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1、计算机游戏程序设计实验指导书4河北工业大学计算机游戏程序设计实验指导书河北工业大学计算机科学与软件学院实验四 应用物理引擎实现游戏一、实验目的与要求1. 熟悉并掌握刚体及使用方法。2. 熟悉并掌握碰撞器及使用方法。3. 熟悉并掌握射线及使用方法。4. 熟悉并掌握关节及使用方法。5. 熟悉并掌握角色控制器及使用方法二、实验原理及知识点物理引擎就是在游戏中模拟真实的物理效果:比如，场景中有两个立方体对象，一个在空中，一个在地面上，在空中的立方体开始自由下落，然后与地面上的立方体对象发生碰撞，而物理引擎就是用来模拟真实碰撞后的效果。Unity的物理引擎使用的是NVIDIA(英伟达)的PhysX。目前

2、，PC上很多游戏发烧友使用的显卡都是英伟达，该显卡是专门为游戏而设计的，它的物理引擎的效果很好，可以完美地在3D世界中模拟任何物理效果。该引擎完全可适用于次世代游戏开发，它渲染的游戏画面更加逼真，给玩家身临其境的感觉。如需让模型感应物理引擎的效果，需要将刚体组件或者角色控制器组件添加至该对象当中，刚体组件所受的物理效果是完美虚拟现实中的物理效果，而角色控制器需要受一些限制条件来感应物理效果。1刚体刚体是一个非常重要的组件。新创建的物体默认情况下是不具备物理效果的，而刚体组件可以给物体添加一些常见的物理属性，比如物体质量、摩擦力和碰撞参数等，这些属性可用来真实模拟该物体在3D游戏世界中的一切行为

3、。刚体可以以游戏组件的形式绑定在物体当中。如果物体添加了刚体组件，那么它将感应物理引擎中的一切物理效果。1.1简单使用要想使用刚体，首先需要将刚体组件添加至游戏对象当中，具体操作方法如下：在Unity中创建一个需要添加刚体组件的游戏对象，比如立方体对象、球体对象、模型对象等含有网格的对象皆可，接着在Hierarcliy视图中选择刚刚创建的游戏对象，然后在Unity导航菜单栏中选择Component、Pliysics”一“Rigidbody”菜单。在例子中我们创建三个立方体，分别将其凌空放置在地面上，并且只给其中一个立方体添加刚体组件:运行游戏后，发现红色立方体正常感应了物理效果，从空中落了下来

4、(因为只给它添加了刚体组件)，而剩下的两个立方体依然停留在空中。在Hierarcliy视图中选择添加过刚体组件的游戏对象，此时在右侧的Inspector视图中可清晰地看到刚体组件包含的属性，下面简要介绍一下其中各个属性的含义。Mass:质量，数值越大物体下落得也就越快。尽量不要让数值其超过10，否则物理效果就不会很真实Drag:阻力，数值越大物体速度减慢得就越快。Angular Drag:角阻力，数值越大自身旋转的速度减慢得就越快。Use Gravity:是否使用重力。Is Kinematic:是否受物理的影响:Interpolate:设置图像差值。Collision Detection:碰撞

5、监测。Constraints:冻结，停止某个轴向感应物理引擎的效果。Freeze Position:冻结x轴方向、Y轴方向和z轴方向。Freeze Rotation:冻结x轴旋转、y轴旋转和z轴旋转。1.2力力在物理学中是一个非常重要的元素，其种类有很多。刚体组件可以受力的作用，比如给刚体施加一个x轴方向的力，那么该刚体绑定的物体将沿着x轴方向向前移动，这就好比用力将物体扔出去一样，该物体将会以抛物线的形式移动，而不是呆板地做匀速平移。Unity中力的方式有两种:第一种为普通力，需要设定力的方向与大小;第二种为目标位置力，需要设定目标点的位置，该物体将朝向这个目标位置施加力。在例子中，我们共放

6、置两个球体对象，点击“普通力”按钮后，小球将像一脚被踢开似地向前滚动。点击“位置力”按钮后，小球将被施加一个朝向目标点的力，然后向目标滚动。使用方法rigidbody.AddForce()添加一个普通力，该方法的参数是施加力的方向，单位是Vector3容器。使用方法rigidbody .AddForceAtPosition ( )施加一个目标位置力，该方法的第一个参数为目标点的位置坐标，第二个参数为力的模式。2碰撞器游戏对象如果需要感应碰撞，那么必须给其添加碰撞器。默认情况下，创建游戏对象时，会自动将碰撞器组件添加至其中，而碰撞器组件决定了模型碰撞的方式。Unity一共为对象提供了5种碰撞器，

