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:material-physics: Week6 — 物理系统

游戏物理

基本要素

  • Body和Shape：Body包含一些基本属性，如质量、位置、速度、角速度等，Shape则是碰撞体，一个Body可以有多个Shape。

Shape

形状 说明 性能 适用场景
Sphere 球形 最优 子弹、球体
Capsule 胶囊体 优 角色碰撞体
Box 长方体 优 箱子、墙壁
Plane 平面 优 地面
Convex Meshes 凸多边形 一般 不规则道具
Triangle Meshes 三角网格 较差 静态复杂地形
Height Fields 高度场 良好 地形

碰撞体复杂度

Triangle Meshes 仅用于静态物体，不能用于模拟（Simulating）的对象。动态物体应尽量使用 Sphere、Capsule、Box 等基础形状，或用多个基础形状组合（Aggregate）近似复杂外形。

碰撞检测

碰撞通道（Collision Channel）

UE 使用 碰撞通道（Collision Channel） 和 碰撞响应（Collision Response） 来控制哪些物体之间发生碰撞交互。

碰撞响应有三种状态：

  • Block（阻挡）：物理碰撞 + 触发事件，物体会互相推开
  • Overlap（重叠）：不产生物理碰撞，但触发 OnBeginOverlap / OnEndOverlap 事件
  • Ignore（忽略）：完全忽略，不碰撞也不触发事件
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碰撞矩阵示意（ObjectChannel vs ObjectChannel）：
                Pawn    WorldDynamic    Projectile
Pawn            Block   Block           Overlap
WorldDynamic    Block   Block           Block
Projectile      Overlap Block           Ignore

碰撞查询

用于查询碰撞，查询发生的条件是一个Shape与一个碰撞通道相交。

常用的查询方式：

从一点到另一点发射一条射线，检测沿途碰撞。

C++
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FHitResult HitResult;
FVector Start = GetActorLocation();
FVector End = Start + GetActorForwardVector() * 1000.f;

bool bHit = GetWorld()->LineTraceSingleByChannel(
    HitResult, Start, End, ECC_Visibility
);

if (bHit)
{
    AActor* HitActor = HitResult.GetActor();
    FVector HitPoint = HitResult.ImpactPoint;
}

用一个形状沿路径扫掠，检测碰撞体积更大的物体。

C++
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FHitResult HitResult;
FCollisionShape Shape = FCollisionShape::MakeSphere(50.f);

bool bHit = GetWorld()->SweepSingleByChannel(
    HitResult, Start, End, FQuat::Identity,
    ECC_Pawn, Shape
);

在指定位置检测是否有物体重叠。

C++
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TArray<FOverlapResult> Overlaps;
FCollisionShape Shape = FCollisionShape::MakeSphere(200.f);

GetWorld()->OverlapMultiByChannel(
    Overlaps, Center, FQuat::Identity,
    ECC_Pawn, Shape
);

物理材质（Physical Material）

物理材质定义表面的物理属性，影响碰撞行为：

属性 说明
Friction 摩擦系数（0 ~ 1），影响物体滑动
Restitution 弹性系数（0 ~ 1），0 = 不弹，1 = 完全弹性碰撞
Density 密度，与体积共同决定质量

物理材质 vs 材质（Material）

Physical Material 控制物理行为（摩擦、弹性），Material 控制视觉外观（颜色、纹理）。两者是独立的概念，但可以在 Material 中指定关联的 Physical Material。

物理约束（Physics Constraint）

Physics Constraint 用于约束两个刚体之间的相对运动，模拟铰链、弹簧、绳索等效果。

常见约束类型：

  • 自由度（Free）：该轴向无限制
  • 锁定（Locked）：该轴向完全固定
  • 受限（Limited）：该轴向在指定范围内运动
应用场景 约束配置
车门铰链 Swing 1 Limited（0~90 度），其余 Locked
角色吊绳 Swing 1/2 Free，Twist Locked，配合适当 Linear Limit
车轮悬挂 Twist Free（旋转），Swing Locked，Linear Z Limited
布娃娃关节 各轴 Limited，角度根据人体骨骼设置上限
C++
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// C++ 创建物理约束
UPhysicsConstraintComponent* Constraint = CreateDefaultSubobject<UPhysicsConstraintComponent>(TEXT("Constraint"));
Constraint->SetConstrainedComponents(BodyA, NAME_None, BodyB, NAME_None);

// 设置角度限制
Constraint->SetAngularSwing1Limit(EAngularConstraintMotion::ACM_Limited, 45.f);
Constraint->SetAngularSwing2Limit(EAngularConstraintMotion::ACM_Limited, 45.f);
Constraint->SetAngularTwistLimit(EAngularConstraintMotion::ACM_Locked, 0.f);

蓝图物理操作

在蓝图中可以通过以下方式操作物理：

  • AddForce / AddImpulse：对物体施加力或冲量
  • AddForce：持续力，需要每帧调用，效果与质量相关
  • AddImpulse：瞬时冲量，一次性施加
  • SetSimulatePhysics：开关物体的物理模拟（布娃娃系统常用）
  • SetPhysicsLinearVelocity / SetPhysicsAngularVelocity：直接设置速度
  • Set Physics Constraint：运行时修改约束参数

布娃娃系统

角色死亡时切换到布娃娃的典型流程：

  1. 调用 SetSimulatePhysics(true) 开启物理模拟
  2. 调用 SetAllBodiesSimulatePhysics(true) 让所有骨骼参与
  3. 调用 SetAllBodiesBelowPhysicsBlendWeight(BoneName, 1.0f) 控制特定骨骼
  4. 使用 Physics Blend Weight 在动画和物理之间插值，实现半动画半物理的效果

物理动画

基于动画和真实物理模拟插值的动画，应用到骨骼模型上。

Physical Animation Component 可以将物理模拟与动画结合：对部分骨骼施加物理力，同时保持动画驱动。典型应用：

  • 角色被击中时上半身向后倾倒，下半身保持行走动画
  • 布娃娃仅在死亡时完全接管，平时用部分物理增强表现力