (InterruptedException e) { 　　 e.printStackTrace(); 　　 } 　　 return true; 　　 } 　　}     

该窗口类的实现非常简单，基本上将所有需要处理的情况都转交给了Renderer，这里一个需要值得注意的地方，我们在 GameGLSurfaceView.onTouchEvent()中使用了queueEvent()方法。queueEvent()主要用于在UI线程和渲染线程（Renderer）间通信。当然也可以用其他的Java线程通信技术， 如synchronized方法，AsyncTask，Handler等，但queueEvent是最简单的线程通信方法。另外Android中View的线程通信还可以使用postInvalidate()函数来实现重绘操作。

总结

本文主要介绍了开源2D物理引擎Box2d的一些功能特征，以及如何在Ophone平台上使用Box2d的java版JBox2d；同时我们完成了使用该物理引擎实现的小游戏的框架，接下来我们就将通过完整实现该游戏的过程来学习使用JBox2d作为游戏开发中的物理引擎部分，同时大家可以考虑如何使用JNI来使用Box2d开发原生程序，加油哦，下一篇文章我们就将做出一个物理效果很酷的游戏来了。由于分享经验的心情急切，难免会出现一些疏忽或错误，还望不吝赐教！