Unity引擎开发：Unity基础入门_Unity物理引擎基础

Unity内部集成了一个强大的物理引擎，即NVIDIA PhysX。这个物理引擎支持多种物理模拟，包括刚体动力学、布料模拟、流体模拟等。对于初学者来说，最常用的物理模拟是刚体动力学。通过刚体动力学，可以模拟物体在游戏中的运动和碰撞。通过本章的学习，你已经掌握了Unity物理引擎的基本原理和使用方法。物理引擎是实现游戏真实感和互动性的关键组件，通过刚体动力学、碰撞检测、物理材质、物理约束和物理关节等

chenlz2007

735人浏览 · 2025-02-17 23:38:34

chenlz2007 · 2025-02-17 23:38:34 发布

Unity物理引擎基础

在Unity引擎中，物理引擎是实现游戏内物体交互和模拟真实世界物理现象的核心组件之一。通过物理引擎，开发者可以创建具有真实感的物理效果，如碰撞检测、重力作用、摩擦力、刚体动力学等。本章将详细介绍Unity物理引擎的基本原理和使用方法，帮助你更好地理解和应用物理效果，从而提升游戏的真实性和互动性。

物理引擎概述

Unity内部集成了一个强大的物理引擎，即NVIDIA PhysX。这个物理引擎支持多种物理模拟，包括刚体动力学、布料模拟、流体模拟等。对于初学者来说，最常用的物理模拟是刚体动力学。通过刚体动力学，可以模拟物体在游戏中的运动和碰撞。

刚体动力学

刚体动力学是物理引擎的基础，它模拟物体在受到力和力矩作用时的运动。在Unity中，刚体组件（Rigidbody）用于将物体转换为物理引擎可以处理的刚体。一旦物体被添加了Rigidbody组件，物理引擎就会接管该物体的运动，使其遵循物理定律。

Rigidbody组件

Rigidbody组件是Unity物理引擎的核心组件之一。它提供了对物体运动的基本控制，包括线性运动和角运动。Rigidbody组件的主要属性包括：

Mass（质量）：物体的质量，影响物体在受到力时的加速度。
Drag（阻力）：物体在空气中移动时的阻力，可以模拟空气阻力。
Angular Drag（角阻力）：物体旋转时的阻力，可以模拟旋转阻力。
Use Gravity（使用重力）：是否开启重力作用。
Is Kinematic（是否为运动学）：如果启用，物体将不受物理引擎的影响，只能通过脚本控制其运动。
Interpolate（插值）：用于平滑物体的运动，减少物理模拟的不连续性。
Collision Detection（碰撞检测）：用于设置碰撞检测模式，以提高性能或准确性。
Constraints（约束）：限制物体的某些自由度，如冻结位置或冻结旋转。

示例：创建一个受重力影响的物体

打开Unity编辑器，创建一个新的场景。
创建一个立方体（Cube），并将其命名为PhysicsCube。
选择PhysicsCube，在Inspector面板中点击“Add Component”按钮，添加Rigidbody组件。
确保Use Gravity属性被启用。


// 创建一个简单的脚本，使立方体在初始化时受到一个初始力

using UnityEngine;



public class ApplyForce : MonoBehaviour

{

    // 用于存储Rigidbody组件的引用

    private Rigidbody rb;



    // 在Start方法中初始化Rigidbody组件

    void Start()

    {

        // 获取Rigidbody组件

        rb = GetComponent<Rigidbody>();



        // 如果Rigidbody组件存在，应用一个初始力

        if (rb != null)

        {

            // 应用一个向上的力，使其飞起

            rb.AddForce(Vector3.up * 100f, ForceMode.Impulse);

        }

    }

}

将上述脚本附加到PhysicsCube上，运行场景，你会看到立方体受到初始力后向上飞起，然后受到重力作用落下。

碰撞检测

碰撞检测是物理引擎中的另一个重要功能，用于检测两个或多个物体之间的碰撞。在Unity中，碰撞检测主要通过Collider组件来实现。每种Collider组件都有其特定的形状，如BoxCollider、SphereCollider、CapsuleCollider等。

