Unity物理系统由浅入深第一节：Unity 物理系统基础与应用

kirayoshikake
263 阅读9分钟

Unity 引擎内置了一套强大且易用的物理系统，它基于 NVIDIA 的 PhysX 物理引擎。这个系统能让你在游戏中模拟真实的物理效果，比如重力、碰撞、摩擦、弹跳等，极大地提升游戏的沉浸感和交互性。本篇教程将带你了解 Unity 物理系统的核心组件和常用 API，让你能够快速地在项目中应用物理效果。

1. Rigidbody（刚体）组件：赋予物体物理属性

在 Unity 中，任何想要受到物理系统影响的 GameObject 都必须附加一个 Rigidbody 组件。Rigidbody 赋予了 GameObject 质量、速度、角速度等物理属性，并使其能够响应重力、力、碰撞等物理事件。

核心属性：

  • Mass (质量)：物体的质量，以千克（kg）为单位。质量越大，受到相同力的作用时加速度越小。

  • Drag (阻力)：线性阻力，模拟空气阻力或液体阻力。值越大，物体运动减速越快。

  • Angular Drag (角阻力)：角阻力，模拟物体旋转时的阻力。值越大，物体旋转减速越快。

  • Use Gravity (使用重力)：勾选后，物体将受到 Unity 全局重力设置的影响（默认向下）。

  • Is Kinematic (是否运动学)：

    • 如果勾选，Rigidbody 将不再受物理引擎控制，你需要通过代码（Transform.position 或 Transform.rotation）手动控制它的位置和旋转。运动学刚体通常用于门、电梯等受脚本控制的物体。

    • 重要提示： 运动学刚体不会受到碰撞影响而移动或旋转，但它仍然可以影响其他非运动学刚体，并且会触发碰撞回调。

  • Collision Detection (碰撞检测模式)：

    • Discrete (离散)：默认模式，在每个物理步长（FixedUpdate）只检测一次碰撞。适用于大多数情况，性能开销低，但高速移动的物体可能会“穿透”其他物体。

    • Continuous (连续)：适用于高速移动的物体，会进行更频繁的检测以防止穿透。性能开销比 Discrete 高。

    • Continuous Dynamic (连续动态)：适用于高速移动且相互之间都需要进行连续碰撞检测的 Rigidbody。性能开销最高。

  • Constraints (约束)：可以冻结刚体的特定轴向上的位置或旋转，例如，只允许物体在 X 轴上移动，或者不允许它旋转。

常用操作：

  • Rigidbody.AddForce(Vector3 force, ForceMode mode = ForceMode.Force)：给刚体施加一个力。

    • ForceMode.Force: 持续力，以物体的质量计算加速度。

    • ForceMode.Impulse: 瞬间冲量，不考虑时间，直接改变物体的速度。常用于爆炸或打击效果。

    • ForceMode.VelocityChange: 瞬间速度变化，忽略质量。

    • ForceMode.Acceleration: 持续加速度，忽略质量。

  • Rigidbody.AddTorque(Vector3 torque, ForceMode mode = ForceMode.Force)：给刚体施加一个扭矩，使其旋转。

  • Rigidbody.velocity: 获取或设置刚体的线性速度。

  • Rigidbody.angularVelocity: 获取或设置刚体的角速度。

C#

using UnityEngine;

public class BallController : MonoBehaviour
{
    public float moveForce = 10f;
    public float jumpForce = 5f;
    private Rigidbody rb;

    void Start()
    {
        rb = GetComponent<Rigidbody>();
    }

    void FixedUpdate() // 物理计算应该在 FixedUpdate 中进行
    {
        // 施加持续力，模拟移动
        if (Input.GetKey(KeyCode.W))
        {
            rb.AddForce(Vector3.forward * moveForce, ForceMode.Force);
        }
        if (Input.GetKey(KeyCode.S))
        {
            rb.AddForce(Vector3.back * moveForce, ForceMode.Force);
        }

        // 施加瞬间冲量，模拟跳跃
        if (Input.GetKeyDown(KeyCode.Space))
        {
            rb.AddForce(Vector3.up * jumpForce, ForceMode.Impulse);
        }
    }
}

2. Collider（碰撞体）组件：定义物体的形状

Collider 组件定义了 GameObject 在物理世界中的形状，用于检测与其他物体的碰撞。没有 Collider 的 Rigidbody 无法与其他物体发生物理交互（除了重力）。

