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為更好地幫助大家絲滑升級，減少開發(fā)阻礙，我們帶來了「Cocos Creator 3.0 技術(shù)專欄」第三期，為大家詳細講解 Cocos Creator 3.0 3D 物理。

在此也統(tǒng)一回復(fù)下大家比較關(guān)心的問題：

本專欄將不定期保持更新，包括 2.X 升級攻略等，盡力幫大家降低升級成本。

關(guān)于文檔的問題我們一直在持續(xù)更新中，有任何問題也可以隨時反饋給我們。

今天我們將通過一些概念和案例，來為大家介紹如何使用 Creator 的 3D 物理框架，以便未進行過物理開發(fā)或者不熟悉該框架的開發(fā)者們可以輕松上手。

Creator 的 3D 物理是一套全新的開發(fā)框架，它的目標是使物理開發(fā)在兼具性能的同時變得更加簡單。

以下內(nèi)容主要講解其中使用到的功能和技術(shù)原理，篇幅有限無法涉及到所有的細枝末節(jié)，但大部分內(nèi)容在引擎文檔均有介紹，可以配合閱讀。

選擇引擎

在 Creator 中進行 3D 物理類應(yīng)用的開發(fā)，第一步就是選擇物理引擎，目前提供了三種選擇，分別為 builtin\cannon.js\bullet(ammo.js)，它們之間主要的區(qū)別是包體、性能和功能特性。

物理引擎	特點
builtin	極其輕量的碰撞檢測系統(tǒng)，僅支持盒、球、膠囊體形狀和觸發(fā)事件
cannon.js	純 js 開發(fā)的物理引擎，支持大部分特性，易于擴展，但性能不夠好，包體約為 141 KB
ammo.js	由 bullet 物理引擎編譯而來，支持所有特性，性能最優(yōu)，但包體較大且不易擴展，其中 js 版本的包體約為 1.32 MB，wasm 版本的包體約為 690 KB

其中主要的功能特性支持情況如下:

功能特性	builtin	cannon.js	ammo.js
質(zhì)心	?	?	?
盒、球	?	?	?
膠囊	?	可以用基礎(chǔ)形狀拼湊	?
凸包			?
靜態(tài)地形、靜態(tài)平面		?	?
靜態(tài)網(wǎng)格		極其有限的支持	?
圓錐、圓柱		?（凸包實現(xiàn)）	?
單純形		有限的支持	?
復(fù)合形狀	?	?	?
射線檢測、掩碼過濾	?	?	?
多步模擬、碰撞矩陣	?	?	?
觸發(fā)事件	?	?	?
自動休眠		?	?
碰撞事件、碰撞數(shù)據(jù)		?	?
物理材質(zhì)		?	?
靜態(tài)、運動學(xué)	?	?	?
動力學(xué)		?	?
點對點、鉸鏈約束（實驗）		?	?
wasm			?

概念講解

以下向大家介紹了物理模塊比較重要的組件和功能。

Static / Kinematic / Dynamic

剛體類型
Static	靜態(tài)剛體，可用于描述靜止的建筑物，只與 Dynamic 和 Kinematic 類型的物體產(chǎn)生事件
Dynamic	動力學(xué)剛體，能夠受到力的作用，物理引擎會接管該物體的運動，通過物理層的數(shù)值來操控
Kinematic	運動學(xué)剛體，通常用于表達電梯這類平臺運動的物體，通過修改變換信息來操控

下圖中白色為靜態(tài)，藍色為運動學(xué)，黃色為動力學(xué)。其中白色和藍色都是操控的變換信息，很明顯的看出幾個表現(xiàn)

白色和藍色之間會出現(xiàn)穿透現(xiàn)象
白色的靜態(tài)物體也可以運動
兩個黃色方塊表現(xiàn)不同，白色上方的靜止不動，藍色上方的會跟隨著運動

以上現(xiàn)象的原因是：

靜態(tài)和運動學(xué)都不會受到力的作用，所以產(chǎn)生了穿透，這是正常現(xiàn)象
靜態(tài)物體的確是可以運動的，靜態(tài)是指在時空中，每一個時刻都是靜態(tài)，不會考慮其它時刻的狀態(tài)
與靜態(tài)物體不同，運動學(xué)物體會根據(jù)附近時刻估算出運動狀態(tài)（比如速度），又由于摩擦力的作用，因此帶動了黃色方塊

RigidBody / Collider / Trigger

組件類型
剛體組件(RigidBody)	它負責(zé)操控物理對象與運動相關(guān)的屬性，以及配置分組，一個節(jié)點最多一個
碰撞器組件(Collider)	它負責(zé)操控物理對象上形狀相關(guān)的屬性，一個節(jié)點可以有多個
觸發(fā)器(Trigger)	它是勾選上了`IsTrigger`的碰撞器組件，它會像幽靈一樣穿透其它物體，并提供穿透開始、保持，以及結(jié)束的事件

