HTML5之2D物理引擎 Box2D for javascript Games 系列第一部分

池中物willian發表於2016-05-10

HTMLJavaScriptGAM

我要的是能在H5頁面上跑的javascript版的Box2D啊！！！

最近想學習Javascript版本的Box2D JS物理引擎，無奈搜了半天也沒找到相對比較系統的資料

官方網站也只是簡單的介紹，API還引導向了FLASH AS3指令碼。

我要的是能在H5頁面上跑的javascript版本的教程啊！！！

後來搜出了一本中文版Box2D for Flash Games，指令碼是AS3版本的書。是由天地會（暱稱：魯邦三世）翻譯的

看，書封面

沒有Javascript版本的啊。點解？(υ◉ω◉υ)

So... 我感覺上帝選中了我⋋(◍’Θ’◍)⋌

以前的我是AS3指令碼程式猿出生，那麼唯有用我丟掉的幾年AS3指令碼經驗把它改寫成Javascript版本的了，誰讓我現在寫的是Javascript呢。

看…我做的封面

完美！！！

用Fireworks把原來的封面做成了javascript，可見我功力了吧，請叫我美工殿下！

我最早是做美工出生我會跟你說？(／￣(ｴ)￣)／

好吧，那我就一邊學，一邊改成javascript版本了。

如果文章有侵權行為，那麼，要麼聯絡我刪掉？

要麼來告我，反正我也沒錢（ミ￣ー￣ミ）

我的郵箱willian12345@126.com

本系列原始碼持續更新中，已寄存在github上

https://github.com/willian12345/Box2D-for-Javascript-Games

開始前的一些說明

你必定假設你對javascript或者前端知識已經比較熟悉了，如果不熟悉的話你得先補一下前端知識再往下看

FLASH中的舞臺對應網頁中的Canvas

AS3 (ActionScript3.0)指令碼對應網頁中的Javascript

2D物理引擎中的一些概念名詞翻譯列表

rigid body :剛體 

fixture :夾具 

box :盒子或矩形

debug draw : 除錯繪圖

density :密度 

friction :摩擦或摩擦係數

restitution : 恢復或恢復係數

force : 力或作用力 

impulse : 衝量 

linear velocity : 線速度或線速率

joint : 關節 

motor : 馬達 

bullet : 子彈 

sensor : 感應器

第一章

1、Hello Box2D World

如果你想建立2D的物理驅動遊戲與應用,Box2D是最佳的有效選擇。

Box2D是一個 2D剛體的模擬庫,它被使用在一些最成功的遊戲上,例如在iPhone上的Angry Birds 和Tiny Wings或者在Flash上的Totem Destroyer和Red Remover。

Google一下它們,你將會發現很多熱心的評論。

在我們進入Box2D世界之前,讓我說明一下什麼是剛體(Rigid Bodies)。

它是一塊非常堅硬的物質,任何方法都不能使它彎曲。無論你怎樣用力去撞擊(Hit)或投擲 (Throw)它,都無法改變它的形狀。

在真實世界中,你可以將它的硬度想象成鑽石,甚至比鑽石還要硬。也許你可以展開想象,假設它是來至外空間的一塊不可變形的物質。

Box2D只管理剛體(Rigid Bodies),從現在起,我們將稱它為剛體(Bodies)(這句話中文是看不出什麼不同的,英文將Rigid Bodies簡稱為Bodies),不用當心,你將還可以模仿不是剛性的材料,例如彈性球體。

讓我們看看,你將在本章節學習到那些知識:

• 安裝Box2D 

• 建立你的第一個Box2D世界 

• 瞭解重力和睡眠剛體

• 執行程式,操作時間步和約束

本章結束後,你將能建立一個空的可執行的世界,在那裡你可以搭建你那了不起的物理遊戲。

在網頁中安裝Box2D

你可以從官方站點下載最新的Box2D.js版本或在我的github上直接下載合併好的原始碼 https://github.com/willian12345/Box2D-for-Javascript-Games/

新建一個demo1-1.html頁面

下載到Box2D.js版本後放在網頁同級目錄或其它目錄

根據目錄在網頁中直接引用

<script src="Box2d.js"></script>

可比在比FLASH簡單多了

網頁中再新增

<script type="text/javascript">

            function init(){

            function main(){

               console.log(Box2D);     

            }

 

            main();

         }

init();

