(转载)BOX2D V2.3.0 用户手册中文版(第2章)-Hello Box2D

￡神魔★判官ぃ 2022-05-29 07:12 149阅读 0赞

# Chapter 2 Hello Box2D #

Box2D的发布包中有个Hello World程序。程序创建了一个大大的地面盒(ground box)和一个小小的动态盒(dynamic box)。代码没有涉及到图形界面，你只能在控制台中看到随时间变化的盒子位置的文字输出。  
这是个很好的例子, 展示了怎么学习和使用Box2D。

## 2.1 创建世界 ##

每个Box2D程序开始时都会创建一个b2World对象。b2World是个物理枢纽(physics hub)，用于管理内存、对象和模拟。你可以在栈, 堆或数据区中创建出world。  
创建Box2D的world很简单。首先，我们定义重力矢量。

b2Vec2 gravity(0.0f, -10.0f);

现在可以创建world对象了。注意，我们是在栈中创建world, 所以world不能离开它的作用域。

b2World world(gravity);

现在我们已经有了自己的物理世界，开始向里面加东西了。

## 2.2 创建地面盒 ##

body用以下步骤来创建：  
1. 用位置(position), 阻尼(damping)等来定义body。  
2. 用world对象来创建body。  
3. 用形状(shape), 摩擦(friction), 密度(density)等来定义fixture。  
4. 在body上来创建fixture。

#### 第一步，创建ground body。 ####

为此我们需要一个body定义。在定义中，我们指定ground body的初始位置。

b2BodyDef groundBodyDef;
    groundBodyDef.position.Set(0.0f, -10.0f);

#### 第二步，将body定义传给world对象，用以创建ground body。 ####

world对象并不保留body定义的引用。body默认是静态的。静态物体和其它静态物体之间并没有碰撞，它们是固定的。

b2Body* groundBody = world.CreateBody(&groundBodyDef);

#### 第三步，创建地面多边形。 ####

我们用简便函数SetAsBox使得地面多边形构成一个盒子形状，盒子的中心点就是父body的原点。

b2PolygonShape groundBox;
    groundBox.SetAsBox(50.0f, 10.0f);

SetAsBox函数接收半个宽度和半个高度作为参数。因此在这种情况下，地面盒就是100个单位宽(x轴),20个单位高(y轴)。Box2D已被调谐 到使用米，千克和秒做单位。你可以认为长度单位就是米。当物体的大小跟真实世界一样时，Box2D通常工作良好。例如，一个桶约1米高。由于浮点算法的局 限性，使用Box2D模拟冰川或沙尘的运动并不是一个好主意。

#### 第四步，我们创建shape fixture，以完成ground body。 ####

在这步中，我们有个简便方法。我们并不需要修改fixture默认的材质属性，可以直接将形状传给body而不需要创建fixture的定义。随后的教程中，我们将会看到如何使用fixture定义来定制材质属性。第二个参数是形状密度，单位是千克/平方米。静态物体的质量定义为0，因此密度对它们是没有用的。

groundBody->CreateFixture(&groundBox, 0.0f);

Box2D并不保存shape的引用。它把数据复制到一个新的b2Shape对象中。

> **注意**  
> 每个fixture都必须有一个父body，即使fixture是静态的。然而，你可以把所有的静态fixture都依附在单个静态body之上。

当你使用fixture 向body添加shape的时候，shape的坐标对于body来说就变成本地的了。因此当body移动的时候，shape也一起移动。fixture的世界变换继承自它的父body。fixture没有独立于body的变换。所以我们不需要移动body上的shape。不支持移动或修改body上的shape。原因很简单：形状发生改变的物体不是刚体，而Box2D只是个刚体引擎。Box2D所做的很多假设都是基于刚体模型的。如果这一条被改变的话，很多事情都会出错。

## 2.3 创建动态物体 ##

现在我们已经有了一个地面body，我们可以使用同样的方法来创建一个动态body。除尺寸之外的主要区别是，我们必须为动态body设置质量属性。  
首先我们用CreateBody创建body。默认情况下，body是静态的，所以在构造时候应该设置b2BodyType，使得body成为动态的。

b2BodyDef bodyDef;
    bodyDef.type = b2_dynamicBody;
    bodyDef.position.Set(0.0f, 4.0f);
    b2Body* body = world.CreateBody(&bodyDef);

> **注意**  
> 如果你想让body受力的影响而运动, 你必须将body的类型设为b2\_dynamicBody。

然后，我们创建一个多边形shape, 并将它附加到fixture定义上。我们先创建一个box shape：

b2PolygonShape dynamicBox;
    dynamicBox.SetAsBox(1.0f, 1.0f);

接下来，我们使用box创建一个fixture定义。注意, 我们把密度值设置为1，而密度值默认是0。并且，shape的摩擦系数设置为0.3。

b2FixtureDef fixtureDef;
    fixtureDef.shape = &dynamicBox;
    fixtureDef.density = 1.0f;
    fixtureDef.friction = 0.3f;

