獨立遊戲開發中的物理系統

作者：王寅寅

注：本文選自機械工業出版社出版的《獨立遊戲開發：基礎、實踐與創收》一書的小節，略有改動。經出版社授權刊登於此。


Unity物理系統更準確的叫法應該是物理引擎（Physics Engine），該引擎是採用NVIDIA的PhysX物理引擎實現的，為避免與遊戲引擎本身的名字衝突，本書還是稱其為物理系統。所謂物理系統，是指在遊戲物件上實現加速度、碰撞、重力、摩擦力及各種外力作用的一系列功能集合。Unity物理系統又分為2D和3D兩種型別，兩者在使用上大體相似，主要區別是3D物理系統多了一個維度。

Unity物理系統沒有總開關，只要在遊戲物件上附加並正確設定了物理元件（如Rigidbody、Collider、Joint、Effector等元件），即使用了物理系統功能。下面我們繼續開發案例遊戲，並基於物理系統實現主角的移動、跳躍、自由落體及更復雜的碰撞檢測等功能。

遊戲物件調整

對於Road，我們需要將其調整為一個有一定距離且主角可以站立的路面。首先將Road的Sprite Renderer元件Draw Mode屬性選擇為Tiled（在該屬性下，影像會根據遊戲物件尺寸自動填充，就像連續的瓦片一樣），然後在場景中拖曳Road的左右邊框（需要確保工具欄中的變換工具為Rect Tool狀態），適當增大其寬度後即可得到一個連續的路面。接下來調整碰撞器範圍，在Box Collider 2D元件中單擊Edit Collider按鈕後，碰撞器範圍即進入可編輯狀態，調整完後再次單擊Edit Collider按鈕即可。我們還需要取消碰撞器的Is Trigger屬性，以保證主角與路面的碰撞不可穿透，此時儘管Road並未附加Rigidbody 2D元件，但它相當於一個Static狀態的剛體。另外，之前的Road指令碼已經不適用了，我們將其對應指令碼元件從檢視視窗移除，並將該指令碼檔案從專案視窗刪除即可。如圖1和圖2所示：圖1展示了檢視視窗中Road的相關元件情況，標註框中為相關的調整項；圖2展示了Road在場景檢視中的情況，注意其碰撞器範圍是一個極細的矩形綠色框（圖中可能不容易看出來，請讀者結合實際操作檢視），我們將該範圍上邊框調整在Road高度二分之一的位置，對應馬路中央，也是遊戲角色的水平落腳點。


注：在圖1中，有一個三角形警告符號，其內容提示我們：當前本Sprite影像資源的匯入設定可能會造成Tiled模式下的繪製錯誤。但很明顯，我們這裡並未出現繪製錯誤，筆者在實際工作中也尚未遇到過此類錯誤，忽略該警告即可。或者，可在該Sprite的影像資源匯入設定中，將Mesh Type屬性設定為Full Rect以消除該警告。

對於Player，我們需要讓其擁有重力以及合適的碰撞範圍。首先將Rigidbody 2D元件的Gravity Scale屬性設定為4，以接受該值大小的重力等級。接著重新選擇碰撞器，由於主角有一個近似圓形的外觀，因此可用圓形的Circle Collider 2D元件替換Box Collider 2D元件，並適當調整其範圍大小，如圖3所示。


對於RoadBlock，可用類似方法調整其碰撞範圍並刪除RoadBlock指令碼即可，具體步驟這裡不再贅述。

渲染順序修正

我們先執行遊戲，可以看到主角會因重力向路面下落，最終被錯誤地顯示在馬路後面，如圖4所示。要修正此問題，我們需要了解下Sprite Renderer元件的Sorting Layer與Order in Layer屬性：Sorting Layer屬性中可新增一系列特定名稱的排序分組，Unity將按照組順序依次渲染其中的Sprite；當多個Sprite同屬一個Sorting Layer分組時，則可通過Order in Layer屬性的值大小來決定它們的渲染順序。

值得注意的是，Soring Layer與Layer雖然只差一個單詞，但在Unity中它們是兩個不同的概念，可閱讀書中第5章中有關Layer的簡要介紹。另外讀者應知曉，Sprite Renderer元件功能不屬於物理系統功能。