常见碰撞体类型：

  • Box Collider (盒碰撞体)：最常用的碰撞体，适用于立方体、矩形等规则形状。性能开销低。

  • Sphere Collider (球碰撞体)：适用于球体或近似球体的物体。性能开销低。

  • Capsule Collider (胶囊碰撞体)：适用于人物角色、圆柱体等。性能开销低。

  • Mesh Collider (网格碰撞体)：

    • 使用物体的网格数据作为碰撞形状。

    • 优点： 可以完美匹配复杂模型的形状。

    • 缺点： 性能开销高，特别是对于高多边形模型。

    • Convex (凸包) 选项：勾选后，Mesh Collider 将创建一个凸包形状作为碰撞体。凸包的性能远高于非凸包，并且可以与其他 Mesh Collider 发生碰撞。非凸包 Mesh Collider 只能与 Box、Sphere、Capsule 等原始碰撞体碰撞，不能与其他非凸包 Mesh Collider 碰撞。

    • 通常不建议用于移动的 Rigidbody，除非设置为 Convex。

  • Terrain Collider (地形碰撞体)：专门用于 Unity 地形系统，自动与地形的形状匹配。

核心属性：

  • Is Trigger (是否触发器)：

    • 如果勾选，这个 Collider 将不会产生物理碰撞响应（如反弹、滑动），而是仅仅检测到与其他 Collider 的重叠。

    • 触发器常用于检测区域进入/离开，例如，当玩家进入一个区域时触发剧情或打开门。

    • 两个触发器之间不会产生碰撞回调，除非其中一个至少带有 Rigidbody。

    • 一个触发器和一个非触发器 Collider 之间的交互会触发回调。

  • Material (物理材质)：关联一个 Physic Material（详见下一节）。

最佳实践： 尽量使用简单的原始碰撞体（Box、Sphere、Capsule）组合来近似复杂模型的形状，而不是直接使用 Mesh Collider，以获得更好的性能。

3. Physic Material（物理材质）：定义交互特性

Physic Material 是一种资源（Asset），用于定义碰撞体之间的摩擦力和弹性（弹跳）。你可以创建不同的物理材质并将其分配给 Collider 组件。

核心属性：

  • Dynamic Friction (动态摩擦)：当物体相对运动时产生的摩擦力。

  • Static Friction (静态摩擦)：当物体静止时抵抗初始运动的摩擦力。通常应该略高于 Dynamic Friction。

  • Bounciness (弹跳)：物体的弹性，0 表示完全不弹跳，1 表示完全弹性碰撞。

  • Friction Combine (摩擦组合模式)：

    • Average (平均)：取两个碰撞体物理材质的摩擦力平均值。

    • Minimum (最小)：取两个碰撞体物理材质摩擦力的最小值。

    • Maximum (最大)：取两个碰撞体物理材质摩擦力的最大值。

    • Multiply (相乘)：取两个碰撞体物理材质摩擦力的乘积。

  • Bounce Combine (弹跳组合模式)：同 Friction Combine，但作用于弹跳。

创建和使用：

在 Project 窗口右键 -> Create -> Physic Material，然后调整其属性，并将其拖拽到 Collider 组件的 "Material" 字段上。

4. 触发器与碰撞回调：响应物理事件

当 Rigidbody 与 Collider 发生交互时，Unity 会调用特定的回调函数。理解这些回调函数是实现游戏逻辑的关键。

碰撞回调 (Collision Callbacks)：

适用于两个非触发器 Collider（至少一个带 Rigidbody）之间的物理碰撞。

  • OnCollisionEnter(Collision collision)：当物体开始与其他物体碰撞时调用一次。

    • collision 参数包含了碰撞的详细信息，如碰撞点 (collision.contacts)、碰撞法线 (collision.contacts[0].normal)、对方的 GameObject (collision.gameObject) 和 Rigidbody (collision.rigidbody) 等。

  • OnCollisionStay(Collision collision)：当物体持续与其他物体碰撞时，每物理帧调用一次。

  • OnCollisionExit(Collision collision)：当物体停止与其他物体碰撞时调用一次。

触发器回调 (Trigger Callbacks)：

适用于至少有一个 Collider 设置为 Is Trigger 的情况下，检测到物体进入/离开/停留在区域内。

  • OnTriggerEnter(Collider other)：当物体开始进入触发器区域时调用一次。

    • other 参数是进入或离开触发器区域的 Collider。

  • OnTriggerStay(Collider other)：当物体持续停留在触发器区域内时，每物理帧调用一次。

  • OnTriggerExit(Collider other)：当物体离开触发器区域时调用一次。

重要规则：

  • 只有当一个 Collider 附加了 Rigidbody，或者它是一个 Kinematic Rigidbody 上的 Collider 时，它才能接收到碰撞/触发器回调。