Collider组件

Collider组件用于定义物体的碰撞边界。以下是几种常用的Collider组件：

BoxCollider：立方体碰撞器，适用于矩形物体。
SphereCollider：球体碰撞器，适用于圆形物体。
CapsuleCollider：胶囊体碰撞器，适用于类人形物体。
MeshCollider：网格碰撞器，适用于复杂形状的物体，但性能开销较大。
WheelCollider：车轮碰撞器，适用于车辆的车轮。

碰撞检测方法

Unity提供了多种方法来处理碰撞检测，包括：

OnCollisionEnter：当刚体与另一个刚体发生碰撞时调用。
OnCollisionStay：当刚体与另一个刚体持续碰撞时调用。
OnCollisionExit：当刚体与另一个刚体停止碰撞时调用。
OnTriggerEnter：当刚体进入另一个触发器Collider时调用。
OnTriggerStay：当刚体持续在触发器Collider内时调用。
OnTriggerExit：当刚体离开触发器Collider时调用。

示例：检测碰撞并改变颜色

创建一个新的立方体（Cube），并将其命名为ColorCube。
选择ColorCube，在Inspector面板中点击“Add Component”按钮，添加BoxCollider组件。
创建一个新的球体（Sphere），并将其命名为CollisionSphere。
选择CollisionSphere，在Inspector面板中点击“Add Component”按钮，添加Rigidbody组件和SphereCollider组件。
创建一个新的脚本ChangeColorOnCollision，并附加到ColorCube上。


// ChangeColorOnCollision.cs

using UnityEngine;



public class ChangeColorOnCollision : MonoBehaviour

{

    // 用于存储碰撞检测时的颜色

    public Color collisionColor = Color.red;



    // 用于存储默认颜色

    private Color defaultColor;



    // 在Start方法中初始化默认颜色

    void Start()

    {

        // 获取Renderer组件并存储默认颜色

        defaultColor = GetComponent<Renderer>().material.color;

    }



    // 当发生碰撞时调用

    void OnCollisionEnter(Collision collision)

    {

        // 改变颜色为碰撞时的颜色

        GetComponent<Renderer>().material.color = collisionColor;

    }



    // 当碰撞结束时调用

    void OnCollisionExit(Collision collision)

    {

        // 恢复默认颜色

        GetComponent<Renderer>().material.color = defaultColor;

    }

}

运行场景，当球体与立方体发生碰撞时，立方体的颜色会变为红色，碰撞结束后颜色会恢复为默认颜色。

物理材质

物理材质（Physics Material）用于定义物体之间的摩擦力和弹性。通过物理材质，可以更精确地模拟物体在接触时的行为。物理材质通常应用于Collider组件。

物理材质属性

物理材质的主要属性包括：

Dynamic Friction（动态摩擦力）：物体在移动时的摩擦力。
Static Friction（静态摩擦力）：物体静止时的摩擦力。
Bounciness（弹性）：物体碰撞后的反弹程度。
Friction Combine（摩擦力组合模式）：定义如何组合两个接触物体的摩擦力。
Bounce Combine（弹性组合模式）：定义如何组合两个接触物体的弹性。

示例：设置物理材质

在Project面板中右键点击，选择“Create > Physics Material”，创建一个新的物理材质，并命名为BouncyMaterial。
选择BouncyMaterial，在Inspector面板中设置Bounciness为1.0，使物体具有完全弹性。
选择之前的CollisionSphere，在Inspector面板中将SphereCollider组件的Material属性设置为BouncyMaterial。
创建一个新的平面（Plane），并将其命名为BouncyPlane。
选择BouncyPlane，在Inspector面板中点击“Add Component”按钮，添加BoxCollider组件。
将BouncyMaterial应用到BouncyPlane的BoxCollider组件上。


// 创建一个简单的脚本，使球体在初始化时受到一个初始力

using UnityEngine;



public class ApplyForceToSphere : MonoBehaviour

{

    // 用于存储Rigidbody组件的引用

    private Rigidbody rb;



