- 精通Cocos2d-x游戲開發（進階卷）
- 王永寶
- 4994字
- 2020-11-28 22:37:07
9.5 關節Joint
關節，或者叫連接器，是用來連接兩個剛體的對象，關節是一個很形象的比喻，就像人們身上的關節，如膝關節。在我們身邊還有很多這樣的例子，如可以推開的門、眼鏡的鏡架、汽車的輪子，這些把兩個物體連接在一起，又在一定范圍內可以移動或者旋轉的對象，都可以稱之為關節，關節是一種約束對象，對連接的兩個物體進行約束。Box2d提供了下面10種關節。
enum b2JointType
{
e_unknownJoint,
e_revoluteJoint, //旋轉關節
e_prismaticJoint, //平移關節
e_distanceJoint, //距離關節
e_pulleyJoint, //滑輪關節
e_mouseJoint, //鼠標關節
e_gearJoint, //齒輪關節
e_wheelJoint, //滾輪關節
e_weldJoint, //焊接關節
e_frictionJoint, //摩擦關節
e_ropeJoint //繩索關節
};
9.5.1 使用關節
在詳細介紹每個關節之前，先來看一下在代碼中如何使用關節。創建一個關節的步驟和創建剛體十分相似，都是先填充一個關節定義結構，然后放到World中，由World來創建這個關節，每個關節都必須包含兩個剛體。
對于不同的關節，需要在userData中設置關節所需的信息，World的CreateJoint返回一個b2Joint指針，但b2Joint只是一個抽象類，World返回的b2Joint實際是一個b2DistanceJoint或b2RevoluteJoint之類的對象。
struct b2JointDef
{
b2JointDef()
{
type = e_unknownJoint;
userData = NULL;
bodyA = NULL;
bodyB = NULL;
collideConnected = false;
}
///關節的類型
b2JointType type;
///特殊數據
void* userData;
///第一個剛體
b2Body* bodyA;
///第二個剛體
b2Body* bodyB;
///兩個剛體是否會發生碰撞
bool collideConnected;
};
除了上面的設置，關節還有3個通用的概念。
? 錨點：與Cocos2d-x的錨點概念很相似，是運用于旋轉移動計算的一個點，如圖9-7所示。
圖9-7 錨點
? 限制：每個關節都有其限制條件，如旋轉角度、移動距離等（車輪和輪桿可以進行360°的旋轉，卻不能移動，人的大腿和小腿大約只能允許180°以內的旋轉，非正常情況不算在內）。
? 馬達：用來描述關節運動，并在物理模擬中制造關節的運動，可以是旋轉或者移動。
得到一個b2Joint對象之后，可以做哪些操作呢？可以獲取關節的信息，可以控制整個關節，如重新描述它的馬達，更新限制等。
9.5.2 旋轉關節RevoluteJoint
圖9-8 旋轉關節
如圖9-8所示，旋轉關節就像是一個點，把兩個剛體聯系起來，并且限制它們只能繞著這個點旋轉。這個點也可以是在剛體形狀以外的一個點。例如，電風扇的葉子都可以圍繞著中心的公共點旋轉。
使用旋轉關節的步驟如下，首先填充一個b2RevoluteJointDef結構體，然后調用World的CreateJoint()函數即可，我們來看一下b2RevoluteJointDef結構體。
struct b2RevoluteJointDef : public b2JointDef
{
///使用一個世界坐標作為兩個剛體的連接點，來初始化關節
void Initialize(b2Body* bodyA, b2Body* bodyB, const b2Vec2& anchor);
///A對象的錨點，位于A對象的局部坐標系，是A的旋轉點
b2Vec2 localAnchorA;
///B對象的錨點，位于B對象的局部坐標系，是B的旋轉點
b2Vec2 localAnchorB;
///參照角度（一個旋轉90°的關節，參照角度為0時，返回的旋轉是90°，參照角度為
10°時，返回100°）一般在設置連接器限制時，這個參數會比較有用。b2RevoluteJoint
的GetJointAngle返回的是兩個連接器的相對角度
float32 referenceAngle;
///是否啟用限制
