第5章 Unity3D的物理引擎

Unity3D Physics Engine

虚拟现实技术与开发

模拟真实世界的物理效果

本章内容概览

物理引擎基础

物理引擎简介
刚体(Rigidbody)
角色控制器

碰撞系统

碰撞器(Collider)
触发器(Trigger)
物理材质

进阶内容

恒定力
关节(Joint)
射线(Raycast)

5.1 物理引擎简介

Unity内置NVIDIA PhysX物理引擎 - 世界上广为使用的物理引擎

物理引擎特点

使用硬件加速，运算速度快
减轻CPU负担
制作逼真物理效果，无需复杂编程

物理属性对象类型

Rigidbody - 刚体（钢铁、运动鞋等）
Kinematic Rigidbody - 运动学刚体
Static Collider - 静态碰撞器
Character Controller - 角色控制器
Joint - 关节（弹簧、铰链等）
Cloth - 布料

5.1.1 刚体(Rigidbody)组件

刚体：用于模拟对象的牛顿物理学效果 - 车辆撞击、炮弹飞行、球类反弹等

添加刚体

菜单命令：Component → Physics → Rigidbody

主要属性

属性	说明
Mass	质量，质量越大惯性越大
Drag	摩擦力（空气阻力）
Angular Drag	旋转阻力
Use Gravity	重力效果开关
Is Kinematic	运动学状态（不受物理引擎控制）
Interpolate	插值平滑（None/Interpolate/Extrapolate）
Collision Detection	碰撞检测精度（Discrete/Continuous）

5.1.2 角色控制器(CharacterController)

角色控制器：用于制作类似人的角色 - 第一人称/第三人称游戏主角

角色控制器特点

不遵循物理规则（可快速转身、急停）
执行碰撞检测，可沿墙滑动、上下台阶
不受力影响（但重力效果存在）
可被代码施加的力推动

主要属性

属性	说明
Slope Limit	斜坡受限（可行走的坡度极值）
Step Offset	梯阶受限（可上台阶高度极值）
Skin Width	皮肤厚度（建议设为Radius的10%）
Min Move Distance	最小移动距离（减少抖动）
Center/Radius/Height	胶囊碰撞体参数

5.1.3 碰撞器(Collider)组件

碰撞器：与Rigidbody一起使用才能触发碰撞计算

碰撞器类型

类型	用途
Box Collider	门、墙、平台、汽车外壳
Sphere Collider	落石、球类
Capsule Collider	角色控制器
Mesh Collider	复杂网格（需开启Convex）
Wheel Collider	车轮（内置碰撞检测和摩擦）

碰撞必要条件

两个物体都必须带有碰撞器
至少有一个物体带有Rigidbody
两个物体要发生相对位移

5.1.7 触发器(Trigger)

触发器：勾选碰撞器的Is Trigger属性，允许物体穿过并触发事件

碰撞函数（Is Trigger = false）

            OnCollisionEnter(Collision collision)  // 碰撞开始

            OnCollisionStay(Collision collision)   // 碰撞保持

            OnCollisionExit(Collision collision)   // 碰撞退出

触发函数（Is Trigger = true）

            OnTriggerEnter(Collider other)  // 进入触发器

            OnTriggerStay(Collider other)   // 停留触发器

            OnTriggerExit(Collider other)   // 离开触发器

应用场景：检测物体是否经过某个区域、拾取道具、进入传送门

5.1.6 物理材质(Physical Material)

物理材质：配置物体表面的摩擦系数和弹性系数

内置物理材质

Bouncy（弹性）
Ice（冰）
Metal（金属）
Rubber（橡胶）
Wood（木头）
MaxFriction（最大摩擦）
ZeroFriction（零摩擦）

导入方式

Assets → Import Package → Characters → Physics Materials

主要参数

Dynamic Friction - 滑动摩擦力（0-1）
Static Friction - 静态摩擦力（0-1）
Bounciness - 反弹系数（0-1，1无能量损耗）

5.1.4 恒定力(ConstantForce)

恒定力：为刚体添加恒力，适用于火箭发射等持续加速对象

添加方式

菜单命令：Component → Physics → Constant Force

主要属性

属性	说明
Force	沿世界坐标系某轴施加恒力
Relative Force	沿对象自身轴向施加力
Torque	沿世界坐标系某轴施加扭力
Relative Torque	沿对象自身轴向施加扭力（自旋）

5.1.5 关节(Joint)组件

关节：模拟物体间的连接关系，必须依赖于刚体

关节类型

类型	用途
Hinge Joint	铰链关节 - 门、钟摆、链条
Fixed Joint	固定关节 - 连接两个对象一起运动
Spring Joint	弹簧关节 - 弹簧连接效果
Character Joint	角色关节 - 布娃娃效果
Configurable Joint	可配置关节 - 自定义关节行为

通用属性

Connected Body - 连接刚体
Break Force - 断开力
Break Torque - 断开转矩

5.2 射线(Raycast)

射线：从一点向一个方向发射的无终点的线，用于检测物体

射线检测方法

            Physics.Raycast(origin, direction, out hitInfo, maxDistance);

            // origin - 射线起点

            // direction - 射线方向

            // hitInfo - 返回检测到的物体信息

            // maxDistance - 最大检测距离

常用应用场景

物体拾取 - 鼠标点击选中物体
射击检测 - 子弹是否击中目标
导航点击 - 点击地面移动角色

5.2 射线应用示例

示例1：鼠标点击拾取物体

            void Update() {

                if (Input.GetMouseButtonDown(0)) {

                    Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);

                    RaycastHit hit;

                    if (Physics.Raycast(ray, out hit)) {

                        Debug.Log("点击了: " + hit.transform.name);

                    }

                }

            }

示例2：角色点击移动

            Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);

            if (Physics.Raycast(ray, out hit)) {

                agent.SetDestination(hit.point); //设置寻路目标

            }

本章小结

重点掌握

刚体(Rigidbody)属性与使用
角色控制器特点
碰撞器类型与碰撞条件
触发器与碰撞器的区别
射线检测原理与应用

了解拓展

物理材质参数
恒定力组件
关节类型与应用
碰撞检测优化

思考题：物体发生碰撞的必要条件是什么？

答案：①两个物体都必须带有碰撞器 ②至少一个物体带有Rigidbody ③两个物体发生相对位移