Babylon.js学习之路《九、物理引擎入门：重力、碰撞与刚体模拟》

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1. 引言：物理引擎在3D交互中的核心作用

集成 Cannon.js/Oimo.js，实现物理交互效果。

• 核心价值：
  - 模拟真实世界的物理行为（如重力、碰撞、弹力），提升场景的真实感和交互性。
  - 应用场景：游戏中的物体交互（如弹球、倒塌效果）、工业模拟（如机械运动）。

• 案例对比：
  - 静态场景：物体静止或仅通过动画模拟运动，缺乏真实反馈。
  - 动态场景：物体自由下落、碰撞反弹、受外力推动自然运动。

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2. Babylon.js物理引擎基础

2.1 物理引擎的选择与集成

• 支持的引擎：
  • Cannon.js：轻量级，适合基础物理模拟。
  • Oimo.js：高性能，支持复杂碰撞和约束。
• 启用物理引擎：

    // 使用Cannon.jsscene.enablePhysics(new BABYLON.Vector3(0, -9.81, 0), // 重力加速度（m/s²）new BABYLON.CannonJSPlugin()      // 指定物理引擎);
  

2.2 刚体（Rigid Body）与碰撞体（Collider）

• 刚体：具有质量、可受力的物体（如箱子、球体）。
• 碰撞体：定义物体的物理边界（如盒子、球体、网格）。
• 代码示例：创建物理网格

  var scene = new BABYLON.Scene(engine);  
  scene.enablePhysics(new BABYLON.Vector3(0, -9.81, 0), // 重力加速度（m/s²）new BABYLON.CannonJSPlugin()      // 指定物理引擎
  );var ground = BABYLON.MeshBuilder.CreateGround("ground", { height: 5, width: 5, subdivisions: 1 }, scene);
  var groundMaterial = new BABYLON.StandardMaterial("groundMaterial", scene);
  groundMaterial.diffuseTexture = new BABYLON.Texture("textures/wood.jpg", scene);
  ground.material = groundMaterial;ground.physicsImpostor = new BABYLON.PhysicsImpostor(ground, BABYLON.PhysicsImpostor.PlaneImpostor, {mass: 0}, scene);BABYLON.SceneLoader.ImportMesh("", "scenes/", "ufo.glb", scene, function (meshes) {          scene.createDefaultCameraOrLight(true, true, true);meshes[0].position = new BABYLON.Vector3(0, 20, 0);meshes[0].physicsImpostor = new BABYLON.PhysicsImpostor(meshes[0],BABYLON.PhysicsImpostor.BoxImpostor,{ mass: 1, restitution: 0 },scene);
  });
  

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3. 重力与运动模拟

3.1 重力配置

• 全局重力设置：

    scene.gravity = new BABYLON.Vector3(0, -9.81, 0); // Y轴向下，模拟地球重力
  

• 局部重力区域：

    // 创建区域重力场（如太空场景）const gravityField = new BABYLON.PhysicsGravitationalField(new BABYLON.Vector3(0, -5, 0), // 重力方向与强度10 // 作用范围半径);scene.addPhysicsPlugin(gravityField);
  

3.2 施加外力与运动控制

• 推动物体：

    sphere.physicsImpostor.applyForce(new BABYLON.Vector3(10, 0, 0), // 力的大小和方向sphere.getAbsolutePosition()   // 力的作用点（通常为物体中心）);
  

• 设置速度：

    // 向上抛掷sphere.physicsImpostor.setLinearVelocity(new BABYLON.Vector3(0, 5, 0));
  

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4. 碰撞检测与响应

4.1 碰撞事件监听

• 全局碰撞事件：

    scene.onPhysicsCollide = (mesh1, mesh2) => {if (mesh1.name === "ball" && mesh2.name === "ground") {console.log("球体落地！");}};
  

• 物体间碰撞事件：

    sphere.physicsImpostor.registerOnPhysicsCollide(ground.physicsImpostor,(collider, collided) => {collider.object.material.emissiveColor = BABYLON.Color3.Red(); // 碰撞时高亮});
  

4.2 碰撞参数调优

• 弹性（Restitution）：控制反弹高度（0无弹性，1完全弹性）。
• 摩擦系数（Friction）：影响滑动阻力（0光滑，1高摩擦）。

    sphere.physicsImpostor.physicsBody.material.restitution = 0.8; // 弹性sphere.physicsImpostor.physicsBody.material.friction = 0.3;    // 摩擦
  

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5. 约束与关节（Joints）

5.1 铰链关节（Hinge Joint）

• 模拟门、旋转机械臂：

    const hinge = new BABYLON.PhysicsHingeJoint(door.physicsImpostor,   // 连接物体Awall.physicsImpostor,   // 连接物体B{ pivot: door.position, axis: new BABYLON.Vector3(0, 1, 0) } // 旋转轴);
  

5.2 弹簧关节（Spring Joint）

• 模拟弹簧、悬挂系统：

    const spring = new BABYLON.PhysicsSpringJoint(car.physicsImpostor,wheel.physicsImpostor,{ length: 2, stiffness: 100, damping: 0.5 });
  

6. 实战任务

任务1：弹跳球体与斜坡碰撞

• 目标：球体从斜坡滚落，与地面碰撞后反弹。
• 代码要点：

    // 创建斜坡（倾斜平面）const ramp = BABYLON.MeshBuilder.CreateBox("ramp", { width: 10, height: 1, depth: 5 }, scene);ramp.rotation.z = -Math.PI/6; // 倾斜30度ramp.physicsImpostor = new BABYLON.PhysicsImpostor(ramp, BABYLON.PhysicsImpostor.BoxImpostor, { mass: 0 }, scene);// 球体初始位置在斜坡顶端sphere.position.y = 5;
  

任务2：交互式多米诺骨牌

• 目标：点击触发第一个骨牌倒下，引发连锁反应。
• 实现步骤：
  1. 创建多个长方体骨牌，间距相等。
  2. 为第一个骨牌添加点击事件，施加推力。
  3. 通过碰撞事件触发后续骨牌倒下。

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7. 性能优化与常见问题

7.1 优化技巧

• 简化碰撞体：用近似形状（如盒子代替复杂网格）。
• 冻结静态物体：减少计算量。

    ground.physicsImpostor.physicsBody.mass = 0; // 静态物体（质量0）
  

7.2 常见问题

• 问题1：物体穿透（Tunneling）
  • 原因：物体速度过快，未检测到碰撞。
  • 解决：启用连续碰撞检测（CCD）：

    sphere.physicsImpostor.physicsBody.collisionResponse = true;
    sphere.physicsImpostor.physicsBody.ccdSpeedThreshold = 0.1;
    

• 问题2：性能卡顿
  • 解决：限制物理模拟精度或减少活动物体数量。

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8. 总结与扩展

• 核心技能：刚体与碰撞体配置、外力施加、关节约束、碰撞事件处理。
• 扩展方向：
  • 软体模拟：布料、液体效果。
  • 载具物理：汽车悬挂与轮胎摩擦力模拟。
  • 多人同步：通过网络同步物理状态。

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通过本指南，开发者将掌握物理引擎的核心用法，实现真实交互的3D场景，并为复杂应用（如游戏、工业仿真）奠定基础。