bool enableLimit;
///角度最低限制，逆時針方向
float32 lowerAngle;
///角度最高限制，逆時針方向
float32 upperAngle;
///是否啟用馬達
bool enableMotor;
///馬達的目標速度（受限于最大扭力）
float32 motorSpeed;
///馬達可以達到的最大扭力
float32 maxMotorTorque;
};
下面的代碼演示了如何創建一個旋轉關節。
//添加旋轉關節
b2RevoluteJointDef revdef;
revdef.Initialize(boxbd, circlebd, b2Vec2(0.0f, 10.0f));
//開啟馬達
revdef.enableMotor = true;
revdef.maxMotorTorque = 105;
revdef.motorSpeed = 30.14f;
m_world->CreateJoint(&revdef);
RevoluteJoint的Initialize()函數會使用兩個Body的錨點作為旋轉錨點，并且根據輸入的第3個參數，在世界坐標系中，根據當前兩個Body在世界坐標系的位置，作為兩個物體的公共頂點。如圖9-9和圖9-10演示了基于指定公共點的旋轉關節運動情況。
圖9-9 旋轉關節1
圖9-10 旋轉關節2
關于馬達和限制，在啟用馬達之后，第二個物體會圍繞公共點開始旋轉，馬達會達到motorSpeed的旋轉速度，這個旋轉的扭力矩不會高于maxMotorTorque。motorSpeed的單位是弧度，而maxMotorTorque的單位是N/m，一個力的單位。給馬達賦予一個正的速度，會讓其按照逆時針的方向旋轉，負的速度會讓其順時針旋轉。如圖9-11和圖9-12演示了馬達的開啟情況，在創建關節時，這里分別將四邊形和圓形作為第二個物體傳入。
圖9-11 四邊形馬達
圖9-12 圓形馬達
啟用限制可以限制旋轉的角度，可以限制一個超過360°的值，例如3600°，馬達在旋轉10圈之后，達到限制值會停下來，而手動讓其旋轉，也無法突破其限制值。
9.5.3 平移關節PrismaticJoint
平移關節可以將兩個物體之間的限制在一個特定的方向上平移，就像滑動門和垂直電梯，滑動面只可以向左右兩邊移動，而垂直電梯一般只能上下移動，平移關節阻止了物體的相對旋轉。
//添加平移關節
b2PrismaticJointDef pridef;
pridef.Initialize(boxbd, circlebd, b2Vec2(0.0f, 20.0f), b2Vec2(1.0f,
0.0f));
m_world->CreateJoint(&pridef);
b2PrismaticJointDef的Initialize()函數通過傳入兩個剛體，以及一個公共頂點，還有一個軸來初始化。公共頂點與旋轉關節的意義一樣，都是世界坐標系下的頂點。傳入的軸表示一個方向，用來限制兩個剛體的相對移動和旋轉，假設傳入的軸是(0, 0)，那么兩個剛體的相對移動不受限制，但兩個物體不會產生相對旋轉，它還會令馬達和限制失效。上面的代碼為圓和正方形創建了一個只能在x軸上移動的平移關節，運行效果如圖9-13和圖9-14所示，兩個節點只能沿著相對x軸進行移動。
圖9-13 平移關節1
圖9-14 平移關節2
9.5.4 距離關節DistanceJoint
距離關節將兩個物體之間的距離保持在一定范圍內的關節。例如，用彈簧拴住兩個物體，也可以像一根棍子一樣，讓兩個物體的距離固定不變，如圖9-15所示。
圖9-15 距離關節
//添加距離關節
b2DistanceJointDef disdef;
disdef.Initialize(boxbd, circlebd,
b2Vec2(2.0f, 10.0f), b2Vec2(-2.0f, 10.0f));
disdef.localAnchorA = b2Vec2(0.0f, 0.0f);
disdef.localAnchorB = b2Vec2(0.0f, 0.0f);
//震動頻率
disdef.frequencyHz = 2.0f;
//阻尼率
disdef.dampingRatio = 0.0f;
m_world->CreateJoint(&disdef);
