用Box2D Library制作2D物理游戏

　　从最热门游戏排行榜和flash游戏网站上，你能看到什么？许多2D游戏都有非常出色的物理学和美术设计。现在我们要学习那些游戏使用了什么物理学以及如何用Box2D制作它们。

　　除了知道是“什么”，更重要的是知道“如何做”，首先，我想问读者一个问题：如果你想复制物理游戏的机制或行为，你需要什么技术和方法？

　　一年以前，我问了自己同样的问题，《6 Dimensions》就是问题的答案。这款游戏是一个创意的盒子，每一面都包含一组使用Box2D物理学再加上视觉美学技术制作的不同的游戏机制。在此，我将与大家分享这款游戏。我做这款游戏是为了改进游戏引擎Codea（是由Crabitron开发的），而我写了这篇教程是为了向大家介绍写实物理学、美术和游戏设计……共同提高我们的游戏开发水平。

　　在我的游戏中，我设计了6个面，借同样的思路，我将给大家介绍我运用了哪些从其他游戏中复制而来的物理、机制和美术技术。

　　1、形状

　　《Thomas was alone》、《愤怒的小鸟》、《蜡笔物理学》

　　在《蜡笔物理学》中，你可以在屏幕上用手指或鼠标作画，比如画圆、三角形、矩形等，当你松开鼠标/拿开手指，线条就会变成立体物理对象（在虚拟世界中）。

　　这是怎么做的？

　　事实上相当简单，你要把鼠标/手指从开始到结束的绘画路径的各个坐标点保存起来，当释放事件发生，你就调用Box2D的一个根据这些点生成多边形的功能：

local body = physics.body(POLYGON, unpack( points ) )

　　你得先认识一下Box2D中的有什么形状：

　　POLYGON（多边形）：

　　用于封闭形状如基本几何图形（非圆形），它使用一系列按各个API指定的顺序排列的顶点（x,y）

　　CIRCLE（圆）：

　　可以做球、水珠、星体，等等。

　　EDGE（边）：

　　用于制作墙、地面、只有起点和终点的线段。

　　CHAIN（链）：

　　与边相同，但你可以闭合它（像多边形但不是凸多边形）或不闭合它(像边但点超过2）

　　知道了刚体形状（body shape）后，你还要了解它们的不同行为，或叫作刚体类型（body types）：

　　STATIC（静态）：如名称所示，这种刚体会在指定的x,y（地面、墙、柱基或绳基，等等）上保持静止不动。

　　DYNAMIC（动态）：它与其他对象碰撞并移动

　　KINEMATIC（运动）：碰撞但不随着动态对象移动，你只能通过改变它的x,y或者赋给它一个线性速度或对它施加力来使它移动。

　　真正的含义要在API的执行中理解，在本文中我使用这个是因为它是我能找到的最简单的代码了。但改变成任何语言的代码都非常简单，Box2D有几乎所有的语言版本（Flash as3、c++、objc、java、javascript、java+processing，等等）。

　　你得保存那个功能的结果为自定义变量如body.position（位置）、body.radius（半径）、body.linearVelocity（线性速度）、body.angularVelocity（角速度）、body.mass（质量），等等。

　　当刚体制作出来时，你可能想给它定义一些属性如restitution（恢复）、gravityScale（重力大小）和damping（衰减）等，这些属性可以赋给物理对象弹跳或漂浮状态。

　　Box2D的复杂度当然不止这些，具有这种物理游戏机制的其他游戏（《Magic Pen》）也比较复。在《Magic Pen》中，你可以画一些东西看起来像“node（节点）”的东西，但开发者叫它们“joint（关节）”，它们是用于连接刚体的，有若干种，取决于你想要的机制；还可以用于制作连接着的刚体之间的行为：

　　physics.joint（REVOLUTE，bodyA, bodyB,)

　　刚体围绕着一个固定点（anchor）旋转

　　例如：小车的车轮、《蜡笔物理学》和《Magic Pen》中的红色节点

　　physics.joint( PRISMATIC, bodyA, bodyB, anchorA, direction )

　　在刚体各自的固定点之间保持固定距离。两个joint之间的初始距离取决于虚拟空间中的这两个固定点之间的初始距离。给joint设置frequency率和damping率可以使它产生软弹簧的行为。

　　physics.joint（DISTANCE, bodyA, bodyB, anchorA, anchorB )