    // 在Start方法中初始化Rigidbody组件

    void Start()

    {

        // 获取Rigidbody组件

        rb = GetComponent<Rigidbody>();



        // 如果Rigidbody组件存在，应用一个初始力

        if (rb != null)

        {

            // 应用一个向下的力，使其下落

            rb.AddForce(Vector3.down * 100f, ForceMode.Impulse);

        }

    }

}

将上述脚本附加到CollisionSphere上，运行场景，你会看到球体在下落后与平面发生完全弹性的碰撞。

力和力矩

在物理引擎中，力和力矩是控制物体运动的主要手段。通过施加力和力矩，可以实现物体的加速、减速、旋转等效果。

力的类型

Unity提供了几种力的类型，包括：

ForceMode.Force：施加一个持续的力。
ForceMode.Acceleration：施加一个持续的加速度。
ForceMode.Impulse：施加一个瞬时的力，常用于模拟瞬间的冲击。
ForceMode.VelocityChange：直接改变物体的速度，常用于模拟瞬间的速度变化。

示例：控制物体的运动

创建一个新的立方体（Cube），并将其命名为ControlCube。
选择ControlCube，在Inspector面板中点击“Add Component”按钮，添加Rigidbody组件。
创建一个新的脚本ControlMovement，并附加到ControlCube上。


// ControlMovement.cs

using UnityEngine;



public class ControlMovement : MonoBehaviour

{

    // 用于存储Rigidbody组件的引用

    private Rigidbody rb;



    // 力的大小

    public float force = 10f;



    // 在Start方法中初始化Rigidbody组件

    void Start()

    {

        // 获取Rigidbody组件

        rb = GetComponent<Rigidbody>();

    }



    // 在Update方法中处理用户输入

    void Update()

    {

        // 检测用户输入

        if (Input.GetKey(KeyCode.W))

        {

            // 向前施加力

            rb.AddForce(Vector3.forward * force, ForceMode.Force);

        }

        if (Input.GetKey(KeyCode.S))

        {

            // 向后施加力

            rb.AddForce(Vector3.back * force, ForceMode.Force);

        }

        if (Input.GetKey(KeyCode.A))

        {

            // 向左施加力

            rb.AddForce(Vector3.left * force, ForceMode.Force);

        }

        if (Input.GetKey(KeyCode.D))

        {

            // 向右施加力

            rb.AddForce(Vector3.right * force, ForceMode.Force);

        }

    }

}

运行场景，使用W、A、S、D键可以控制立方体的运动方向。

触发器

触发器（Trigger）是一种特殊的Collider，用于检测物体之间的触发事件，而不是物理碰撞。触发器可以用于实现各种游戏逻辑，如检测玩家进入特定区域、触发事件等。

触发器属性

在Collider组件中，有一个Is Trigger属性。启用该属性后，Collider将变为触发器，不再参与物理碰撞检测，而是触发相应的事件。

示例：检测玩家进入区域

创建一个新的立方体（Cube），并将其命名为TriggerCube。
选择TriggerCube，在Inspector面板中点击“Add Component”按钮，添加BoxCollider组件，并启用Is Trigger属性。
创建一个新的角色（Character），并将其命名为Player。
选择Player，在Inspector面板中点击“Add Component”按钮，添加Rigidbody组件和CapsuleCollider组件。
创建一个新的脚本DetectTrigger，并附加到TriggerCube上。


// DetectTrigger.cs

using UnityEngine;



public class DetectTrigger : MonoBehaviour

{

    // 当刚体进入触发器时调用

    void OnTriggerEnter(Collider other)

    {

        // 检测是否是玩家

        if (other.gameObject.CompareTag("Player"))

        {

            Debug.Log("Player entered the trigger area!");

        }

    }



    // 当刚体离开触发器时调用

    void OnTriggerExit(Collider other)

    {

        // 检测是否是玩家

        if (other.gameObject.CompareTag("Player"))