通過設置frequency頻率和damping ratio可以獲得柔軟的效果，frequency表示震蕩的頻率，單位是Hz，相當于游戲刷新頻率的一半，阻尼率的取值一般在0～1之間，震蕩幅度從0～1由大變小，如圖9-16是使用柔軟的距離關節做出的網的效果，可以參考TestBed的Web示例。下面這個例子的frequency取值是2.0而damping ratio取值是0。
圖9-16 使用距離關節模擬網
9.5.5 滑輪關節PulleyJoint
滑輪關節可以用來創建一個滑輪的效果，滑輪的兩端連接著兩個繩子，繩子綁著兩個物體，當一個物體上升的時候，另一個物體就下降，如圖9-17和圖9-18可以很簡單清晰地描述出這個效果。
圖9-17 滑輪關節1
圖9-18 滑輪關節2
//添加滑輪關節
b2PulleyJointDef puldef;
puldef.Initialize(boxbd, circlebd,
b2Vec2(-2, 15), b2Vec2(2, 15), //A和B滑輪懸掛點的世界坐標
b2Vec2(-2, 10), b2Vec2(2, 10), //A和B滑輪掛載點的世界坐標
0.1f); //滑輪線的阻尼率
m_world->CreateJoint(&puldef);
9.5.6 鼠標關節MouseJoint
鼠標關節主要用于方便我們用鼠標來拖動物體，它會先確定物體上的一個點，對這個點施加力，使其向鼠標的位置移動。被拖曳的物體可以自由旋轉，可以為鼠標關節設置最大力矩來決定力的大小，設置頻率和阻尼率，來達到彈簧和減震器的效果。
要實現用鼠標關節來拖曳一個剛體的效果，首先需要先實現單擊到剛體的判斷，并不是添加了鼠標關節之后，這個剛體就可以被單擊了。
因為Box2d并不關注單擊事件的實現，點擊判斷這個功能需要開發者自己來實現，在Box2d里面實現這個功能很簡單，可以參考Box2d TestBed里面的Test.cpp文件，里面繼承了b2QueryCallback類，用于查詢在一個包圍盒中的剛體，實現了ReportFixture()方法，在ReportFixture()中，會傳入一個b2Fixture，如果判斷你的鼠標（或手指）在這個對象的范圍內，那么返回false，并保存選中的Fixture，這時候會終止查詢，否則返回true。
class QueryCallback : public b2QueryCallback
{
public:
QueryCallback(const b2Vec2& point)
{
m_point = point;
m_fixture = NULL;
}
bool ReportFixture(b2Fixture* fixture)
{
b2Body* body = fixture->GetBody();
if (body->GetType() == b2_dynamicBody)
{
bool inside = fixture->TestPoint(m_point);
if (inside)
{
m_fixture = fixture;
//We are done, terminate the query.
return false;
}
}
//Continue the query.
return true;
}
b2Vec2 m_point;
b2Fixture* m_fixture;
};
在鼠標按下的時候，需要查詢鼠標是否單擊到動態剛體，（這里的MouseDown應該由TouchBegin系列函數調用）這時候用到了World的QueryAABB()函數來進行檢測，首先在鼠標單擊的地方，構造一個非常小的碰撞盒，然后執行查詢，這時候位于這個碰撞盒之內的Fixture會被傳入到查詢對象中，在查詢對象中進行一次過濾，只查詢動態剛體，并且判斷點是否在Fixture之內，這屬于邊界情況的過濾，剛體位于這個極小的碰撞盒之內，但單擊的坐標點并沒有落在這個Fixture之內。通過這層層的過濾，在單擊到剛體之后，就可以開始創建鼠標關節了。
void Test::MouseDown(const b2Vec2& p)
{
m_mouseWorld = p;
if (m_mouseJoint ! = NULL)
{
return;
}
//Make a small box.
b2AABB aabb;
b2Vec2 d;
d.Set(0.001f, 0.001f);
aabb.lowerBound = p - d;
aabb.upperBound = p + d;
//Query the world for overlapping shapes.
