Unity物理系統由淺入深第一節：Unity 物理系統基礎與應用

Unity物理系統由淺入深第一節：Unity 物理系統基礎與應用
Unity物理系統由淺入深第二節：物理系統高級特性與優化
Unity物理系統由淺入深第三節：物理引擎底層原理剖析
Unity物理系統由淺入深第四節：物理約束求解與穩定性

Unity 引擎內置了一套強大且易用的物理系統，它基于 NVIDIA 的 PhysX 物理引擎。這個系統能讓你在游戲中模擬真實的物理效果，比如重力、碰撞、摩擦、彈跳等，極大地提升游戲的沉浸感和交互性。本篇教程將帶你了解 Unity 物理系統的核心組件和常用 API，讓你能夠快速地在項目中應用物理效果。

1. Rigidbody（剛體）組件：賦予物體物理屬性

在 Unity 中，任何想要受到物理系統影響的 GameObject 都必須附加一個 Rigidbody 組件。Rigidbody 賦予了 GameObject 質量、速度、角速度等物理屬性，并使其能夠響應重力、力、碰撞等物理事件。

核心屬性：

Mass (質量)：物體的質量，以千克（kg）為單位。質量越大，受到相同力的作用時加速度越小。
Drag (阻力)：線性阻力，模擬空氣阻力或液體阻力。值越大，物體運動減速越快。
Angular Drag (角阻力)：角阻力，模擬物體旋轉時的阻力。值越大，物體旋轉減速越快。
Use Gravity (使用重力)：勾選后，物體將受到 Unity 全局重力設置的影響（默認向下）。
Is Kinematic (是否運動學)：
- 如果勾選，Rigidbody 將不再受物理引擎控制，你需要通過代碼（Transform.position 或 Transform.rotation）手動控制它的位置和旋轉。運動學剛體通常用于門、電梯等受腳本控制的物體。
- 重要提示： 運動學剛體不會受到碰撞影響而移動或旋轉，但它仍然可以影響其他非運動學剛體，并且會觸發碰撞回調。
Collision Detection (碰撞檢測模式)：
- Discrete (離散)：默認模式，在每個物理步長（Fixed Update）只檢測一次碰撞。適用于大多數情況，性能開銷低，但高速移動的物體可能會“穿透”其他物體。
- Continuous (連續)：適用于高速移動的物體，會進行更頻繁的檢測以防止穿透。性能開銷比 Discrete 高。
- Continuous Dynamic (連續動態)：適用于高速移動且相互之間都需要進行連續碰撞檢測的 Rigidbody。性能開銷最高。
Constraints (約束)：可以凍結剛體的特定軸向上的位置或旋轉，例如，只允許物體在 X 軸上移動，或者不允許它旋轉。

常用操作：

Rigidbody.AddForce(Vector3 force, ForceMode mode = ForceMode.Force)：給剛體施加一個力。
- ForceMode.Force: 持續力，以物體的質量計算加速度。
- ForceMode.Impulse: 瞬間沖量，不考慮時間，直接改變物體的速度。常用于爆炸或打擊效果。
- ForceMode.VelocityChange: 瞬間速度變化，忽略質量。
- ForceMode.Acceleration: 持續加速度，忽略質量。
Rigidbody.AddTorque(Vector3 torque, ForceMode mode = ForceMode.Force)：給剛體施加一個扭矩，使其旋轉。
Rigidbody.velocity: 獲取或設置剛體的線性速度。
Rigidbody.angularVelocity: 獲取或設置剛體的角速度。

using UnityEngine;public class BallController : MonoBehaviour
{public float moveForce = 10f;public float jumpForce = 5f;private Rigidbody rb;void Start(){rb = GetComponent<Rigidbody>();}void FixedUpdate() // 物理計算應該在 FixedUpdate 中進行{// 施加持續力，模擬移動if (Input.GetKey(KeyCode.W)){rb.AddForce(Vector3.forward * moveForce, ForceMode.Force);}if (Input.GetKey(KeyCode.S)){rb.AddForce(Vector3.back * moveForce, ForceMode.Force);}// 施加瞬間沖量，模擬跳躍if (Input.GetKeyDown(KeyCode.Space)){rb.AddForce(Vector3.up * jumpForce, ForceMode.Impulse);}}
}