7、分别是Box Collider(盒子碰撞器)、Sphere Collider(球体碰撞器)、Capsule Collider(胶囊碰撞器)、Mesh Collider(网格碰撞器)和Wheel Collider(车轮碰撞器)，其中Box Collider适用于立方体对象之间的碰撞，Sphere Collider适用于球体对象之间的碰撞，Capsule Collider适用于胶囊体对象之间的碰撞，Mesh Collider比较特殊，它的碰撞方式由自定义模型的自身网格决定，适用于自定义网格的碰撞，Wheel Colhder适用于车轮与地面或其他对象之间的碰撞。在碰撞器之间可以添加物理材质，用于设定

8、物理碰撞后的效果。物理材质与碰撞器之间的关系非常紧密，比如两个立方体相撞后，按照物理引擎的效果，它们将开始相互反弹，那么反弹的力度就是由物理材质决定的。2.1添加碰撞器添加碰撞器的方式如下:打开Unity，在Hierarchy视图中选择一个需要添加碰撞器的游戏对象，此时在Unity导航菜单栏中选择“Component - Physics”菜单项，然后从中选择碰撞器的种类。2.2物理材质物理材质可设定物体的表面材质，不同的表面材质可影响碰撞后的物理效果。物理材质可以模拟自然界中所有的物理碰撞后的效果，比如木头之间的碰撞或者冰块之间的碰撞。此外，物理材质可添加在任何碰撞器中，下面我们就在“Mate

9、rial”中添加碰撞器的物理材质。 Unity标准资源包提供了一些物理材质的资源，我们可以将它们添加至当前工程中。在Project视图中单击鼠标右键，以弹出的快捷菜单中选择“Import Package - Physic Materials”菜单项，此时即可引人物理材质的标准资源包。标准资源包中提供了种常用的物理材质:弹性材质(Bouncy )、冰材质(Tce、金属材质(Metal),橡胶材质(Rubber)和木头材质(Wood )。在Scene视图中选择需要添加物理材质的物体，然后在Project视图中通过拖动将Bouncy赋值给Inspector视图中的”SpliereCollider”即

10、可。因为Game视图中的小球对象添加了弹性材质，运行游戏后，小球将从空中自然下落，落地后感应弹性材质，然后再次弹回至空中，如此循环下去。除了可以使用Unity标准资源包中的5款物理材质，也可以自行创建物理材质。创建新物理材质的方法如下，在Project视图中点击“Create - Pliysic Material”菜单项即可，在右侧的Inspector视图中，我们将看到新创建的物理材质的所有属性，下面简要介绍一下这些属性的含义。 Dynamic Friction:动态摩擦，取值在0到1之间。0表示最小动态摩擦，1表示最大动态摩擦。 Static Friction:静态摩擦，取值在。到1之间。0

11、表示最小静态摩擦，1表示最大静态摩擦。 Bounciness:碰撞反弹系数，取值在0到1之间。0表示碰撞无反弹，1表示碰撞最大反弹。 Friction Combine:普通碰撞后的摩擦模式。 Bounce Combine:反弹碰撞后的摩擦模式。 Friction Direction 2:摩擦方向，方向分为x轴、y轴和z轴。 Dynamic Friction 2:动摩擦系数，它的摩擦方向根据Friction Direction 2设定 Static Friction 2:静摩擦系数，它的摩擦方向根据Friction Direction 2设定。3 射线射线是3D世界中一个点一个方向发射的一条无终

12、点的线。在发射的轨迹中，一旦与其他的模型发生碰撞，它将停止发射。我们可以判断某条射线是否发设置某游戏对象身上，其应用范围非常的广，如射击类游戏中发射子弹行走路径，并且通过这个路径可以判断子弹是否打中了目标物体。3.1射线的原理创建一个射线时，首先需要知道射线的七点和重点在3D世界坐标系中的坐标，本例创建一条从3D世界零点摄像游戏对象本身的射线。在代码中，Debug.DrawLine（）方法只有在Sceme视图中才能看到。3.2 碰撞监测射线可用于判断与游戏对象的碰撞，如图6-19所示，本例一摄像机的位置为原点向鼠标移动点发射一条射线，好比向靶心打了一枪，这里这条射线用于判断是否打中在靶子上。使

13、用的Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition)方法来创建一条有摄像机向鼠标党前位置发射的射线，然后使用Physics.Raycast()判断这条射线是否与某游戏对象相交，如果该方法返回ture则表示相交，返回false则表示未相交。4 关节关节组件一共分为5大类，它们分别是链条的关节、固定关节、弹簧关节、角色关节和可配置关节。下面先简要介绍一下它们的具体含义。（1）链条关节（Hinge Joint）：将两个物体一链条的形式绑在一起，当力量过大超过链条的固定力矩时，两个物体就会产生相互的拉力。（2）固定关节（Fixed Joint）：将两个