是否一定要加剛體組件是提問最多的，這里介紹一個小技巧：

需要配置分組，加
需要設(shè)置為運動學(xué)或者動力學(xué)類型（不加意味著是靜態(tài)類型），加

Raycast / Mask Filter / Collision Matrix

功能模塊
射線檢測(Raycast)	利用射線與其它碰撞體進行碰撞檢測，并記錄相應(yīng)的碰撞數(shù)據(jù)
掩碼過濾(Mask Filter)	利用位運算實現(xiàn)兩個物體間是否相互過濾，重要的碰撞檢測優(yōu)化技術(shù)
碰撞矩陣(Collision Matrix)	它用于初始化物體的分組和掩碼，是掩碼過濾的上層封裝

這套框架還有很多需要打磨的地方，例如有些開發(fā)者認為在靜態(tài)對象上配置分組不夠便捷、分組不應(yīng)該和節(jié)點的層剝離開、射線不應(yīng)該有組。

這些我們都記錄下來了，同時也在尋找更友好的方式。在這里感謝開發(fā)者們寶貴的反饋建議。

使用講解

以下將會結(jié)合一個射箭范例中的幾個問題場景，介紹對應(yīng)使用到的功能特性和解題思路，以及涉及到的易誤點。

用基礎(chǔ)形狀組合十字架——復(fù)合形狀

下圖中用兩個盒形狀組合一個十字架，節(jié)點上所有的碰撞體組合成了一個十字形狀，這是實現(xiàn)帶有凹面形狀最基礎(chǔ)的方法：

容易誤用的地方是在多個節(jié)點中添加碰撞體拼湊出十字架后，希望它碰撞后可以保持整體結(jié)構(gòu)進行運動，這在目前的結(jié)構(gòu)中是無法做到的，只能往單個節(jié)點上添加碰撞體來實現(xiàn)。

射箭與回收箭——運動學(xué)、動力學(xué)、事件

射箭的第一步是拉弓，箭需要完全跟隨彈性繩骨骼一起運動，不希望箭受到物理規(guī)則的影響，此時應(yīng)將箭的剛體設(shè)置為 Kinematic 類型；第二步是松開彈性繩發(fā)射箭，這時希望給箭設(shè)置初速度后，可以按照物理規(guī)則進行運動，因此將箭的剛體設(shè)置為 Dynamic 類型

回收箭的大致過程是在箭射出去后，一旦觸碰到觸發(fā)區(qū)域就將其還原到弓上。這可以通過制作監(jiān)聽區(qū)域來實現(xiàn)，首先利用碰撞體組件拼湊出區(qū)域，同時將碰撞體組件的 IsTrigger 勾選上。（下圖中的藍色地板為監(jiān)聽區(qū)域）

易誤點：

利用修改變換信息來操作動力學(xué)(Dynamic)類型的剛體，應(yīng)當通過速度、力或沖量等物理層的數(shù)值
利用靜態(tài)(Static)類型的剛體來監(jiān)聽事件，靜態(tài)剛體只會和帶有類型為運動學(xué)或動力學(xué)的剛體產(chǎn)生事件，可以更改為運動學(xué)(Kinematic)類型，或者事件通過另一方進行注冊
監(jiān)聽事件時僅監(jiān)聽了觸發(fā)開始(OnTriggerEnter)，但是誤以為包括了觸發(fā)保持(OnTriggerStay)和結(jié)束(OnTriggerExit)

瞄準——碰撞矩陣(過濾檢測)、射線檢測、靜態(tài)平面

瞄準是射箭前的步驟，準心處于箭頭指向所在的射線上，在十字架前面加一個靜態(tài)平面碰撞體，然后利用射線檢測就可以得到準心的位置；

靜態(tài)平面只是用來做射線檢測，給它專門建立一個分組，并且不與箭、蘋果等等物體進行檢測，這是最通用的性能優(yōu)化方法

調(diào)用射線檢測方法時，設(shè)置傳入掩碼為僅和靜態(tài)平面檢測，即 0b10(二進制表示法)。

易誤點：

分不清剛體組件上的分組和節(jié)點上的層。這兩者的概念類似，但是使用者不同，分組的使用者是物理模塊，層的使用者是渲染模塊
對掩碼的理解不到位，不知傳何值。這里提供一個小技巧，以一個能夠篩選出Others的掩碼舉例，首先Others的index值為2，哪么只要讓二進制掩碼從右往左的順序第2位為1，就能讓Others通過篩選，也就是ob100（這里強烈建議不要隨便更改分組的索引）
誤認為射線檢測接口的返回值是擊中的數(shù)據(jù)。獲取結(jié)果有專門的接口，此處設(shè)計是為了強調(diào)這是個復(fù)用對象。為了減少垃圾內(nèi)存，每次調(diào)用接口只會更新它們的數(shù)據(jù)，而不是重新生成新的（若需要持久記錄，哪么可以克隆一份）