　　旋转joint迫使两个刚体沿着某两个固定点之间的轴作运动。允许伸缩运动，但限制两个刚体之间的相对旋转。

　　physics.joint( WELD, bodyA, bodyB, anchor )

　　接合joint限制两个刚体之间的运动和相对旋转，实际上使它们变成一个刚体。因为求解器的迭代性质，当置于压力之下时接合joint可能会变形；当承受的力太大或几个接合joint被链接成一个更大的对象时，接合joint可能会完全失效。

　　physics.joint( ROPE, bodyA, bodyB, anchorA, anchorB, maxLength )

　　绳子joint限制两个刚体之间的最大距离

　　例如：《割绳子》中的绳子

　　概述：

　　1）创建：带有触点刚体或盒子或任何其他多边形几何体（一组2D点：x,y），给它设置我们需要的物理属性（如《Thomas was alone》中的不同行为），比如，如果刚体是static类型，那么就可以设置它的质量、密度、重力大小，等等。

　　2）可选属性：依附（attach）到另一个刚体上，比如说，你可以把一个刚体依附到另一个被设置为传感器的static刚体（不影响游戏世界的物理，但有碰撞事件），然后激活REVOLUTE joint的enableMotor（能动）属性，这还需要motorSpeed（速度）、maxMotorTorque（转矩）和maxMotorForce（力量），才能确定这个对象的旋转情况。

　　3）美术（Visual Art）：有了刚体后，如果你想绘制它，不是作为形状绘制出来，而是具有颜色或纹理的实体，你就要把这些点三角化生成多边形网格模型(mesh)并给它设置颜色和贴材质。

　　例子：

　　对于《Thomas Was Alone》中的盒子的行为，你可以设置一个简单的“juice”系统动画（从“中间帧”演化来的），这样，当你选择方块并按下跳跃键（或它与其他不同的物理刚体发生碰撞），它就会触发“juice command= animation”命令——产生挤压、摇晃等动画效果，各个动作都有自己的动画参数，比如质量、线性速度和衰减等物理属性。

　　对于《愤怒的小鸟》，你可以通过给盒子定义不同的属性来制作一个关卡，绘制不同的子画面或制作不同材质的mesh，这样，在碰撞事件中，盒子刚体就会更加生动，通过改变盒子的纹理使之与当前状态更加协调（断掉的木头、快碎的玻璃，等）。

　　你可以用简单的刚体applyForce(vec2(x,y)) 函数做出小鸟的发射。各种小鸟也都有自己的质量、衰减等属性……

　　2、水体

　　《Where is my water?》、《Sprinkle Ilsands》……

　　当你问网上的代码达人，如何制作上述游戏那样的水体物理时，他们会跟你谈Metaball（变形球）:

　　但在游戏中使用Metaball技术既麻烦也不容易，而且要进行大量计算，除非你发现一些技巧和给它贴上一些美术材质。

　　那就是为什么运用水体物理学的游戏并不多见。几个月前我谈到这个问题，多亏了许多人的帮助，我得到了一个很棒的水体物理模型。在那个模型中，我用Box2D lib中的CIRCLE刚体做出动态球。

　　模型的代码很容易理解，球就是物理刚体，这些刚体具有使它产生水滴行为的参数如estitution（复原）、friction（摩擦）、damping（衰减）、linear velocity（线性速度），然后，我们用着色器（GLSL）的技术和材质绘制这些球，需要一个mesh，就像波纹fx或使用材质的其他GLSL着色器样本，我们把这个mesh的宽和高设为整个屏幕，从中间开始：

　　mesh:addRect(WIDTH / 2, HEIGHT / 2, WIDTH, HEIGHT)

　　这样，我们可以使用各个球的位置(x,y)在虚拟空间中绘制它们，各个球都有渐变的纹理效果。

for k,b in ipairs(balls) do
sprite(ballTexture, b.x, b.y)
end

　　然后，你得使用额外的扭曲模式，给这些着色的球添加材质，并与背景混合。

　　例子：

　　正如我所说的，各个球都有纹理（程序生成的渐变），可以与其他使用低级过滤器的球材质相融合。

　　《Where is my water?》

　　你可以对各种行为使用不同的层，或者把所有液体或所有动态地形做成同一层来做出相同的水体fx，然后在着色器中改变过滤值和颜色（水体、岩浆，等等）。

　　举一个碰撞的例子，当两个刚体发生碰撞时，你必须查看碰撞的bodyA和bodyB是什么类型的刚体，如果一个是气体（gravityScale/mass/density值实际上是0，所以它会飘浮）而另一个是“冰”，那么你就把这个球变成水……