        {

            Debug.Log("Player left the trigger area!");

        }

    }

}

将上述脚本附加到TriggerCube上，并确保玩家对象（Player）上有一个Player标签。运行场景，当玩家进入和离开触发器区域时，控制台会输出相应的消息。

物理约束

物理约束（Constraints）用于限制刚体的某些自由度，例如冻结位置或冻结旋转。通过物理约束，可以更精确地控制物体的运动。

约束类型

Rigidbody组件提供了以下几种约束类型：

Freeze Position X：冻结X轴位置。
Freeze Position Y：冻结Y轴位置。
Freeze Position Z：冻结Z轴位置。
Freeze Rotation X：冻结X轴旋转。
Freeze Rotation Y：冻结Y轴旋转。
Freeze Rotation Z：冻结Z轴旋转。

示例：限制物体的旋转

创建一个新的立方体（Cube），并将其命名为ConstrainedCube。
选择ConstrainedCube，在Inspector面板中点击“Add Component”按钮，添加Rigidbody组件。
在Rigidbody组件中，启用Freeze Rotation X和Freeze Rotation Y属性，限制物体在X轴和Y轴上的旋转。


// 创建一个简单的脚本，使立方体在初始化时受到一个初始力

using UnityEngine;



public class ApplyTorque : MonoBehaviour

{

    // 用于存储Rigidbody组件的引用

    private Rigidbody rb;



    // 力矩的大小

    public float torque = 10f;



    // 在Start方法中初始化Rigidbody组件

    void Start()

    {

        // 获取Rigidbody组件

        rb = GetComponent<Rigidbody>();

    }



    // 在Update方法中处理用户输入

    void Update()

    {

        // 检测用户输入

        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftArrow))

        {

            // 向左施加力矩

            rb.AddTorque(Vector3.down * torque, ForceMode.Force);

        }

        if (Input.GetKey(KeyCode.RightArrow))

        {

            // 向右施加力矩

            rb.AddTorque(Vector3.up * torque, ForceMode.Force);

        }

    }

}

将上述脚本附加到ConstrainedCube上，运行场景，使用左箭头和右箭头键可以控制立方体的旋转，但立方体在X轴和Y轴上的旋转将被限制。

物理层

物理层（Physics Layers）用于定义物体之间的碰撞规则。通过物理层，可以实现某些物体之间不发生碰撞，而其他物体之间发生碰撞。物理层在游戏开发中非常有用，特别是在大型游戏项目中。

物理层设置

在Edit菜单中选择“Project Settings > Physics”，打开物理设置面板。
在物理设置面板中，可以看到默认的物理层列表，可以通过点击“+”按钮添加自定义物理层。
选择一个物体，在Inspector面板中设置其Layer属性为自定义的物理层。

示例：设置物理层

创建一个新的立方体（Cube），并将其命名为LayerCube1。
创建另一个立方体（Cube），并将其命名为LayerCube2。
在Edit菜单中选择“Project Settings > Physics”，打开物理设置面板。
点击“+”按钮，添加两个新的物理层，分别命名为Layer1和Layer2。
选择LayerCube1，在Inspector面板中设置其Layer属性为Layer1。
选择LayerCube2，在Inspector面板中设置其Layer属性为Layer2。
在物理设置面板中，取消Layer1和Layer2之间的碰撞。


// 创建一个简单的脚本，使立方体在初始化时受到一个初始力

using UnityEngine;



public class ApplyForceToLayerCube : MonoBehaviour

{

    // 用于存储Rigidbody组件的引用

    private Rigidbody rb;



    // 力的大小

    public float force = 10f;



    // 在Start方法中初始化Rigidbody组件

    void Start()

    {

        // 获取Rigidbody组件

        rb = GetComponent<Rigidbody>();



        // 应用一个向右的力

        rb.AddForce(Vector3.right * force, ForceMode.Force);