14、物体永远以相对位置固定在一起，及时发生物理改变，它们之间的相对位置也不会发生改变。（3）弹簧关节（Spring Joint）：将两个物体以弹簧的形式绑定在一起，挤压它们会得到想歪的推力，拉伸它们会得到两边对中间的拉力。（4）角色关节（Character Joint）：它可以模拟角色的骨骼关节，就好比人的手腕一样可以大范围的任意角度旋转。（5）可配置关节（Configurable Joint）：他可以模拟任意关节的效果，包括上面的4中效果，它是最强大的，也是最复杂的。关节是一个游戏组件，它既可以使用编辑器添加也可以使用代码添加，本节先介绍使用编辑器添加的方法，在导航菜单栏中选择“Componen

15、t”“Physics”菜单项，然后从中选择一种关节组件，即可完成关节组件的添加。5角色控制器 Unity已经帮我们实现了“上”、“下”、“左”、“右”、“跳跃”等这些相对复杂的逻辑操作，并且将它们封装成了角色控制器组件，不用编写任何代码就可以轻松控制第一人称与第三人称主角。角色控制器组件保存在Unity标准资源包中，它的功能非常强大，可模拟第一人称或第三人称视角。它不受刚体的限制，非常适用于表现游戏中的主角的运动。在使用角色控制器时，首先需要将它导人当前工程，具体操作方法为在Project视图中点击鼠标右键，从弹出的快捷菜单中选择“Import Package”-“Character Cont

16、roller”菜单项即可。5.1第一人称在第一人称视角游戏中，整个游戏视图好比主角的眼睛，游戏画面中的一切好像是从自己眼睛看到的一样。第一人称视角的控制原理其实是控制Scene视图中摄像机对象的移动，所以屏幕显示的永远都是主角正前方的画面，比如经典的“cs”游戏就属于第一人称视角游戏。将角色控制器组件导人工程后，在Project视图中找到该角色控制组件，然后将“First PersonController拖动至Hierarcliy视图中即可，此时它将以一个胶囊体对象的形式出现在Scene视图中，然后使用移动工具编辑一下“胶囊”的位置。这里值得注意的是，第一人称视角组件y轴一定要高于地面，否则运

17、行游戏后，它将感应物理引擎坠落到地面之下。确保无误后直接运行游戏，第一人称视角遍映人我们眼帘，在Game视图中通过键盘按键“W”、“S”、“A”、D , “Space”可以直接控制第一人称视角的移动与跳跃。在Hierarchy视图中选择“First Person Controller”对象，在右侧的lnspector视图中可以看到这个对象共绑定了三条脚本。这3个脚本全部由官方提供，MouseLook脚本用来控制第一人称视角如何通过鼠标来移动整个视图，CharacterMotor”脚本用来监听键盘事件，控制主角“前”、“后”、“左”、“右”的移动，FPSInputController”脚本用来监

18、听特殊的“Space”按键，实现第一人称视角的跳跃功能。三个脚本可以直接打开，所以也可在它们的基础上进行拓展，从而达到更好的控制效果。5.2第三人称第三人称视角的原理是:在游戏场景中包含主角对象和摄像机对象，主角移动后，摄像机永远跟着主角移动，所以在Game视图中可以看出主角当前的移动方向。大多数游戏都采取第三人称的方式，因为第三人称更为清晰地向玩家展示控制角色的效果。下面将学习如何将第三人称视角添加至工程当中。如图6-12所示，首先在Project视图中将“3rd Person Controller(第三人称控制器)拖动至Hierarchy视图中，然后在Scene视图中即可看到第三人称所用的

19、模型对象。在Scene视图中加人地形，并且将角色控制器放在地形之上。运行游戏后即可看到第三人称视角的效果，用键盘的方向键控制主角移动，空格键用于控制主角跳跃。控制主角时，摄像机永远跟在主角身后，以第三人称的视角观看着主角的运动。5.3控制组件角色控制器组件和刚体组件都具备物理引擎的功能，它们都需要绑定在游戏对象中才能实现物理效果，并且同一个游戏对象中两者只能存在一个。刚体组件可以非常精确地模拟现实世界中模型的一切物理效果，而角色控制器则没有刚体那么精确，它更多地受控制器的限制，所以它更适合控制游戏对象。举个简单的例子，给主角对象添加刚体组件作为物理引擎，控制主角向前快速移动，并且以较大力度碰撞

20、在一面墙上。因为刚体组件会感应完全精确的物理效果，所以力度过大时，主角会被物理引擎施加的弹力反弹回来。因为主角虽然需要感应物理引擎的效果，但它是一个特殊的游戏对象，需要限制它的物理效果，此时就可以使用角色控制器组件来处理。添加角色控制器之前，首先要确定是否把角色控制器标准资源包引人工程。如果未引人，则无法添加角色控制器组件。确保无误后，首先在Hierarchy视图中选择需要添加角色控制器的游戏对象，具体操作方法是在Unity导航菜单栏中选择“Component-“Physics-Character Controller菜单项即可。添加完角色控制器组件后，就需要在脚本中控制角色控制器组件。首先创

