[游戏开发]（七）flax Engine游戏引擎物理引擎——样条线

2021SC@SDUSC

之前六次博客我们分析了flaxEngine游戏引擎中actor中的刚体（RigidBody）和载具（WheelVehicles），本次我们将针对flax Engine中actor的另一个SplineRopeBody（用样条线表示的绳索、链条和缆绳的物理模拟）进行源码的分析。

按照管理来本次我们将针对flaxengine游戏引擎中物理引擎的SplineRopeBody.h文件但由于SplineRopeBody内容相对较少所以本次我将针对SplineRopeBody.h文件和SplineRopeBody.c文件一起进行源代码的分析。

一：SplineRopeBody.h文件

API_CLASS() class FLAXENGINE_API SplineRopeBody : public Actor
{
API_AUTO_SERIALIZATION();
DECLARE_SCENE_OBJECT(SplineRopeBody);
private:

    struct Mass
    {
        Vector3 Position;
        float SegmentLength;
        Vector3 PrevPosition;
        bool Unconstrained;
    };

    Spline* _spline = nullptr;
    float _time = 0.0f;
    Array<Mass> _masses;

?首先是SplineRopeBody的构造函数继承自Actor。定义了struct结构体mass保存有关SplineRopeBody大小的相关数据结构和变量。

public:

 API_FIELD(Attributes="EditorOrder(0), DefaultValue(null), EditorDisplay(\"Rope\")")
    ScriptingObjectReference<Actor> AttachEnd;

上述函数的功能是目标actor把绳子的一端系在绳子上。如果未设置，绳端将自由运行。

 API_FIELD(Attributes="EditorOrder(10), EditorDisplay(\"Rope\")")
    float GravityScale = 1.0f;

上述函数是应用于绳索的世界重力比例尺。可用于调整重力或禁用重力。

 API_FIELD(Attributes="EditorOrder(20), EditorDisplay(\"Rope\")")
    Vector3 AdditionalForce = Vector3::Zero;

上述函数是施加在绳索（世界空间）上的附加外力。这可能是风力。

 API_FIELD(Attributes="EditorOrder(30), EditorDisplay(\"Rope\")")
    bool EnableStiffness = false;

上述是代码是选择框，如果选中，物理解算器将对绳索使用刚度约束。它将不太可能弯曲，并将保持更多的形状。

   API_FIELD(Attributes="EditorOrder(40), Limit(0, 0.1f, 0.0001f), EditorDisplay(\"Rope\")")
    float SubstepTime = 0.02f;

上述是绳索模拟更新子步骤（以秒为单位）。定义物理更新的频率。

private:

    void Tick();

public:

    // [Actor]
    void OnEnable() override;
    void OnDisable() override;
    void OnTransformChanged() override;
    void OnParentChanged() override;

上述代码 tick函数在SplineRopeBody.c文件中将进行详细的讲解。

下面的定义了几个成员方法，需要在c文件或子类中重写的方法。

二：SplineRopeBody.c文件：

SplineRopeBody::SplineRopeBody(const SpawnParams& params)
    : Actor(params)
{
}

首先是SplineRopeBody的构造函数构造一个含有相关物理参数的actor，有关物理参数的内容可以在我最早的有关刚体的文章中找到。

void SplineRopeBody::Tick()
{

Tick函数的具体实现。

 if (!_spline || _spline->GetSplinePointsCount() < 2)
        return;
    PROFILE_CPU();

首先判断绳子是否存在，如果不存在或者绳子数量小于2个则直接返回。

   const Vector3 gravity = Physics::GetGravity() * GravityScale;
    auto& keyframes = _spline->Curve.GetKeyframes();
    const Transform splineTransform = _spline->GetTransform();
    const int32 keyframesCount = keyframes.Count();
    const float substepTime = SubstepTime;
    const float substepTimeSqr = substepTime * substepTime;
    bool splineDirty = false;