    }

}

将上述脚本附加到LayerCube1和LayerCube2上，运行场景，你会看到两个立方体在受到力的作用下移动，但不会发生碰撞。

物理关节

物理关节（Joints）用于连接两个刚体，实现物体之间的约束和互动。物理关节可以用于模拟绳索、弹簧、铰链等效果。

物理关节类型

Unity提供了多种物理关节类型，包括：

Fixed Joint：固定关节，将两个刚体固定在一起。
Hinge Joint：铰链关节，用于模拟铰链效果。
Spring Joint：弹簧关节，用于模拟弹簧效果。
Character Joint：角色关节，用于模拟角色的关节。
Configurable Joint：可配置关节，提供了高度自定义的关节设置。

续写：创建一个铰链关节

创建一个新的立方体（Cube），并将其命名为HingeCube1。
选择HingeCube1，在Inspector面板中点击“Add Component”按钮，添加Rigidbody组件和BoxCollider组件。
创建另一个立方体（Cube），并将其命名为HingeCube2。
选择HingeCube2，在Inspector面板中点击“Add Component”按钮，添加Rigidbody组件和BoxCollider组件。
选择HingeCube1，在Inspector面板中点击“Add Component”按钮，添加Hinge Joint组件。
在Hinge Joint组件中，设置Connected Body为HingeCube2的Rigidbody组件。


// RotateHingeJoint.cs

using UnityEngine;



public class RotateHingeJoint : MonoBehaviour

{

    // 用于存储Hinge Joint组件的引用

    private HingeJoint hingeJoint;



    // 旋转速度

    public float rotationSpeed = 10f;



    // 在Start方法中初始化Hinge Joint组件

    void Start()

    {

        // 获取Hinge Joint组件

        hingeJoint = GetComponent<HingeJoint>();



        // 设置铰链关节的限制

        JointLimits limits = new JointLimits();

        limits.min = 0f;

        limits.max = 90f;

        limits.bounciness = 0f;

        limits.spring = 0f;

        hingeJoint.limits = limits;



        // 设置铰链关节的轴

        JointMotor motor = new JointMotor();

        motor.targetVelocity = 0f;

        motor.force = 100f;

        hingeJoint.motor = motor;



        // 禁用关节的弹簧

        hingeJoint.useSpring = false;

        hingeJoint.useLimits = true;

    }



    // 在Update方法中处理用户输入

    void Update()

    {

        // 检测用户输入

        if (Input.GetKey(KeyCode.Space))

        {

            // 使铰链关节的立方体旋转

            JointMotor motor = hingeJoint.motor;

            motor.targetVelocity = rotationSpeed;

            hingeJoint.motor = motor;

        }

        else

        {

            // 停止旋转

            JointMotor motor = hingeJoint.motor;

            motor.targetVelocity = 0f;

            hingeJoint.motor = motor;

        }

    }

}

将上述脚本附加到HingeCube1上，运行场景，当按下空格键时，HingeCube1和HingeCube2之间的铰链关节会驱动立方体旋转。松开空格键后，旋转会停止。

总结

通过本章的学习，你已经掌握了Unity物理引擎的基本原理和使用方法。物理引擎是实现游戏真实感和互动性的关键组件，通过刚体动力学、碰撞检测、物理材质、物理约束和物理关节等功能，可以创建出丰富多样的物理效果。以下是一些关键点的总结：

刚体动力学：通过Rigidbody组件，可以模拟物体在力和力矩作用下的运动。
碰撞检测：通过Collider组件，可以检测物体之间的碰撞，并通过OnCollisionEnter、OnCollisionStay、OnCollisionExit等方法处理碰撞事件。
物理材质：通过物理材质，可以定义物体之间的摩擦力和弹性，使碰撞效果更加真实。
物理约束：通过Rigidbody组件的Constraints属性，可以限制物体的某些自由度，如冻结位置或冻结旋转。
物理层：通过物理层设置，可以定义物体之间的碰撞规则，实现更复杂的物理交互。
物理关节：通过物理关节，可以连接两个刚体，实现物体之间的约束和互动，如铰链、弹簧等效果。