Box2D物理基础知识

Box2D简介

Box2D是一个用于游戏的2D刚体仿真库。它可以使游戏中物体的运动更加逼真。 Box2d有C++，flash和Java等版本。

    Box2D会自动管理各个物体的碰撞，弹跳等物理状态，我们只需要创建各种刚体。创建刚体可以通过b2BodyDef.userData来创建。b2Shape.SetAsBox(width,height)指的是物体的半宽和半高，所以在计算时都要乘以2。由于Box2D本身的限制，运算时要进行长度换算。

Box2D核心概念

• 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。

• 形状(shape)

一块严格依附于物体(body)的 2D 碰撞几何结构(collisiongeometry)。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 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。

• 积分器(integrator)

积分器在离散的时间点上模拟物理方程，它将 与游戏动画循环一同运行。通常来说游戏物理引擎需要至少  60Hz 的速度，也就是 1/60 的时间步。

• 约束求解器(constraint solver)

约束求解器用于解决模拟中的所有 约束，一次一个。要得到良好的解，需要迭代所有约束多次。建议的  Box2D 迭代次数是 10 次。

Box2D注意事项

• 全局的对象的构造函数作了三件事情：

1、一个在b2AABB类中的实例构建的坐标系统  

 2、一个定义重力的向量，这是一个b2Vec2类构建的实例。  

 3、一个布尔变量来定义对象是否"沉迷"。（如果你设置为true，对象将会沉迷）。

4、执行Step()函数，每一帧都会更新所有的Body在world中的位置。 

5、Box2D中的单位为米，30像素==1米。所以在box2D中经常会看到 坐标点乘以30，这样就不奇怪为什么用30而不是15或者20的了。

Box2D   Body

    创建好World后，可以向World内部添加任何球体或者盒子，以及你想到的任何形状的东西，那我就需要定义一个Body。

一个body体大概需要做2-4件事情：

1、定义一个形状

2、一个（x,y）的位置

3、角度

4、一个预制的Sprite对象

    其中3、4是可选操作。这里我可能不会讲到Box2D内设的一些画图类库，因为我们在实际的操作中，可能用的都是自定义的。内设的类库一般用来模拟比较好，进行实际开发可能不适合，所以大家有想研究内设画图类库的可能需要自己去研究一下了。

Box2D      b2ShapeDef

     如果你想在你的游戏或者其他的什么中具有一些有特色的东西，你可以通过综合形状定义Body来制作一个Sprite。形状的定义，有3种类型的形状定义，他们都是扩展的b2ShapeDef基类。

b2BoxDef类具有4个重要的属性：

1、SetAsBox(设定边框):这是一个向量，本质上说他就是一个形状的中心坐标

2、Density(密度):在碰撞的等式中使用密度*面积=质量，密度如果是0或者null,将会是一个静止的对象。  

3、Friction(摩擦力):这用来计算两个对象之间的摩擦，可以在0.0-1.0之间调整它们。

4、Restitution(弹性):这是调整对象弹性程度的属性，可以在0.0-1.0之间调整它们。       b2CircleDef类中有一个不同的属性，代替SetAsBox是他的Radius(半径)。

     b2PolyDef类具有一个顶点数组（最大是8）来代替SetAsBox和Radius。这些顶点都是b2Vec2类型的对象。  

以下通过实例来讲述Box2D的基本用法，在打开源文件进行测试时，需要把Box2D的类库放在目录下面，程序才能正常运行。

Box2D    Hello World

Hello World实例中会讲述Box2D 的基础用法。

1、准备好Box2D类库

2、在画自己的形状时，如果不想自己给自己添乱，定义的形状width或者height尽量都能被30整除，这样便于我们的计算

3、按前面的讲述，我们需要创建的全局变量里面要有一个World，记分器、约束求解器。同样还要准备一个盒子(b2AABB)、重力(gravity)、是否能睡眠(doSleep)

4、添加形状需要用到b2Body、b2BodyDef、b2PolygonDef(多边形)、b2CircleDef(圆形)这几个常用的类。

     Hello World里面的难点应该就是第4点，希望大家能注意一下，如果自己做例子时Rect与Circle应该怎样添加。例子中创建了静态地面与动态的物体。upData函数让整个世界运转起来，你可能不需要知道for循环里面到底是怎么运作的，只需要知道这个for循环让这个对象开始在世界中进行模拟就可以了(这个for循环是必须的)。Box2D 鼠标与刚体交互之移除选中刚体

      此示例在Hello World的基础之上进行扩展，关键操作为

getBodyAtMouse()函数，早起看过C++版本而写的此函数。现在网络上可能也能搜到类似的，但是都讲的不是很详细。不过这个函数你有可能不需要到底是怎样运行，仅仅知道这个函数返回与鼠标点相交的刚体就可以了。下面解释一下getBodyAtMouse()函数的机制：