射擊蘋果——靜態(tài)網(wǎng)格、凸包、多步模擬（步長調(diào)整）

一般的蘋果都帶有凹面，處理好凹類或帶連續(xù)平滑不規(guī)則曲面的模型都非常棘手，這是因為目前成熟的理論和技術(shù)都建立在離散、凸包的世界之上（微積分中用差分近似表示微分就是最典型的范例）。

在實時物理引擎中，對于這類物體只能支持到靜態(tài)或運動學(xué)類型的剛體層級，對于動力學(xué)就束手無策了。然而不幸的是，真實的蘋果運動表現(xiàn)強烈依賴動力學(xué)，這種情況只能給蘋果填加凸包形式的網(wǎng)格碰撞體（需將 convex 勾選上），再加上一個動力學(xué)剛體，用近似物體去參與模擬

運動表現(xiàn)與模擬參數(shù)有非常大的關(guān)系，穿透是最具有代表性的現(xiàn)象，這可以通過縮減步長和增加步數(shù)來實現(xiàn)，調(diào)整步長有個小技巧：輸入分式，即 1/Frame，其中 Frame 表示幀率

易誤點：

在帶有未勾選 convex 的網(wǎng)格碰撞器上添加了的動力學(xué)剛體，與其它物體產(chǎn)生了穿透現(xiàn)象，或者說完全沒有反應(yīng)，這是典型的錯誤使用，只有勾上 convex 的才能支持動力學(xué)剛體
對一個頂點數(shù)極多的模型開啟了 convex，過多的頂點數(shù)會使凸包的面數(shù)增多，這對性能有很大的影響，而且實際上并不需要面數(shù)特別多的凸包，一般建議模型的頂點數(shù)應(yīng)小于 255
開啟凸包后，模型的凹面處的接觸不貼近，這是正常現(xiàn)象，現(xiàn)在的實時技術(shù)是將模型用多個凸包組合來解決，如下圖所示

4. 只調(diào)整了步長，但未調(diào)整步數(shù)，這兩者需要相互配合才有效果。小技巧是，步數(shù)可以隨意設(shè)置較大的值，步長根據(jù)最大的速度值進行調(diào)整，值越大，步長應(yīng)當越小

運動控制

以下將介紹如何利用碰撞數(shù)據(jù)實現(xiàn)一個動力學(xué)類型剛體的運動控制。

碰撞數(shù)據(jù)

如下圖所示，紅色的球表示的是碰撞點的位置，藍色箭頭指的是碰撞點所處面的法線。碰撞數(shù)據(jù)需要通過碰撞事件來獲取（事件提供的碰撞數(shù)據(jù)是復(fù)用對象）。

地面判斷

角色是否在地面上，可以通過法線的指向來得知，對應(yīng)的條件為normal.y > 0。有時候還需要知道地面的傾斜情況，這里通過normal.y的大小就能知道，越接近于1，哪么地面就越平（法線垂直向上）；越接近于0，哪么地面就越陡峭。

跳躍

一旦能夠確定是否在地面后，就可以加上跳躍行為了。首先需要明確的一點是，這里使用的是動力學(xué)類型的剛體（原因是我希望通過物理引擎接管剛體后得到更加真實的物理反饋），所以需要通過改變物理數(shù)值來達到目的，例如直接將角色線性速度的y分量設(shè)置為5，如下圖（圖中碰撞體用的是膠囊體，這與實際場景相關(guān)，可自行更改）。

直接改y軸速度，可以良好的工作在完全水平的地面上。但有時候跳躍還需要根據(jù)地面斜度來做出不同的行為，這里提供一個思路：提供一個配置因子，范圍為0到1，根據(jù)因子將當前法線和垂直法線插值，得出目標法線，再乘以跳躍的速率，進而得出期望的跳躍速度，將其加入到角色的線性速度之中。

行走和站立

站立行為，如果希望角色不會摔倒，哪么直接將AngularFactor全設(shè)置為0即可。行走行為，可根據(jù)角色的運動狀態(tài)來實現(xiàn)，假設(shè)需要將角色往x軸運動，哪么就修改角色x軸的線性速度。因此控制行走，只需要兩個量，一個是運動方向，另一個是運動速率。

做出好的運動控制的唯一竅門就是控制好速度，但這也是最容易錯誤使用的點：

隨意設(shè)置速度，這是運動不真實最根本的原因
設(shè)置過大的速度，這將很容易出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，可以嘗試上文介紹的多步模擬技術(shù)
沒有掌握控制速度的方式，有些開發(fā)者直接修改為某個固定值大小，這當然不是錯誤的做法，但修改速度之前應(yīng)當考慮清楚這是不是想要的結(jié)果。
有個小技巧是，如果是跳躍行為，可以考慮直接設(shè)置為固定值；
如果是行走行為，更好的方式是根據(jù)上個時刻的狀態(tài)進行修改
使用了Kinematic類型的剛體，期望物理引擎會幫助你處理好碰撞行為，通過上文可以知道這是不可能的。
但實際上有很多好的角色控制都基于Kinematic進行實現(xiàn)，這里面的技術(shù)細節(jié)遠比本文介紹的復(fù)雜。