(转载)Box2D v2.3.0 用户手册中文版(第1章)-导言

小鱼儿 2022-05-29 05:27 263阅读 0赞

# Chapter 1 导言 #

## 1.1 关于 ##

Box2D 是一个用于游戏的 2D 刚体仿真库。程序员可以在他们的游戏里使用它，它可以使物体的运动更加真实，并让游戏世界看起来更具交互性。从游戏引擎的视角来看，物理引擎就是一个程序性动画 (proceduralanimation)的系统。

> (**译注**: 做动画常有两种方法, 一种是预先准备好动画所需的数据，比如图片，再一帧一帧地播放。另一种是以一定方法，动态计算出动画所需的数据，根据数据再进行绘图。  
> 从这种角度看，预先准备的，可称为数据性动画，动态计算的可称为程序性动画。  
> 这个区别，就类似以前我们做历史题和数学题，做历史题，记忆很重要，也就是答案需要预先准备好的。做数学题，方法就很重要，答案是需要用方法推导出来的。  
> Box2D就是用物理学的方法，推导出那游戏世界物体的位置，角度等数据。而Box2D也仅仅推导出数据，至于得到数据之后怎么处理就是程序员自己的事情了。)

Box2D 是用可移植的 C++ 写成的。引擎中大部分类型的定义都有 b2 前缀,希望这能有效的消除它和你的游戏引擎之间的名字冲突。

## 1.2 先决条件 ##

在此,我假定你已经熟悉了基本的物理学概念，例如质量、力、扭矩和冲量。如果没有，请先查询一下Google搜索和维基百科。  
Box2D是游戏开发者大会(Game Developer Conference，GDC)的物理学教程的一部分。你可以从box2d.org的下载页面获得这些教程。  
因为 Box2D 是用 C++ 写成的，所以你应该具备 C++ 程序设计的经验。Box2D 不应该成为你的第一个 C++ 程序项目。你应该已经能熟练地编译，链接和调试了。

> **注意**  
> Box2D 不应该成为你的第一个 C++ 程序项目。你应该已经能熟练地编译，链接和调试了。网络上有很多关于C++的资料。

## 1.3 关于手册 ##

这个手册包含了主要的Box2D的API，但并不是每一个都包含了 。你可以通过阅读Box2D自带的testbed程序的代码来学习更多的东西。而且Box2D代码的注释已经按照Doxygen格式编写，可以很容易的创建超链接形式的API文档。  
这个手册只在新版本发布的时候更新。因此相比版本库中的代码版本，它可能已经过时了。

## 1.4 反馈和报告BUG ##

如果你有关于Box2D的问题或者反馈意见，请在论坛留言。这也是社区讨论的好地方。  
Box2D使用 Google code project来跟踪问题。这是个很好的方式，它可以确保你的问题不会淹没在论坛之中。  
请在这里列出BUG和功能需求: [http://code.google.com/p/box2d/][http_code.google.com_p_box2d]  
如果你能提供更有效的细节的话，就能确保你的问题得到解决。一个用于复现问题的testbed用例是很有意义的。你可以在随后章节读到和testbed相关的内容。

## 1.5 核心概念 ##

Box2D 中有一些基本的概念和对象，这里我们先做一个简要的定义,在随后的章节里会有更详细的描述。

### 形状(shape) ###

形状是一个2D的几何对象。例如圆或多边形。

### 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。在后面的讨论中,我们用物体(body)来指代刚体。

### 夹具(fixture) ###

夹具将形状绑定到物体上，并添加密度(density)、摩擦(friction)和恢复(restitution)等材料特性。夹具还将形状放入碰撞系统(碰撞检测(Broad Phase))中，以使之能与其他形状相碰撞。

> (**译注:** 一个物体和另一物体碰撞, 碰撞后速度和碰撞前速度的比值会保持不变，这比值就叫恢复系数。)  
> (**译注:** Broad Phase是碰撞检测的一个子阶段, 将空间分割, 每个空间对应一个子树, 物体就放到树中, 不同子树内的物体不可能相交不用去计算, 在同一个子树由对应的算法再计算出接触点等信息。因为这是远距碰撞检测，就叫Broad Phase, 接下来还有Narrow Phase。)

### 约束(constraint) ###

约束(constraint)就是消除物体自由度的物理连接。一个2D物体有3个自由度（两个平移坐标和一个旋转坐标）。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，因此这个约束消除了它 2 个自由度。

### 接触约束(contact constraint) ###

一种防止刚体穿透，并模拟摩擦和恢复的特殊约束。你不必创建接触约束，它们会自动被 Box2D 创建。

### 关节(joint) ###

它是一种用于把两个或更多的物体固定到一起的约束。Box2D 支持若干种关节类型: 旋转、棱柱、距离等等。有些关节拥有限制(limits)和马达(motors)。

#### 关节限制(joint limit) ####

关节限制限定了关节的运动范围。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) ####

关节马达能依照关节的自由度来驱动所连接的物体。例如，你可以使用马达来驱动胳膊肘的旋转。

### 世界(world) ###

物理世界就是相互作用的物体，夹具和约束的集合。Box2D 支持创建多个世界，但这通常是不必要或不推荐的。

### 求解器(solver) ###

物理世界使用求解器来推算时间，求解接触和关节约束。Box2D的求解器是一种高性能的迭代求解器，它会顺序执行N次，这里的N是约束的个数。

> (**译注**: 即算法的复杂度为O（N）。)