　　再举一个例子，如果bodyA是岩浆，那么bodyB就变成气体……就像改变球的属性一样简单，所以它会改变在box2d中响应，你要重新绘制游戏状态。

　　地形的例子：

　　静态地形可以是一个POLYGON刚体，它是用一个读取整个地形图象和建立一系列非透明像素的x,y (vec2)的函数制作的，然后返回给box2d函数。

　　动态地形可以只是一个mesh，当你碰它时，你会移除座标x,y上的触点，你必须用新的mesh重制这个物理刚体。

　　例如，当一个水滴（物理刚体CIRCLE）溅到一只鸭子（具有激活的传感器的物体刚体），你必须删除那个水滴，并改变鸭子的动画，使新状态呈现，直到它完全被水充满，然后删除鸭子并记录结果。

　　水滴有很小的痕迹，这些是用linearVelocity和angularVelocity属性绘制的，你可以得到方向和速度，这样你就可以计算痕迹的角度和距离。

　　事实上，你想要什么行为都有。

　　在《Sprinkle Ilsands》中，水体着色器跟我们所学习的那个是不同的，它除了使用粒子fx，还多了linearVelocity属性。但行为可能还是一样的，当水球（刚体CIRCLE）击中火传感器，那么火就会熄灭，海里的水mesh也一样。至于岩石，你可以添加一些细节如颗粒效果等。

　　在这一面，我们找不到任何joint，那就是为什么它可能不必要，在《Sprinkle Ilsands》，软管就是绳子，这是我们在下一面中要分析的。

　　3、橡皮筋

　　《Contre Jour》、《割绳子》、《水果忍者》

　　我花了一个月时间才做出上述游戏的绳子原型，但我做完绳子后，我就觉得软刚体很容易做了，因为我更加理解接头了。

　　要制作一个逼真的绳子，你得创建一组刚体（CIRCLE或者POLYGON都行），把它们都依附在作为基座的STATIC刚体上。用于结合这些绳子刚体的joint有两种，DISTANCE或者REVOLUTE，但处于最末端（DYNAMIC）的连接基座（STATIC）的joint只能是制作弹力绳的ROPE joint。通过restitution 和frequency属性来调整response（反应）/damping（衰减）/elasticity（弹性）。

　　例子：

　　为了制作一个软刚体，你得围绕另一个中心刚体（可以是STATIC或DYNAMIC）制作一系列CIRCLE刚体，它当然会影响其他刚体，如果你改变joint的类型，你会发现这个刚体会自动变形，你必须用mesh绘制整组刚体。

　　《Contre Jour》

　　在这款游戏中，你可以找到软刚体：可变形的地形；两种类型的绳子：弹性绳和固定绳。这些固定绳使用的技术比弹性绳的更高级。

　　《割绳子》

　　这是Box2d物理做绳子的最佳案例。游戏中的绳子也是动态的，你可以看到沿着基座到球的mesh，球的一端是连着糖果的。

　　你可以像上一个例子一样做出这种绳子，设置球（糖果）的物理属性—-mass、density、gravityScale，可以做出泡泡效果。你可以用多层混合模式绘制出泡泡。另一种方法是把刚体变成传感器，并且你自己的重力算法移动它，但我们到第五面时才学习这种技术。

　　如果泡泡-刚体-球与青蛙或蜘蛛碰撞，或者玩家触击到泡泡，泡泡就会爆炸，为此你要给泡泡添加爆炸动画并再次改变糖果的物理属性……

　　案例代码：

if (vec2:distance( bFrog_Mouth,  bCandy ) < maxDistance) then

– 把青蛙的动画从“空闲”改为“吃”

– 暂停输入

– 补间并触发游戏结束动画

end

　　4、重力

　　在这一面，我们可以发现许多使用力来对抗重力的游戏，但这是一种游戏玩法。例如，你可以根据box2d的正弦函数生成简单的地形，它会返回链或边形状的STATIC刚体。

　　你可以用Box2d做出你自己的《Tiny Wings》。基本原理就是，球（CIRCLE刚体）在重力的作用下下落，你可以通过触击屏幕增加下落的linearVelocity（线性速度），当触击在山丘合适的部分（你可以查看你的正弦函数的高度）释放时，下落速度会增加……另一种方法是只使用力。