2. Collider（碰撞體）組件：定義物體的形狀

Collider 組件定義了 GameObject 在物理世界中的形狀，用于檢測與其他物體的碰撞。沒有 Collider 的 Rigidbody 無法與其他物體發生物理交互（除了重力）。

常見碰撞體類型：

Box Collider (盒碰撞體)：最常用的碰撞體，適用于立方體、矩形等規則形狀。性能開銷低。
Sphere Collider (球碰撞體)：適用于球體或近似球體的物體。性能開銷低。
Capsule Collider (膠囊碰撞體)：適用于人物角色、圓柱體等。性能開銷低。
Mesh Collider (網格碰撞體)：
- 使用物體的網格數據作為碰撞形狀。
- 優點： 可以完美匹配復雜模型的形狀。
- 缺點： 性能開銷高，特別是對于高多邊形模型。
- Convex (凸包) 選項：勾選后，Mesh Collider 將創建一個凸包形狀作為碰撞體。凸包的性能遠高于非凸包，并且可以與其他 Mesh Collider 發生碰撞。非凸包 Mesh Collider 只能與 Box、Sphere、Capsule 等原始碰撞體碰撞，不能與其他非凸包 Mesh Collider 碰撞。
- 通常不建議用于移動的 Rigidbody，除非設置為 Convex。
Terrain Collider (地形碰撞體)：專門用于 Unity 地形系統，自動與地形的形狀匹配。

核心屬性：

Is Trigger (是否觸發器)：
- 如果勾選，這個 Collider 將不會產生物理碰撞響應（如反彈、滑動），而是僅僅檢測到與其他 Collider 的重疊。
- 觸發器常用于檢測區域進入/離開，例如，當玩家進入一個區域時觸發劇情或打開門。
- 兩個觸發器之間不會產生碰撞回調，除非其中一個至少帶有 Rigidbody。
- 一個觸發器和一個非觸發器 Collider 之間的交互會觸發回調。
Material (物理材質)：關聯一個 Physic Material（詳見下一節）。

最佳實踐： 盡量使用簡單的原始碰撞體（Box、Sphere、Capsule）組合來近似復雜模型的形狀，而不是直接使用 Mesh Collider，以獲得更好的性能。

3. Physic Material（物理材質）：定義交互特性

Physic Material 是一種資源（Asset），用于定義碰撞體之間的摩擦力和彈性（彈跳）。你可以創建不同的物理材質并將其分配給 Collider 組件。

核心屬性：

Dynamic Friction (動態摩擦)：當物體相對運動時產生的摩擦力。
Static Friction (靜態摩擦)：當物體靜止時抵抗初始運動的摩擦力。通常應該略高于 Dynamic Friction。
Bounciness (彈跳)：物體的彈性，0 表示完全不彈跳，1 表示完全彈性碰撞。
Friction Combine (摩擦組合模式)：
- Average (平均)：取兩個碰撞體物理材質的摩擦力平均值。
- Minimum (最小)：取兩個碰撞體物理材質摩擦力的最小值。
- Maximum (最大)：取兩個碰撞體物理材質摩擦力的最大值。
- Multiply (相乘)：取兩個碰撞體物理材質摩擦力的乘積。
Bounce Combine (彈跳組合模式)：同 Friction Combine，但作用于彈跳。

創建和使用：
在 Project 窗口右鍵 -> Create -> Physic Material，然后調整其屬性，并將其拖拽到 Collider 組件的 “Material” 字段上。

4. 觸發器與碰撞回調：響應物理事件

當 Rigidbody 與 Collider 發生交互時，Unity 會調用特定的回調函數。理解這些回調函數是實現游戲邏輯的關鍵。

碰撞回調 (Collision Callbacks)：

適用于兩個非觸發器 Collider（至少一個帶 Rigidbody）之間的物理碰撞。

OnCollisionEnter(Collision collision)：當物體開始與其他物體碰撞時調用一次。
- collision 參數包含了碰撞的詳細信息，如碰撞點 (collision.contacts)、碰撞法線 (collision.contacts[0].normal)、對方的 GameObject (collision.gameObject) 和 Rigidbody (collision.rigidbody) 等。
OnCollisionStay(Collision collision)：當物體持續與其他物體碰撞時，每物理幀調用一次。
OnCollisionExit(Collision collision)：當物體停止與其他物體碰撞時調用一次。