</script>

測試一把

在瀏覽器中開啟1.html

開啟瀏覽器除錯工具，推薦用chrome瀏覽器。

應該能看到偵錯程式的Console內輸出Object {Collision: Object, Common: Object, Dynamics: Object}

init()方法可以在onload時呼叫, init方法內再建一個main方法

模擬FLASH中自動呼叫的Main.as類。這裡需要手動呼叫。當然你也隨便建方法

完整程式碼在demo1-1.html中

第一步成功！

為了方便，在init方法一開始內可以新增以下程式碼，方便物件的使用

var b2Vec2 = Box2D.Common.Math.b2Vec2

   ,b2AABB = Box2D.Collision.b2AABB

   ,b2BodyDef = Box2D.Dynamics.b2BodyDef

   ,b2Body = Box2D.Dynamics.b2Body

   ,b2FixtureDef = Box2D.Dynamics.b2FixtureDef

   ,b2Fixture = Box2D.Dynamics.b2Fixture

   ,b2World = Box2D.Dynamics.b2World

   ,b2MassData = Box2D.Collision.Shapes.b2MassData

   ,b2PolygonShape = Box2D.Collision.Shapes.b2PolygonShape

   ,b2CircleShape = Box2D.Collision.Shapes.b2CircleShape

   ,b2DebugDraw = Box2D.Dynamics.b2DebugDraw

   ,b2MouseJointDef =  Box2D.Dynamics.Joints.b2MouseJointDef

   ;

先不用管具體做什麼用，後面會一一用到的

當我給本節標題命名為Hello Box2D World時,我並不只是為了建立另一個"Hello World"程式,而是我想要介紹所有Box2D模擬和事件發生的環境:世界(World)。

世界(World)是模擬發生的舞臺。你想要通過Box2D物理引擎控制的所有事物必須

在世界(World)中。幸運的是,Box2D世界(World)擁有足夠大的空間來容納你需要的任何事物,所以你無需擔心世界(World)的邊界(boundaries)。

你只需要記住在電腦中的任何事物都要受到某種限制。所以,越大的世界(World),將會消耗你的電腦越多的資源去管理它。

定義Box2D世界

與現實世界一樣,Box2D世界(World)有重力(gravity),所以你需要先定義世界重力(world gravity)。

1. 在你的main方法中,新增下面的一行程式碼:

var gravity = new b2Vec2(0,9.81);

這裡將介紹我們的第一個Box2D資料型別:b2Vec2。（注：在javascript中可沒這個資料型別，把它當成一個物件就好了）

b2Vec2是一個2D的縱向量資料型別,它將儲存x和y向量分量。如你所見,構造函式有兩個引數,都是數值,代表了x和y分量。通過這種方法我們定義 gravity變數作為一個向量,它有x=0(這意味著水平的重力)和y=-9.81(這意味著近似的地球重力)。

物理學中說過,一個物體在地球表面自由下落的加速度近似為9.81m/s^2(米每平方秒)也可寫作"m/s/s"。所以,假設沒有任何空氣阻力,我們在模擬一個真實的世界(real-world)環境。解釋物體下落的原理已經超越本書的範圍,但是你可以在Google或Wikipedia中搜尋"equations for a falling body"去獲得更多的資訊。

2. 你可以設定你的遊戲為下面的這行程式碼: 

var gravity = new b2Vec2(0,1.63);

你也可以將引數設定為(0,0)來模擬一個沒有重力的環境:

var gravity = new b2Vec2(0,0);

3. 我們還需要告訴世界，當世界中的剛體靜止時，可以允許他們進入睡眠狀態,這樣它們將不受作用力的影響。

一個睡眠的剛體無需模擬,它只是表示自己的存在,並靜止在它的位置上,不會對世界中的任何事物產生影響,允許 Box2D忽略它,而且因此會提升處理速度以及讓我們獲得更好的效能。

所以推薦可能時讓剛體睡眠。  

4. 新增下面的一行,它只是一個簡單的布林(Boolean)變數定義:

var sleep = true;  

5. 最後,我們準備建立我們的第一個世界(world): 

var world = new b2World(gravity,sleep);  

6.現在我們有一個容器來管理所有的剛體並且執行我們的動態模擬。

7.讓我們來簡單的回顧一下之前的程式碼,此刻,你的程式碼應該看起如下面所示:

<script type="text/javascript">
         function init(){
            var b2Vec2 = Box2D.Common.Math.b2Vec2
            ,b2AABB = Box2D.Collision.b2AABB
            ,b2BodyDef = Box2D.Dynamics.b2BodyDef
            ,b2Body = Box2D.Dynamics.b2Body
            ,b2FixtureDef = Box2D.Dynamics.b2FixtureDef
            ,b2Fixture = Box2D.Dynamics.b2Fixture
            ,b2World = Box2D.Dynamics.b2World
            ,b2MassData = Box2D.Collision.Shapes.b2MassData
            ,b2PolygonShape = Box2D.Collision.Shapes.b2PolygonShape
            ,b2CircleShape = Box2D.Collision.Shapes.b2CircleShape
            ,b2DebugDraw = Box2D.Dynamics.b2DebugDraw
            ,b2MouseJointDef =  Box2D.Dynamics.Joints.b2MouseJointDef
            ;
            
            var gravity = new b2Vec2(0, 9.81);
            var sleep = true;
            var world = new b2World(gravity, sleep);
            function main(){
               
            }

            main();
         }
         init();
      </script>

現在你學習了怎樣去建立並配置一個Box2D世界。讓我們來看看你將怎樣在它裡面實現物理效果的模擬。

執行模擬

你需要在每一幀都進行模擬,所以首先你需要一個監聽來觸發每一幀

1. 讓我們新增一點程式碼:

<script>
         function init(){
            var b2Vec2 = Box2D.Common.Math.b2Vec2
            ,b2AABB = Box2D.Collision.b2AABB
            ,b2BodyDef = Box2D.Dynamics.b2BodyDef
            ,b2Body = Box2D.Dynamics.b2Body
            ,b2FixtureDef = Box2D.Dynamics.b2FixtureDef
            ,b2Fixture = Box2D.Dynamics.b2Fixture
            ,b2World = Box2D.Dynamics.b2World
            ,b2MassData = Box2D.Collision.Shapes.b2MassData
            ,b2PolygonShape = Box2D.Collision.Shapes.b2PolygonShape
            ,b2CircleShape = Box2D.Collision.Shapes.b2CircleShape
            ,b2DebugDraw = Box2D.Dynamics.b2DebugDraw
            ,b2MouseJointDef =  Box2D.Dynamics.Joints.b2MouseJointDef
            ;

            var gravity = new b2Vec2(0, 9.81);
            var sleep = true;
            var world = new b2World(gravity, sleep);
            function main(){
               setInterval(updateWorld, 1000 / 60);
            }
            function updateWorld() {
               console.log("my awesome simulation runs here");
            }

            main();
         }
         init();
      </script>

沒有什麼新的,我們只是新增了一個setInterval迴圈定時執行,但是我們需要它有序的執行updateWorld()方法中的模擬。

Box2D是通過模擬世界的離散時間步(step time)來進行模擬工作的。

這意味著世界將在每一個時間步被更新。

這將取決於我們在模擬中所採用的時間步。通常情況下,物理遊戲的時間步為1/60秒。

2. 下面是updateWorld函式的第一行:

var timeStep = 1/30

只是定義了時間步還不夠。在每一步,每一個物理實體(physic entity)根據作用於自身的作用力來更新(不包括睡眠狀態)。

處理這項任務的演算法叫約束解算器(constraint solver)。

它是基於迴圈每一個約束然後解算來進的，一次一個，如果你想要學習更多的關於約束的知識，在google在搜索"constraint algorithm"。

Where's the catch? 雖然單個約束可以被完美的解算,但是多個約束時,它會攪亂之前已經解算的別的約束。

試想,當兩個球移動的時候:在真實的世界,每一個球的位置是在相同的時間更新。在電腦的模擬中，我們需要通過迴圈來更新球的位置，而每次只能一個。試想一下for迴圈每次遍歷更新一個球。只要球彼此間沒有發生相互作用，一切正常執行，但是如何第二個球撞擊了第一個球，誰的位置被更新了？它們會重疊,這在剛體模擬中是不可能的事情。

通過取合適的近似值來解決這個問題,我們需要迴圈所有的約束不止一次。現在問題是:我們要迴圈多少次?

