MOTA

Unity-like 2D game engine built with c++ and Qt.

Along with a mini game MOTA as demo.

输入处理

物理模拟 (FixedUpdate)

对于一个自定义的 PhysicsSystem，一次 FixedUpdate 的更新流程主要分为以下几个阶段。这些阶段模拟 Unity 的物理系统运作顺序，同时根据实际需求进行调整和优化。

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1. 预处理阶段

在正式开始物理计算之前，需要准备所有相关数据，确保更新过程中有足够的信息：

1. 收集和初始化物理对象：

   • 遍历场景中的物理相关物体（通常是带有 Rigidbody 或 Collider 组件的 GameObject）。
   • 将物理对象的当前状态（位置、速度等）存储为初始状态，供后续计算使用。

2. 缓存输入和外力：

   • 收集并存储外力（如重力、风力）或玩家施加的力（如跳跃、推动等）。

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2. 应用外力阶段

在每个物体上应用外部作用力（如重力、用户输入的力、环境作用力等）以更新物体的运动状态。

具体处理：

1. 计算合力：

   • 将所有作用在刚体上的外力（如重力、风力、弹簧力）叠加，计算合力。

2. 更新速度：

   • 根据牛顿第二定律 ( F = ma )，计算加速度并更新物体的速度： $$\text{velocity} += \frac{\text{force}}{\text{mass}} \times \Delta t$$

3. 记录力的来源：

   • 如果需要调试或分析，可以记录施加了哪些力。

示例：

void ApplyForces(Rigidbody& rb) {
    // 叠加外力
    Vector3 gravity = Vector3(0, -9.8f, 0) * rb.mass;
    rb.force += gravity + rb.externalForces;

    // 更新速度
    Vector3 acceleration = rb.force / rb.mass;
    rb.velocity += acceleration * fixedDeltaTime;

    // 清空外力
    rb.force = Vector3(0, 0, 0);
}

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3. 碰撞检测阶段

在所有刚体之间进行碰撞检测，确定是否发生碰撞以及碰撞点的位置和法向量。

碰撞检测的常见方法：

1. 宽相位（Broad Phase）：

   • 粗略筛选可能碰撞的物体对（如使用四叉树或包围盒进行快速检测）。
   • 减少需要精确检测的物体对数量。

2. 窄相位（Narrow Phase）：

   • 对宽相位筛选出的物体对进行精确检测（如检测包围盒、凸多边形或点的接触情况）。
   • 计算碰撞点、法向量和碰撞深度。

示例：

void DetectCollisions() {
    for (auto& obj1 : sceneObjects) {
        for (auto& obj2 : sceneObjects) {
            if (obj1 != obj2 && CheckCollision(obj1.collider, obj2.collider)) {
                // 碰撞发生，存储碰撞信息
                CollisionInfo collision = ComputeCollisionInfo(obj1, obj2);
                collisionQueue.push(collision);
            }
        }
    }
}

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4. 碰撞响应阶段

处理碰撞检测的结果，调整刚体的速度和位置以确保物体不会穿透并正确响应碰撞。

具体步骤：

1. 计算碰撞响应：

   • 根据碰撞法向量和碰撞深度调整物体的位置，确保物体不重叠（位置修正）。
   • 使用动量守恒公式或弹性系数更新物体的速度： [ v_1' = v_1 - (1 + e) \cdot (v_1 \cdot n) \cdot n ]

2. 触发事件：

   • 如果某些碰撞需要触发特定逻辑（如游戏事件），可以在此阶段通知相关系统。

示例：

void ResolveCollisions() {
    while (!collisionQueue.empty()) {
        CollisionInfo collision = collisionQueue.front();
        collisionQueue.pop();

        // 根据碰撞法向量调整速度和位置
        ApplyCollisionResponse(collision.obj1, collision.obj2, collision.normal, collision.depth);
    }
}

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5. 更新位置阶段

根据更新后的速度，计算物体在当前时间步的最终位置。

示例：

void UpdatePositions(Rigidbody& rb) {
    // 更新位置
    rb.position += rb.velocity * fixedDeltaTime;

    // 将位置同步到场景物体的 Transform
    rb.gameObject.transform.position = rb.position;
}

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6. 后处理阶段

在物理计算完成后执行的额外处理：

1. 触发回调事件：

   • 触发 OnCollisionEnter、OnCollisionStay、OnCollisionExit 等物理事件。
   • 通知其他系统（如音效、粒子系统）进行额外的处理。

2. 清理和准备下一帧：

   • 清空力缓存、碰撞队列等临时数据。
   • 准备好数据供下一帧使用。

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完整的更新流程顺序

1. 预处理阶段：收集场景中的物理对象并初始化状态。
2. 应用外力：根据外力和玩家输入更新物体的速度。
3. 碰撞检测：检查并记录可能发生的碰撞。
4. 碰撞响应：调整物体的速度和位置以响应碰撞。
5. 更新位置：根据更新后的速度计算物体的新位置。
6. 后处理阶段：触发物理相关事件并清理缓存。

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示例代码概览

void PhysicsSystem::FixedUpdate() {
    // 1. 预处理：收集物理对象
    CollectPhysicsObjects();

    // 2. 应用外力
    for (auto& rb : rigidbodies) {
        ApplyForces(rb);
    }

    // 3. 碰撞检测
    DetectCollisions();

    // 4. 碰撞响应
    ResolveCollisions();

    // 5. 更新位置
    for (auto& rb : rigidbodies) {
        UpdatePositions(rb);
    }

    // 6. 后处理
    TriggerPhysicsEvents();
    ClearTemporaryData();
}

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总结

PhysicsSystem 的核心更新流程以物理规律为基础，包括预处理、外力应用、碰撞检测与响应、位置更新等阶段。它确保物理效果在每次 FixedUpdate 调用中都是准确和稳定的，同时与其他游戏逻辑（如输入处理、动画）无缝集成。

Update 阶段

└─> 所有 GameObject 的 Update 方法

LateUpdate 阶段

渲染阶段

├─> 渲染物体 ├─> 计算光照和阴影

└─> 后处理效果

Unknown Bugs

• UIText has 5 unknown components.

Reference¹

Footnotes

1. Unity Documentation https://docs.unity.cn/cn/2021.3/ScriptReference/index.html ↩