21、建一条游戏脚本，然后在脚本中使用方法GetComponent()获取角色控制器组件对象，接着通过调用对象的simpleMove()方法(其参数为角色移动的方向，只支持x轴与Y轴方向的移动)来移动该角色。三、实验内容及步骤1. 熟悉刚体概念，练习使用刚体，并练习给刚体施加力。2. 熟悉碰撞器，练习给游戏对象添加碰撞器组件，并设置属性，设置材质。在场景中添加立方体和球体：给摄像机添加代码：using UnityEngine;using System.Collections;public class Force : MonoBehaviour GameObject obj; GameObject o

22、bj2; / Use this for initialization void Start () obj=GameObject.Find(Sphere); obj2=GameObject.Find(Cube); / Update is called once per frame void Update () void OnGUI() if(GUILayout.Button(普通力,GUILayout.Height(50) obj.rigidbody.AddForce(10,100,10); if(GUILayout.Button(位置力,GUILayout.Height(50) Vector3

23、 F=obj2.transform.position-obj.transform.position; obj.rigidbody.AddForceAtPosition(F,obj2.transform.position,ForceMode.Impulse); 给立方体，球体添加刚体组件：给立方体，球体添加碰撞器：导入物理材质包，添加物理材质游戏效果：3. 熟悉射线概念，练习使用射线，并实现射线碰撞。给摄像机中绑定代码：using UnityEngine; using System.Collections; public class RayTest : MonoBehaviour / Use t

24、his for initialization void Start () / Update is called once per frame void Update () if(Input.GetMouseButton(0) Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);/从摄像机发出到点击坐标的射线 RaycastHit hitInfo; if(Physics.Raycast(ray,out hitInfo) Debug.DrawLine(ray.origin,hitInfo.point);/划出射线，只有在scene

25、视图中才能看到 GameObject gameObj = hitInfo.collider.gameObject; Debug.Log(click object name is + gameObj.name); if(gameObj.tag = cube)/当射线碰撞目标为boot类型的物品 ，执行拾取操作 Debug.Log(pick up!); 游戏效果：4. 熟悉关节，并练习使用各种关节。添加立方体和球体，给球体添加代码：using UnityEngine;using System.Collections;public class joint : MonoBehaviour /链接关节游

26、戏对象 GameObject connectedObj = null; /当前链接的关节组件 Component jointComponent = null; void Start() /获得链接关节的游戏对象 connectedObj = GameObject.Find(Cube); void OnGUI() if(GUILayout.Button(添加链条关节) ResetJoint(); jointComponent = gameObject.AddComponent(HingeJoint); HingeJoint hjoint = (HingeJoint)jointComponent;

27、 connectedObj.rigidbody.useGravity = true; hjoint.connectedBody = connectedObj.rigidbody; if(GUILayout.Button(添加固定关节) ResetJoint(); jointComponent =gameObject.AddComponent(FixedJoint); FixedJoint fjoint = (FixedJoint)jointComponent; connectedObj.rigidbody.useGravity = true; fjoint.connectedBody = co

28、nnectedObj.rigidbody; if(GUILayout.Button(添加弹簧关节) ResetJoint(); jointComponent =gameObject.AddComponent(SpringJoint); SpringJoint sjoint = (SpringJoint)jointComponent; connectedObj.rigidbody.useGravity = true; sjoint.connectedBody = connectedObj.rigidbody; if(GUILayout.Button(添加角色关节) ResetJoint(); j

29、ointComponent =gameObject.AddComponent(CharacterJoint); CharacterJoint cjoint = (CharacterJoint)jointComponent; connectedObj.rigidbody.useGravity = true; cjoint.connectedBody = connectedObj.rigidbody; if(GUILayout.Button(添加可配置关节) ResetJoint(); jointComponent =gameObject.AddComponent(ConfigurableJoin

30、t); ConfigurableJoint cojoint = (ConfigurableJoint)jointComponent; connectedObj.rigidbody.useGravity = true; cojoint.connectedBody = connectedObj.rigidbody; /重置关节 void ResetJoint() /销毁之前添加的关节组件 Destroy (jointComponent); /重置对象位置 this.transform.position = new Vector3(332f,90f,-770f); connectedObj.gameObject.transform.position = new Vector3(335f,82f,-770f); /不敢应重力 connectedObj.rigidbody.useGravity = false; 游戏效果:5. 熟悉角色控制器，练习使用第一人称角色控制器，练习使用第三人称角色控制器。第一人物控制器：可以通过鼠标调整视角，键盘控制运动第三人物控制器：键盘控制运动四、实验仪器与