     当鼠标点击时，得到当前鼠标的坐标点，在此鼠标点产生一个很小的刚体，半径在0.001内就有效，然后遍历整个世界内部与小刚体产生碰撞的刚体，最后返回碰撞的刚体。返回的刚体都是唯一的，说唯一是因为世界内部的对象都是刚体，既然是刚体，就不会产生两个刚体重叠或者相交的情况，所以大家不要感到我说的唯一 很奇怪。

Box2D  鼠标与刚体交互之拖拽刚体

     由于Box2D是不直接与鼠标交互的，而是通过鼠标关节

b2MouseJoint交互的。

交互的过程由四个步骤完成：

• 第一步：获取鼠标单击处的刚体。
• 第二步：创建鼠标关节。
• 第三步：控制鼠标关节。
• 第四步：销毁鼠标关节。

获取刚体：

public function getBodyAtMouse(world:b2World,stage:Stage,includeStatic:Boolean=true):b2Body

             {

                            var mouseb2Vec:b2Vec2 = new b2Vec2(stage.mouseX / 30, stage.mouseY / 30);

                            var aabb:b2AABB = new b2AABB();

                            aabb.lowerBound.Set(mouseb2Vec.x - 0.001, mouseb2Vec.y - 0.001);

                            aabb.upperBound.Set(mouseb2Vec.x + 0.001, mouseb2Vec.y + 0.001);

                            var maxCount:int = 10;

var shapesArray:Array = new Array();

                            var count:int = world.Query(aabb, shapesArray, maxCount);

                            var body:b2Body;

                            for (var i:int = 0; i < count;i++ )

                            {

                                if (!shapesArray[i].m_body.IsStatic()||includeStatic)

                                {

                                               var tShape:b2Shape = shapesArray[i] as b2Shape;

                                               var inside:Boolean = tShape.TestPoint(tShape.m_body.GetXForm(), mouseb2Vec);

                                               if (inside)

                                               {

                                                        body = tShape.m_body;

                                                        break;

                                               }

                                }

                            }

                            return body;

             }

创建关节：

var lbf_tempBody:b2Body = getBodyAtMouse(lbf_world, stage);

                            if (lbf_tempBody)

                            {

                                     //设置关节

                                     var lbf_mouseJointDef:b2MouseJointDef = new b2MouseJointDef();

                                     // 设置body1为无碰撞检测形状的静态刚体

                                     lbf_mouseJointDef.body1 = lbf_world.GetGroundBody();

                                     // 设置body2为当前被检测到被点击的刚体

                                     lbf_mouseJointDef.body2 = lbf_tempBody;

                                     // 设置鼠标关节的目标位置

                                     lbf_mouseJointDef.target.Set(mouseX / 30, mouseY / 30);

                                     // 设置鼠标关节的力度

                                     lbf_mouseJointDef.maxForce = 10000;

                                     // 设置鼠标关节的时间步

                                     lbf_mouseJointDef.timeStep = lbf_timeStep;

                                     // 在世界中创建这个b2MouseJoint对象

                                     lbf_mouseJoint = lbf_world.CreateJoint(lbf_mouseJointDef) as b2MouseJoint

                                    

                                     lbf_mouseJointDef = null;

                                     lbf_tempBody = null;

                            }

控制关节：

//控制鼠标关节很简单，就是在帧循环时间中不断更新鼠标关节的目标位置。
if (lbf_mouseJoint)
{
         lbf_mouseJoint.SetTarget(new b2Vec2(mouseX / 30, mouseY / 30));
}
销毁关节：
if (lbf_mouseJoint)
{
         lbf_world.DestroyJoint(lbf_mouseJoint);

         lbf_mouseJoint = null;
}

具体细节请详看：

Box2D   鼠标与刚体交互之拖拽刚体

Box2D    键盘事件

       在Box2D中，刚体不仅会受到重力、碰撞等影响，而且也可以施加一个力对它

//造成影响。可以通过至少以下这几个方法去移动一个刚体：
public function ApplyForce(force:b2Vec2, point:b2Vec2) : void
//向目标（世界位置）施加一个力，如果这个力不是施加在刚体的质心，它将产生一个扭矩并影响其角速度，在此之前，它将自动唤醒刚体。力的单位为N。（1N=1kg*m/s^2）
public function ApplyImpulse(impulse:b2Vec2, point:b2Vec2) : void
//向目标（世界位置）施加一个冲量，它将立刻改变刚体的速度，如果这个力不是施加在刚体的质心，它将影响其角速度，在此之前，它将自动唤醒刚体。冲量的单位为kg * m/s 或 N*s。
public function SetLinearVelocity(v:b2Vec2) : void

直接设置质心线速度，需要注意的是它是不会自动唤醒刚体的，所以你必须事先唤醒施加对象再设置质心线速度，免得以为方法不执行。遇到问题应如何具体操作：

//左右移动时：
direction.Set(-2, 0);/direction.Set(2, 0);
player.WakeUp();
player.ApplyForce(direction, player.GetWorldCenter());
//跳跃时：
direction.Set(0, -5);
player.WakeUp();
player.ApplyImpulse(direction, player.GetWorldCenter());