缓存数据：gravity：重力? keyframe：关键帧 substep time子步骤时间

 if (_masses.Count() > keyframesCount)
        _masses.Resize(keyframesCount);
    else
    {
        _masses.EnsureCapacity(keyframesCount);
        while (_masses.Count() < keyframesCount)
        {
            const int32 i = _masses.Count();
            auto& mass = _masses.AddOne();
            mass.PrevPosition = splineTransform.LocalToWorld(keyframes[i].Value.Translation);
            if (i != 0)
                mass.SegmentLength = Vector3::Distance(mass.PrevPosition, _masses[i - 1].PrevPosition);
            else
                mass.SegmentLength = 0.0f;
        }
    }

上述代码是将样条线关键帧与模拟质量同步

auto& mass = _masses.First();
        mass.Position = mass.PrevPosition = GetPosition();
        mass.Unconstrained = false;
        if (splineTransform.LocalToWorld(keyframes.First().Value.Translation) != mass.Position)
            splineDirty = true;

上述代码是绳子头的位置（初始化的位置）

auto& mass = _masses.Last();
        mass.Position = mass.PrevPosition = AttachEnd->GetPosition();
        mass.Unconstrained = false;
        if (splineTransform.LocalToWorld(keyframes.Last().Value.Translation) != mass.Position)
            splineDirty = true;

上述代码是绳子尾的位置

 for (int32 i = 1; i < keyframesCount; i++)
        {
            auto& massA = _masses[i - 1];
            auto& massB = _masses[i];
            Vector3 offset = massB.Position - massA.Position;
            const float distance = offset.Length();
            const float scale = (distance - massB.SegmentLength) / Math::Max(distance, ZeroTolerance);
            if (massA.Unconstrained && massB.Unconstrained)
            {
                offset *= scale * 0.5f;
                massA.Position += offset;
                massB.Position -= offset;
            }
            else if (massA.Unconstrained)
            {
                massA.Position += scale * offset;
            }
            else if (massB.Unconstrained)
            {
                massB.Position -= scale * offset;
            }
        }

上述代码是距离的约束：其绳子最长连接距离和两个绳子的规模有关（mass）

 if (EnableStiffness)
        {
            for (int32 i = 2; i < keyframesCount; i++)
            {
                auto& massA = _masses[i - 2];
                auto& massB = _masses[i];
                Vector3 offset = massB.Position - massA.Position;
                const float distance = offset.Length();
                const float scale = (distance - massB.SegmentLength * 2.0f) / Math::Max(distance, ZeroTolerance);
                if (massA.Unconstrained && massB.Unconstrained)
                {
                    offset *= scale * 0.5f;
                    massA.Position += offset;
                    massB.Position -= offset;
                }
                else if (massA.Unconstrained)
                {
                    massA.Position += scale * offset;
                }
                else if (massB.Unconstrained)
                {
                    massB.Position -= scale * offset;
                }
            }
        }

上述代码是绳子连接的硬度。

if (splineDirty)
    {
        for (int32 i = 0; i < keyframesCount; i++)
            keyframes[i].Value.Translation = splineTransform.WorldToLocal(_masses[i].Position);

        _spline->UpdateSpline();
    }

在完成以上操作后更新样条线和相关组件。

void SplineRopeBody::OnEnable()
{
    GetScene()->Ticking.FixedUpdate.AddTick<SplineRopeBody, &SplineRopeBody::Tick>(this);

    Actor::OnEnable();
}

void SplineRopeBody::OnDisable()
{
    Actor::OnDisable();

    GetScene()->Ticking.FixedUpdate.RemoveTick(this);
}

void SplineRopeBody::OnParentChanged()
{
    Actor::OnParentChanged();

    _spline = Cast<Spline>(_parent);
}

void SplineRopeBody::OnTransformChanged()
{
    Actor::OnTransformChanged();

    _box = BoundingBox(_transform.Translation);
    _sphere = BoundingSphere(_transform.Translation, 0.0f);
}

上述四个方法就是头文件中的定义的四个方法。

统一绳子的规格和不可取的部分。