　　例子：

　　为了绘制循环，给拾取、发热状态等添加颗粒效果。材质可以用程序成生随机颜色图像做出来，用高斯噪声添加细节、边界，等等……

　　《Jetpack Joyride》

　　你可以看出这款游戏的特征吗？如果你已经读过前面的例子了，那么你应该知道角色刚体球有相同的行为，你一定是用力对抗重力、各个飞行器的不同物理属性、导弹和各种交通工具，等等。

　　《Madcoaster》、《Rocket Chicken》、《Whale Trail》等游戏都是一样的。

　　但这个面还有其他机制，如行星物理、引力。

　　你可以使用简单的公式来模拟零重力physics.gravity(0,0)，行量的吸引力如下图所示：

function Planet:attract(m)
– Direction of the force
local force = self.body.position – m.body.position
local d     = force:len() — = m.body.position:dist(self.body.position)
force = force:normalize()
local dir   = vec2(self.mass/m.body.mass, self.mass/m.body.mass)

– Magnitude of the force
local strength = (GRAVITY * self.mass * m.body.mass)/(d*d)
force = force * strength
m.body:applyForce(force)

stroke((1+math.floor(force.y))*110, (1+math.floor(force.x))*110, 10, 255)

– draw line between attractor/mover
line(m.body.x+force.x, m.body.y+force.y, (self.body.x), (self.body.y))
end

　　这个函数会使角色球绕着行星转。

　　5、线面

　　《拯救种子》、《蜡笔物理学》……

　　只有线：通过绘制线条，你可以做出形状类CHAIN的刚体和刚体类STATIC或DYNAMIC。

　　对于关卡设计，障碍物也是STATIC，可以是EDGE或POLYGON……

　　用那种结构，你可以复制出一款像《拯救种子》一样的游戏。

　　代码和第一面的是一样的，但你必须改变游戏的规则，你要从暂停的物理引擎开始，然后绘制和生成CHAIN静止形状，当玩家按下开始键时，游戏必须生成玩家的球（以及恢复、重力、质量等参数），重新开启物理引擎，只要一个指令（physics.pause() and physics.resume()）就能完成了。

　　它只留在游戏循环中，用于确认碰撞和线性速率、改变游戏状态……

　　你可以通过打开或关闭重力，来改变整个游戏的现实，就像《Thomas was alone》或《ibb and obb》那样。

　　6、交通工具

　　《小轮车冒险》、《登山赛车》

　　如果你已经看到这里了，那么做一款关于疯狂交通工具的游戏吧。

　　做交通工作，只要把接头和轮子想成CIRCLE刚体，用锚点正确的旋转接头把POLYGON（小车、自行车等的形状）和它们连接起来。

　　用带纹理的mesh绘制自行车/小车的主要刚体、车轮的子画面，除非你使用软刚体做这些，否则添加痕迹、颗粒fx等。

　　代码生成的例子：

　　对于道路，使用一些噪点或正弦，可以是STATIC或DYNAMIC，你可以使用Bezier曲线。

　　《小轮车冒险》

　　我会知道这款游戏和它的物理，多亏看了某人的一篇文章。

　　但文章作者没有提到任何有关Box2D的东西，但我猜这款游戏就是使用了Cocos2d（和Corona SDK）。无论如何，你现在知道怎么制作交通工具和横冲直撞的效果了。

　　在《Canvas Rider》中，有两种自行车模型，你可以在游戏中改变，你会发现自行车的刚体是一个允许一定damping的接头结构，当你改变自行车时，这个动态刚体就被破坏了，然后游戏就生成新的自行车类型。

　　另外，你在游戏中的自行车可以触到的线是静态CHAIN，当你设计道路时，鼠标触击的是x，y……像我们之前做的那样。

　　以上。希望你能用Box2D做出一些成果。

　　当然，使用Box2D，通过不同的方法制作的游戏还有很多，但它们可能综合使用了上述几种，例如，《时空幻境》、《超级食肉男孩》等，用可以用合适的刚体、机制和着色器制作出来。