QueryCallback callback(p);
m_world->QueryAABB(&callback, aabb);
if (callback.m_fixture)
{
b2Body* body = callback.m_fixture->GetBody();
b2MouseJointDef md;
md.bodyA = m_groundBody;
md.bodyB = body;
md.target = p;
md.maxForce = 1000.0f * body->GetMass();
m_mouseJoint = (b2MouseJoint*)m_world->CreateJoint(&md);
body->SetAwake(true);
}
}
要創建一個鼠標關節很簡單，將地面（或者其他靜態剛體）設置為BodyA，然后將要拖動的剛體設置為BodyB，并設置要移動到的目標點，以及最大力矩，上面代碼中是用1000乘以剛體的質量作為最大力矩，還需要將拖動的剛體的狀態設置為Awake。
9.5.7 齒輪關節GearJoint
齒輪關節用于模擬現實中的齒輪，可以用一堆形狀來描述一個齒輪，然后用旋轉關節讓這個齒輪旋轉，也可以起到這樣一個效果，但并不高效，并且在排列齒輪牙齒的時候需要小心翼翼。有了齒輪關節，就可以直接用一個齒輪關節來實現一個齒輪，如圖9-19所示。
圖9-19 齒輪關節
齒輪關節和其他關節不一樣的地方在于，它是一個依賴其他關節的關節。一般的關節只是依賴于關節連接著的兩個剛體。通過一個關節的運動，來驅動另外一個關節。如果在刪除齒輪關節之前，刪除了其他關節，那么程序將會崩潰。在釋放的時候，需要先釋放齒輪關節，然后再釋放掛載在齒輪關節上的其他關節。
下面的代碼將創建兩個齒輪關節，以及兩個旋轉關節和一個平移關節，通過齒輪關節的旋轉帶動其他關節。
//第一個小圓
b2CircleShape circle1;
circle1.m_radius = 1.0f;
//第二個大圓
b2CircleShape circle2;
circle2.m_radius = 2.0f;
//長方形
b2PolygonShape box;
box.SetAsBox(0.5f, 5.0f);
//小圓剛體
b2BodyDef bd1;
bd1.type = b2_dynamicBody;
bd1.position.Set(-3.0f, 12.0f);
b2Body* body1 = m_world->CreateBody(&bd1);
body1->CreateFixture(&circle1, 5.0f);
//小圓和靜態地面用旋轉關節連接，小圓只可以旋轉，不能移動
b2RevoluteJointDef jd1;
jd1.bodyA = ground;
jd1.bodyB = body1;
jd1.localAnchorA = ground->GetLocalPoint(bd1.position);
jd1.localAnchorB = body1->GetLocalPoint(bd1.position);
jd1.referenceAngle = body1->GetAngle() - ground->GetAngle();
m_joint1 = (b2RevoluteJoint*)m_world->CreateJoint(&jd1);
//大圓剛體
b2BodyDef bd2;
bd2.type = b2_dynamicBody;
bd2.position.Set(0.0f, 12.0f);
b2Body* body2 = m_world->CreateBody(&bd2);
body2->CreateFixture(&circle2, 5.0f);
//大圓和靜態地面用旋轉關節連接
b2RevoluteJointDef jd2;
jd2.Initialize(ground, body2, bd2.position);
m_joint2 = (b2RevoluteJoint*)m_world->CreateJoint(&jd2);
//長方形剛體
b2BodyDef bd3;
bd3.type = b2_dynamicBody;
bd3.position.Set(2.5f, 12.0f);