  • 注意： 如果是静态（不带 Rigidbody）的 Collider 之间发生碰撞，虽然物理系统会处理它们之间的交互，但不会调用任何回调函数。

C#

using UnityEngine;

public class CollisionDetector : MonoBehaviour
{
    // 当发生碰撞时
    void OnCollisionEnter(Collision collision)
    {
        Debug.Log("OnCollisionEnter: " + gameObject.name + " 撞到了 " + collision.gameObject.name);
        // 可以在这里获取碰撞点、法线等信息
        foreach (ContactPoint contact in collision.contacts)
        {
            Debug.Log("碰撞点: " + contact.point + ", 法线: " + contact.normal);
        }
    }

    // 当进入触发器区域时
    void OnTriggerEnter(Collider other)
    {
        Debug.Log("OnTriggerEnter: " + gameObject.name + " 进入了触发器区域 " + other.gameObject.name);
        if (other.CompareTag("Collectible")) // 假设我们有一个Tag为"Collectible"的物体
        {
            Debug.Log("拾取了物品！");
            Destroy(other.gameObject); // 销毁被拾取的物品
        }
    }
}

5. 射线检测（Raycast）与形状检测：非碰撞交互

除了碰撞体之间的物理交互，Unity 也提供了用于检测特定方向或形状是否存在物体的 API，这在很多游戏逻辑中非常有用，例如射击游戏中的子弹检测、角色控制器中的地面检测等。

射线检测 (Raycast)：

从一个点发射一条射线，检测是否击中物体。

  • Physics.Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance)：

    • origin: 射线的起点。

    • direction: 射线的方向。

    • hitInfo: 一个 RaycastHit 结构体，用于存储击中物体的信息（如击中点、法线、被击中的 Collider 和 GameObject 等）。

    • maxDistance: 射线的最大检测距离。

  • 还可以指定 LayerMask 来过滤检测的层级。

C#

using UnityEngine;

public class RaycastExample : MonoBehaviour
{
    public LayerMask hitLayer; // 设置一个层级，只检测这个层级的物体

    void Update()
    {
        // 从摄像机向鼠标点击位置发射射线
        if (Input.GetMouseButtonDown(0))
        {
            Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);
            RaycastHit hit;

            if (Physics.Raycast(ray, out hit, 100f, hitLayer)) // 检测最远100米，只检测hitLayer层的物体
            {
                Debug.Log("射线击中了: " + hit.collider.gameObject.name + " 在位置: " + hit.point);
                // 可以在这里对被击中的物体进行操作
                hit.collider.gameObject.GetComponent<Renderer>().material.color = Color.red;
            }
            else
            {
                Debug.Log("射线未击中任何物体。");
            }
        }
    }
}

形状检测 (Shape Cast)：

除了射线，你还可以发射一个球体、胶囊体或盒子来检测是否与场景中的 Collider 发生重叠或碰撞。这比 Raycast 更适合检测更大范围的障碍物。

  • Physics.SphereCast(Vector3 origin, float radius, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance, LayerMask layerMask)：发射一个球体。

  • Physics.BoxCast(Vector3 center, Vector3 halfExtents, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, Quaternion orientation, float maxDistance, LayerMask layerMask)：发射一个盒子。

  • Physics.CapsuleCast(...)：发射一个胶囊体。

这些方法与 Raycast 类似，只是将线替换成了对应的形状，用于更精确或范围更大的检测。

总结

至此，你已经掌握了 Unity 物理系统的核心基础：

  • Rigidbody 是物体参与物理模拟的必备组件。

  • Collider 定义了物体的碰撞形状。

  • Physic Material 决定了碰撞时的摩擦和弹跳特性。

  • 碰撞回调和触发器回调 让你能够响应物理事件并执行游戏逻辑。

  • 射线检测和形状检测 提供了在不发生物理交互的情况下查询物理世界的能力。

熟练运用这些基础功能，你就能在 Unity 中构建出丰富多样的物理交互和游戏玩法。在下一篇文章中我们将进入更深层次的探索，了解如何利用高级特性实现复杂交互，并关注性能优化，让你的物理模拟既强大又流畅！

avatar
文章
阅读
粉丝