觸發器回調 (Trigger Callbacks)：

適用于至少有一個 Collider 設置為 Is Trigger 的情況下，檢測到物體進入/離開/停留在區域內。

OnTriggerEnter(Collider other)：當物體開始進入觸發器區域時調用一次。
- other 參數是進入或離開觸發器區域的 Collider。
OnTriggerStay(Collider other)：當物體持續停留在觸發器區域內時，每物理幀調用一次。
OnTriggerExit(Collider other)：當物體離開觸發器區域時調用一次。

重要規則：

只有當一個 Collider 附加了 Rigidbody，或者它是一個 Kinematic Rigidbody 上的 Collider 時，它才能接收到碰撞/觸發器回調。
注意： 如果是靜態（不帶 Rigidbody）的 Collider 之間發生碰撞，雖然物理系統會處理它們之間的交互，但不會調用任何回調函數。

using UnityEngine;public class CollisionDetector : MonoBehaviour
{// 當發生碰撞時void OnCollisionEnter(Collision collision){Debug.Log("OnCollisionEnter: " + gameObject.name + " 撞到了 " + collision.gameObject.name);// 可以在這里獲取碰撞點、法線等信息foreach (ContactPoint contact in collision.contacts){Debug.Log("碰撞點: " + contact.point + ", 法線: " + contact.normal);}}// 當進入觸發器區域時void OnTriggerEnter(Collider other){Debug.Log("OnTriggerEnter: " + gameObject.name + " 進入了觸發器區域 " + other.gameObject.name);if (other.CompareTag("Collectible")) // 假設我們有一個Tag為"Collectible"的物體{Debug.Log("拾取了物品！");Destroy(other.gameObject); // 銷毀被拾取的物品}}
}

5. 射線檢測（Raycast）與形狀檢測：非碰撞交互

除了碰撞體之間的物理交互，Unity 也提供了用于檢測特定方向或形狀是否存在物體的 API，這在很多游戲邏輯中非常有用，例如射擊游戲中的子彈檢測、角色控制器中的地面檢測等。

射線檢測 (Raycast)：

從一個點發射一條射線，檢測是否擊中物體。

Physics.Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance)：
- origin: 射線的起點。
- direction: 射線的方向。
- hitInfo: 一個 RaycastHit 結構體，用于存儲擊中物體的信息（如擊中點、法線、被擊中的 Collider 和 GameObject 等）。
- maxDistance: 射線的最大檢測距離。
還可以指定 LayerMask 來過濾檢測的層級。

using UnityEngine;public class RaycastExample : MonoBehaviour
{public LayerMask hitLayer; // 設置一個層級，只檢測這個層級的物體void Update(){// 從攝像機向鼠標點擊位置發射射線if (Input.GetMouseButtonDown(0)){Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);RaycastHit hit;if (Physics.Raycast(ray, out hit, 100f, hitLayer)) // 檢測最遠100米，只檢測hitLayer層的物體{Debug.Log("射線擊中了: " + hit.collider.gameObject.name + " 在位置: " + hit.point);// 可以在這里對被擊中的物體進行操作hit.collider.gameObject.GetComponent<Renderer>().material.color = Color.red;}else{Debug.Log("射線未擊中任何物體。");}}}
}

形狀檢測 (Shape Cast)：

除了射線，你還可以發射一個球體、膠囊體或盒子來檢測是否與場景中的 Collider 發生重疊或碰撞。這比 Raycast 更適合檢測更大范圍的障礙物。

Physics.SphereCast(Vector3 origin, float radius, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance, LayerMask layerMask)：發射一個球體。
Physics.BoxCast(Vector3 center, Vector3 halfExtents, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, Quaternion orientation, float maxDistance, LayerMask layerMask)：發射一個盒子。
Physics.CapsuleCast(...)：發射一個膠囊體。

這些方法與 Raycast 類似，只是將線替換成了對應的形狀，用于更精確或范圍更大的檢測。