b2Body* body3 = m_world->CreateBody(&bd3);
body3->CreateFixture(&box, 5.0f);
//平移關節限制長方形剛體的移動
b2PrismaticJointDef jd3;
jd3.Initialize(ground, body3, bd3.position, b2Vec2(0.0f, 1.0f));
jd3.lowerTranslation = -5.0f;
jd3.upperTranslation = 5.0f;
jd3.enableLimit = true;
m_joint3 = (b2PrismaticJoint*)m_world->CreateJoint(&jd3);
//連接兩個圓形的齒輪關節
//當一個小圓轉動時，另一個小圓會跟著轉動
//小圓連接的關節旋轉一周，大圓連接的關節旋轉1/2周
b2GearJointDef jd4;
jd4.bodyA = body1;
jd4.bodyB = body2;
jd4.joint1 = m_joint1;
jd4.joint2 = m_joint2;
jd4.ratio = circle2.m_radius / circle1.m_radius;
m_joint4 = (b2GearJoint*)m_world->CreateJoint(&jd4);
//連接大圓和長方形的齒輪關節
//當大圓所在的旋轉關節轉動時，會驅動平移關節跟著移動
//平移關節發生移動時，也會驅動旋轉關節
b2GearJointDef jd5;
jd5.bodyA = body2;
jd5.bodyB = body3;
jd5.joint1 = m_joint2;
jd5.joint2 = m_joint3;
jd5.ratio = -1.0f / circle2.m_radius;
m_joint5 = (b2GearJoint*)m_world->CreateJoint(&jd5);
圖9-20 齒輪關節
上面的代碼運行結果如下，拖動任意一個剛體，會導致關節發生平移運動或者旋轉運動，這時運動將會通過齒輪關節，傳達到另外一個關節上，按照ratio參數的比例，來賦予另外一個關節運動的能量。在設置齒輪關節的時候，最好先在腦海中想清楚，齒輪動起來是怎樣的。齒輪關節的創建本身很簡單，上面如此冗長的代碼，主要是創建了其他的關節。運行效果如圖9-20所示。
9.5.8 滾輪關節WheelJoint
滾輪關節用于模擬汽車的輪子，滾輪關節連接汽車和汽車輪子，汽車輪子可以滾動，滾輪關節還提供了一個彈簧效果，當發生車震的時候，汽車會上下震動，讀者可以想像一下一輛越野車在顛簸的路上前進，輪子在轉動，輪子和車身的距離不斷地放大、縮小，如圖9-21所示。
圖9-21 滾輪關節
滾輪關節相當于一個旋轉關節和一個帶彈簧的距離關節組合而成，如圖9-22所示的車輪子，當車子被甩起來的時候，輪子會被帶出一些，而當車子被壓下去的時候，輪子也會跟著陷下去。
圖9-22 使用滾輪關節模擬車輪
b2WheelJointDef jd;
//滾輪關節兩個剛體可以移動的方向是y軸，也就是上下移動
b2Vec2 axis(0.0f, 1.0f);
//car表示車身，wheel1和wheel2分別表示車的前后輪子，這是一輛兩輪車
jd.Initialize(m_car, m_wheel1, m_wheel1->GetPosition(), axis);
//順時針方向旋轉
jd.motorSpeed = -10.0f;
//這個輪子的馬力更大一些
jd.maxMotorTorque = 20.0f;
jd.enableMotor = true;
jd.frequencyHz = 4.0f;
jd.dampingRatio = 0.7f;
m_spring1 = (b2WheelJoint*)m_world->CreateJoint(&jd);
//第二個輪子
jd.Initialize(m_car, m_wheel2, m_wheel2->GetPosition(), axis);
jd.motorSpeed = -10.0f;
jd.maxMotorTorque = 10.0f;