下面，我們開始調整Sorting Layer與Order in Layer。首先，在Sorting Layer中新增一個Player分組：任意選擇一個遊戲物件，在檢視視窗中單擊Sorting Layer屬性右側的Default按鈕，並在展開的下拉選單中選擇Add Sorting Layer選項，即可開啟標籤與層的有關設定，其中，Sorting Layers欄下預設僅有一個Default分組，右下角的加減號（“+ -”）可增減分組，拖曳左側的等號（“=”）則可調整組順序，這裡我們新增一個Player分組，並保持現有順序即可。然後為Player的Sprite選擇該分組：單擊Player遊戲物件，直接將其Sorting Layer屬性右側的選項選擇為剛才新增的Player分組即可。接下來，Road與RoadBlock之間同樣需要調整渲染順序：將RoadBlock拖曳到Road上，可看到錯誤的前後關係，此時保持兩者的Sorting Layer同屬預設Default分組，我們保持Road的Order in Layer屬性為0，再將RoadBlock的Order in Layer屬性設為1，即可修正渲染順序（RoadBlock為0，Road為-1也可以）。圖5展示了調整後的執行效果。


基於物理系統的移動

這裡我們修改PlayerController指令碼，將當前基於Transform元件的移動替換為基於物理系統功能的移動，如程式碼1所示。

程式碼1   PlayerController.cs


上述程式碼中的GetComponent是一個泛型方法，用於獲取已附加元件，尖括號內為該元件的具體型別，這裡我們獲取Player的Rigidbody 2D元件，並由body變數引用。velocity是Rigidbody 2D元件中一個屬性，代表當前剛體的移動速度，我們把一個匿名二維向量賦值給它，即可實現剛體速度驅動遊戲物件的移動。在這個匿名二維向量中，X維度值即左右方向鍵輸入值與speed變數的積，Y維度值則對應剛體當前在該維度應有的速度（也就是說，我們僅控制水平速度，而不直接控制垂直速度，垂直速度將由外力實現，例如，下落時由物理系統重力產生向下的速度；跳躍時由人物跳躍力產生向上的速度）。

注：對精準名詞解釋一下，velocity表示速度，speed表示速率。速度是有方向和大小的向量，而速率是沒有方向的值。在沒有特別說明時，本書把兩者都稱為速度。

基於物理系統的跳躍與碰撞

我們繼續編寫PlayerController指令碼程式碼，為主角新增跳躍能力，並使用更復雜的碰撞檢測來判定其是否站立在地面上，如程式碼2所示。

程式碼2    PlayerController.cs



在上述程式碼中，我們新增了onGround與jumpPower變數，並使用了OnCollisionStay2D與OnCollisionExit2D方法。onGround變數是一個布林值，用於說明主角是否站立在地面上（或其他可站立物體上），當該值為真時，我們使用GetAxis("Vertical")獲取上下方向鍵輸入值，並在輸入值大於0時（向上的方向）呼叫AddForce方法在剛體上增加一個瞬時的力，該力是一個匿名二維向量，作為引數傳遞給AddForce方法，我們這裡只需要一個向上的力以產生向上的速度，因此該二維向量的X維度值設為0，Y維度值則設為代表跳躍力大小的jumpPower變數。

OnCollisionStay2D方法會在Player始終與碰撞物件接觸時連續執行，我們使用它檢測主角是否站立在地面上，其中，contactCount屬性儲存了Player與某個碰撞物件之間碰撞點的數量（多數情況下為1），我們用cnum變數儲存該數量，並結合for迴圈與GetContact方法遍歷所有的碰撞點；contact變數則用於依次儲存遍歷結果，每一個碰撞點都有一個normal屬性，該屬性是一個法線向量（這裡該向量是一個長度為1，並與Player碰撞點切線垂直的二維向量），當該向量Y維度值為1時，Player的碰撞點必然在正下方，即站立在地面上。這裡我們將該值的判定標準設為0.8，以考慮碰撞點稍稍偏離正下方的情況。OnCollisionExit2D方法會在Player脫離任意碰撞時執行，我們直接在其中將onGround變數賦值為假，即說明Player處於懸空狀態。

若此時執行遊戲，主角將會以滾動方式移動，這不是我們想要的效果。可在Rigidbody 2D元件中展開Constraints選項並勾選Freeze Rotation Z屬性以解決此問題，如圖6所示。最後在檢視視窗的Player Controller指令碼元件中，為Speed與Jump Power屬性分別設定一個合適的值（這裡我們設定為3和150），即可執行遊戲測試最終效果。