有兩種約束解算器:速率約束解算器(velocity constraint solver)和位置約束解算器(position constraint solver)。速率約束解算器依據它們的在世界中的衝量來移動物理實體。位置約束解算器調整物理實體的位置避免重疊。

所以,越高的便利次數,將會有更精確的模擬,但是效能會更低。我設法處理超過100個物理實體使用10次速率和位置遍歷,雖然Box2D的作者推薦8次速率和3次位置遍歷。

這將由你來決定使用的值。與此同時,我將使用對兩個約束解算器使用10次遍歷。  我們設定了兩個新變數:  

var velIterations:int=10;

var posIterations:int=10;

（注：先不用理解太深，反正我也沒看懂，不管這個“約束”先 (=◎ω◎=)）

最後我們準備呼叫world變數的step方法來更新模擬。  

在updateWorld方法中使用world,我們需要把world作為類變數宣告,如下所示:  

<script>
         function init(){
            var b2Vec2 = Box2D.Common.Math.b2Vec2
            ,b2AABB = Box2D.Collision.b2AABB
            ,b2BodyDef = Box2D.Dynamics.b2BodyDef
            ,b2Body = Box2D.Dynamics.b2Body
            ,b2FixtureDef = Box2D.Dynamics.b2FixtureDef
            ,b2Fixture = Box2D.Dynamics.b2Fixture
            ,b2World = Box2D.Dynamics.b2World
            ,b2MassData = Box2D.Collision.Shapes.b2MassData
            ,b2PolygonShape = Box2D.Collision.Shapes.b2PolygonShape
            ,b2CircleShape = Box2D.Collision.Shapes.b2CircleShape
            ,b2DebugDraw = Box2D.Dynamics.b2DebugDraw
            ,b2MouseJointDef =  Box2D.Dynamics.Joints.b2MouseJointDef
            ;

            
            var world;
            function main(){
               var gravity = new b2Vec2(0, 9.81);
               var sleep = true;
               world = new b2World(gravity, sleep);

               setInterval(updateWorld, 1000 / 60);
            }
            function updateWorld() {
               var timeStep = 1/30;
               var velIterations = 10;
               var posIterations = 10;
               world.Step(timeStep,velIterations,posIterations);
            }

            main();
         }
         init();
      </script>

現在我們有了我們自己的世界配置,然後執行。不幸的是,這是一個非常空

洞的世界,它的裡面沒有任何東西。所以在下一章,我們將向世界中填充各

種各樣的物理實體。

最後還有一件事情,在每一步之後,你需要清除作用力,讓模擬從下一步再次開始。

你可以將這行world.ClearForces();程式碼新增到step方法之後;你最後的代碼如下所示:

<script>
         function init(){
            var b2Vec2 = Box2D.Common.Math.b2Vec2
            ,b2AABB = Box2D.Collision.b2AABB
            ,b2BodyDef = Box2D.Dynamics.b2BodyDef
            ,b2Body = Box2D.Dynamics.b2Body
            ,b2FixtureDef = Box2D.Dynamics.b2FixtureDef
            ,b2Fixture = Box2D.Dynamics.b2Fixture
            ,b2World = Box2D.Dynamics.b2World
            ,b2MassData = Box2D.Collision.Shapes.b2MassData
            ,b2PolygonShape = Box2D.Collision.Shapes.b2PolygonShape
            ,b2CircleShape = Box2D.Collision.Shapes.b2CircleShape
            ,b2DebugDraw = Box2D.Dynamics.b2DebugDraw
            ,b2MouseJointDef =  Box2D.Dynamics.Joints.b2MouseJointDef
            ;

            
            var world;
            function main(){
               var gravity = new b2Vec2(0, 9.81);
               var sleep = true;
               world = new b2World(gravity, sleep);

               setInterval(updateWorld, 1000 / 60);
            }
            function updateWorld() {
               var timeStep = 1/30;
               var velIterations = 10;
               var posIterations = 10;
               world.Step(timeStep,velIterations,posIterations);
               world.ClearForces(); // 清除作用力
            }

            main();
         }
         init();
</script>

原始碼全部程式碼在github上的demo1-1.html中，可檢視執行

概述

你剛剛學習了怎樣為在網頁中安裝使用Box2D。將它包含到你的專案中並執行,重力規則模擬,管理時間步以及約束解算器。

到現在為止，你的網頁上其實並沒有顯示任何東西。

你有一個空的世界,準備成為你遊戲發生的容器。儲存它然後在每一個未來的專案中使用它!

注：轉載請註明出處部落格園：sheldon-二狗-偷飯貓(willian12345@126.com)

https://github.com/willian12345

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