### 连续碰撞(continuous collision) ###

求解器使用时域上的离散时间步来推算物体状态。如果没有特殊处理的话，这会导致隧穿效应。

> (**译注**: 假设我们采用1s的固定时间间隔来推算一个物理系统的运动。那么如果这个系统中有两个物体在某一秒的0.5s的时刻，发生碰撞的话。死板的采用固定时间间隔计算的方法，就会导致物体实际上越过了碰撞点的现象发生，这就是隧穿效应。解决的办法显然是要估算出碰撞发生的时刻，并做相应的处理，这也是下一段提到的TOI的含义。)

![Tunnel1.png][]  
Box2D拥有特殊的算法来处理隧穿效应。首先，碰撞算法能够在两个物体的运动过程中进行插值运算，以找到首次碰撞时间 (the first time of impact,TOI)。接着，一个分步求解器将物体移动到它们的TOI时刻，并对碰撞求解。

## 1.6 模块 ##

Box2D由三个模块组成: 通用模块(Common)，碰撞模块(Collision) 和力学模块(Dynamics). 通用模块包含了内存分配、数学和配置的代码。碰撞模块定义形状、碰撞检测和碰撞的函数或队列。最终力学模块提供对世界、物体、夹具和关节的模拟。  
![modules.png][]

## 1.7 单位 ##

Box2D使用浮点数，所以必须使用公差来保证它正常工作。这些公差已经被调谐得适合米-千克-秒(MKS)单位制。尤其是，Box2D已被调谐得能良好地处理0.1到10米之间的移动物体。这意味着从罐头盒到公共汽车大小的对象都能良好地工作。静态的物体就算大到50米都没有问题。  
作为一个2D物理引擎，使用像素作为单位是很诱人的。但很不幸，那将导致不良的模拟，也可能会造成古怪的行为。一个200像素长的物体在Box2D看来就有45层建筑那么大。

> **注意**  
> Box2D 已被调谐至 MKS 单位。移动物体的尺寸应该保持在大约 0.1 到 10 米之间。当你渲染场景和角色时, 可能要用到一些比例缩放系统。Box2D自带的testbed例子，使用了OpenGL的视口变换。不要使用像素！！！

最好把Box2D中的物体看作是被贴上了你的艺术创作品的移动广告板。这个广告板在一个以米为单位的系统里运动，但你可以利用简单的比例因子把它转换为像素坐标。之后就可以使用这些像素坐标去确定你的精灵(sprites)的位置，等等。你也可以将它的坐标轴翻转过来。

> (**译注**: 坐标轴翻转的含义是比例因子可以为负数。)

Box2D里的角使用弧度制。物体的旋转角度以弧度方式存储，并可以无限增大。如角度变得太大，可考虑将角度进行规范化。（使用b2Body::SetAngle）

> **注意**  
> Box2D使用弧度，而不是度。

## 1.8 工厂和定义 ##

快速内存管理在 Box2D API 的设计中担当了一个中心角色。所以当你创建一个 b2Body 或一个 b2Joint时，你需要调用 b2World 的工厂函数(factory functions)。你不应以别的方式为这些类型分配内存。  
这些是创建函数:

b2Body* b2World::CreateBody(const b2BodyDef* def)
    b2Joint* b2World::CreateJoint(const b2JointDef* def)

这些是对应的销毁函数:

void b2World::DestroyBody(b2Body* body)
    void b2World::DestroyJoint(b2Joint* joint)

当你创建物体或关节时，需要提供定义(definition)。这些定义包含了创建物体或关节时所需的所有信息。使用这样的方法，我们能够预防构造错误，保持较少的函数参数数量，提供有意义的默认值，并减少访问子(accessor)的个数。  
因为fixture必须有父body，所以要使用b2Body的工厂方法来创建并销毁它们。

b2Fixture* b2Body::CreateFixture(const b2FixtureDef* def)
    void b2Body::DestroyFixture(b2Fixture* fixture)

也有个简便的方法直接用形状和密度来创建fixture。

b2Fixture* b2Body::CreateFixture(const b2Shape* shape, float32 density)

工厂并不保留定义的引用，因此你可以在栈上创建定义，并在临时资源中保存它们。

[http_code.google.com_p_box2d]: http://code.google.com/p/box2d/
[Tunnel1.png]: /images/20220529/66aa321145db49fd9b8a84e1c7a7347c.png
[modules.png]: /images/20220529/edca44b4400a4e968876eb59d7736afb.png