jd.enableMotor = false;
jd.frequencyHz = 4.0f;
jd.dampingRatio = 0.7f;
m_spring2 = (b2WheelJoint*)m_world->CreateJoint(&jd);
9.5.9 焊接關節WeldJoint
焊接關節嘗試限制兩個剛體之間所有的相對運動，但是焊接關節并不是很穩定，效果看起來有些柔軟，就像跳水運動員起跳時踩著的跳水板一樣。用焊接關節將一大堆動態剛體（小四邊形）依次連接起來，在受到力的作用下，搖搖晃晃，就是這種效果，如圖9-23所示。
圖9-23 焊接關節
上面是由若干小四邊形組成的一小塊板子，每兩個小四邊形都用Weld焊接關節連接起來，可以設置dampingRatio來設置它們之間連接在一起的彈性，使用方法非常簡單，設置好frequencyHz和dampingRatio，然后傳入兩個剛體，就可以直接創建焊接關節，Testbed的Cantilever很好地介紹了焊接關節的使用。
b2PolygonShape shape;
shape.SetAsBox(0.5f, 0.125f);
b2FixtureDef fd;
fd.shape = &shape;
fd.density = 20.0f;
//設置彈性
b2WeldJointDef jd;
jd.frequencyHz = 8.0f;
jd.dampingRatio = 0.7f;
//將所有物體連在一起
b2Body* prevBody = ground;
for (int32 i = 0; i < e_count; ++i)
{
b2BodyDef bd;
bd.type = b2_dynamicBody;
bd.position.Set(5.5f + 1.0f * i, 10.0f);
b2Body* body = m_world->CreateBody(&bd);
body->CreateFixture(&fd);
if (i > 0)
{
//創建關節
b2Vec2 anchor(5.0f + 1.0f * i, 10.0f);
jd.Initialize(prevBody, body, anchor);
m_world->CreateJoint(&jd);
}
prevBody = body;
}
9.5.10 摩擦關節FrictionJoint
摩擦關節會制造“從上到下”的摩擦，提供了2D的角摩擦和平移摩擦，單從這句話來看，確實相當費解。想像一下，你拉著一輛車努力地向前沖，會受到一整輛車的摩擦力的影響。想像一下，你在天空中飛速翱翔，速度越快，會感覺到越強大的空氣阻力，差不多就是這種感覺了，如圖9-24所示。
圖9-24 摩擦關節
使用了摩擦關節的小方塊們，在被撞擊到的時候，會緩緩移動，下面例子的重力加速度設置為0。
b2FrictionJointDef jd;
jd.localAnchorA.SetZero();
jd.localAnchorB.SetZero();
jd.bodyA = ground;
jd.bodyB = body;
jd.collideConnected = true;
jd.maxForce = mass * gravity;
jd.maxTorque = mass * radius * gravity;
m_world->CreateJoint(&jd);
通過設置maxForce來限制剛體移動的阻力，通過設置maxTorque來限制剛體旋轉時的阻力，具體可以參考Testbed的ApplyForce示例，Testbed是Box2d官方源碼的示例，相當于Box2d的cpp-tests（cpp-test是Cocos2d-x的示例集合，屬于Cocos2d-x的常識）。
9.5.11 繩索關節RopeJoint
繩索關節用來模擬繩子，繩子的兩端綁著兩個剛體，兩個剛體可以在繩子限定的范圍內自由地移動和旋轉，與現實世界使用的繩子沒什么兩樣，這是一根柔軟的，拉不斷的繩子，如圖9-25所示。
圖9-25 繩索關節
通過設置b2RopeJointDef的maxLength，可以限定繩子的長度，通過傳入兩個剛體，可以在這兩個剛體身上系一條繩子。
最后，在刪除的時候，必須先刪除關節，之后才可以刪除關節上的物體，否則程序會崩潰。