> **注意**  
> 一个动态body至少有一个密度不为0的fixture。否则会出现一些奇怪的行为。

使用fixture定义，我们现在就可以创建fixture。这会自动更新body的质量。要是你喜欢，你可以为body添加许多不同的fixture。每个fixture都会增加物体的总质量。

body->CreateFixture(&fixtureDef);

这就是初始化过程。现在我们已经做好准备，可以开始模拟了。

## 2.4 模拟(Box2D的)世界 ##

我们已经初始化了地面box和一个动态box。该让牛顿来接手了。我们只有少数几个问题需要考虑。  
Box2D使用了一种名叫积分器(integrator)的数值算法。 积分器在离散的时间点上模拟物理方程。 它与传统的游戏动画循环一同运行。我们需要为Box2D选取一个时间步（time step）。通常来说用于游戏的物理引擎需要至少 60Hz 的速度，也就是 1/60 秒的时间步。你可以使用更大的时间步，但是你必须更加小心地为你的世界调整定义。我们也不喜欢时间步变化得太大，一个变化的时间步会导致变化的结果，这会给调试带来困难。所以不要把时间步关联到帧频(除非你真的必须这样做)。直截了当地,这个就是时间步。

float32 timeStep = 1.0f / 60.0f;

除积分器外,Box2D代码还使用了约束求解器(constraint solver)。约束求解器用于解决模拟中的所有约束，一次一个。单个的约束会被完美的求解，然而当我们求解一个约束的时候，我们就会稍微干扰另一个约束。要得到良好的解，我们需要多次迭代所有约束。  
约束求解有两个阶段：速度阶段和位置阶段。在速度阶段，求解器会计算必要的冲量，使得物体正确运动。而在位置阶段，求解器会调整物体的位置，减少物体之间的重叠和关节的脱节。每个阶段都有自己的迭代计数。此外，如果误差已足够小的话，位置阶段的迭代可能会提前退出。  
Box2D建议的迭代次数，对于速度是8次，对于位置是3次。你可以按自己的喜好去调整这个数字，但要记得它是性能与精度之间的折中。更少的迭代会增加性能但降低精度，同样地，更多的迭代会降低性能但能提高模拟的质量。对于这个简单示例，我们不需要很多的迭代。这里是我们选择的迭代次数。

int32 velocityIterations = 6;
    int32 positionIterations = 2;

> **注意**  
> 时间步和迭代数是完全无关的。一个迭代并不是一个子步。一次迭代就是在时间步之中的单次遍历所有约束，你可以在单个时间步内多次遍历约束。

现在我们可以开始模拟循环了，在你的游戏中，模拟循环和游戏循环可以合并起来。每次游戏循环你都应该调用b2World::Step，通常调用一次就够了，这取决于帧频以及物理时间步。  
这个Hello World程序设计得非常简单，它没有图形输出。代码会打印出动态body的位置以及旋转角。这就是模拟 1 秒钟内 60 个时间步的循环。

for (int32 i = 0; i < 60; ++i)
    {
        world.Step(timeStep, velocityIterations, positionIterations);
        b2Vec2 position = body->GetPosition();
        float32 angle = body->GetAngle();
        printf("%4.2f %4.2f %4.2f\n", position.x, position.y, angle);
    }

输出展示了box下降并降落到地面的情况。你的输出看起来应当是这样的：  
0.00 4.00 0.00  
0.00 3.99 0.00  
0.00 3.98 0.00  
…  
0.00 1.25 0.00  
0.00 1.13 0.00  
0.00 1.01 0.00

## 2.5 清理 ##

当world对象超出它的作用域，或通过指针将其 delete 时，分配给body、 fixture和 joint使用的内存都会被释放。这能提升性能，并使你的生活变得更简单。然而，你应该将body、fixture或joint的指针都清零，因为它们已经无效了。

## 2.6 The Testbed ##

一旦你征服了 HelloWorld 例子，你应该开始看 Box2D 的 testbed 了。testbed 是个单元测试框架，也是个演示环境，这是它的一些特点：  
• 可移动和缩放的摄像机。  
• 可用鼠标选中依附在动态物体上的形状。  
• 可扩展的测试集。  
• 通过图形界面选择测试,调整参数,以及设置调试绘图。  
• 暂停和单步模拟。  
• 文字渲染。  
![testbed.gif][]  
在 testbed 中有许多 Box2D 的测试用例，以及框架本身的实例。我鼓励你通过研究和修改它来学习 Box2D。

> **注意**  
> testbed 是使用 freeglut 和 GLUI 写成的，testbed 本身并不是 Box2D 库的一部分。Box2D本身并不知道如何渲染。就像 HelloWorld 例子一样，使用 Box2D 并不一定需要渲染。

[testbed.gif]: /images/20220529/8711d90b59204a5f82a6db86eec856b2.png