Unity物理系统由浅入深第一节：Unity 物理系统基础与应用

Unity物理系统由浅入深第一节：Unity 物理系统基础与应用
Unity物理系统由浅入深第二节：物理系统高级特性与优化
Unity物理系统由浅入深第三节：物理引擎底层原理剖析
Unity物理系统由浅入深第四节：物理约束求解与稳定性

Unity 引擎内置了一套强大且易用的物理系统，它基于 NVIDIA 的 PhysX 物理引擎。这个系统能让你在游戏中模拟真实的物理效果，比如重力、碰撞、摩擦、弹跳等，极大地提升游戏的沉浸感和交互性。本篇教程将带你了解 Unity 物理系统的核心组件和常用 API，让你能够快速地在项目中应用物理效果。

1. Rigidbody（刚体）组件：赋予物体物理属性

在 Unity 中，任何想要受到物理系统影响的 GameObject 都必须附加一个 Rigidbody 组件。Rigidbody 赋予了 GameObject 质量、速度、角速度等物理属性，并使其能够响应重力、力、碰撞等物理事件。

核心属性：

Mass (质量)：物体的质量，以千克（kg）为单位。质量越大，受到相同力的作用时加速度越小。
Drag (阻力)：线性阻力，模拟空气阻力或液体阻力。值越大，物体运动减速越快。
Angular Drag (角阻力)：角阻力，模拟物体旋转时的阻力。值越大，物体旋转减速越快。
Use Gravity (使用重力)：勾选后，物体将受到 Unity 全局重力设置的影响（默认向下）。
Is Kinematic (是否运动学)：
- 如果勾选，Rigidbody 将不再受物理引擎控制，你需要通过代码（Transform.position 或 Transform.rotation）手动控制它的位置和旋转。运动学刚体通常用于门、电梯等受脚本控制的物体。
- 重要提示： 运动学刚体不会受到碰撞影响而移动或旋转，但它仍然可以影响其他非运动学刚体，并且会触发碰撞回调。
Collision Detection (碰撞检测模式)：
- Discrete (离散)：默认模式，在每个物理步长（Fixed Update）只检测一次碰撞。适用于大多数情况，性能开销低，但高速移动的物体可能会“穿透”其他物体。
- Continuous (连续)：适用于高速移动的物体，会进行更频繁的检测以防止穿透。性能开销比 Discrete 高。
- Continuous Dynamic (连续动态)：适用于高速移动且相互之间都需要进行连续碰撞检测的 Rigidbody。性能开销最高。
Constraints (约束)：可以冻结刚体的特定轴向上的位置或旋转，例如，只允许物体在 X 轴上移动，或者不允许它旋转。

常用操作：

Rigidbody.AddForce(Vector3 force, ForceMode mode = ForceMode.Force)：给刚体施加一个力。
- ForceMode.Force: 持续力，以物体的质量计算加速度。
- ForceMode.Impulse: 瞬间冲量，不考虑时间，直接改变物体的速度。常用于爆炸或打击效果。
- ForceMode.VelocityChange: 瞬间速度变化，忽略质量。
- ForceMode.Acceleration: 持续加速度，忽略质量。
Rigidbody.AddTorque(Vector3 torque, ForceMode mode = ForceMode.Force)：给刚体施加一个扭矩，使其旋转。
Rigidbody.velocity: 获取或设置刚体的线性速度。
Rigidbody.angularVelocity: 获取或设置刚体的角速度。

using UnityEngine;public class BallController : MonoBehaviour
{public float moveForce = 10f;public float jumpForce = 5f;private Rigidbody rb;void Start(){rb = GetComponent<Rigidbody>();}void FixedUpdate() // 物理计算应该在 FixedUpdate 中进行{// 施加持续力，模拟移动if (Input.GetKey(KeyCode.W)){rb.AddForce(Vector3.forward * moveForce, ForceMode.Force);}if (Input.GetKey(KeyCode.S)){rb.AddForce(Vector3.back * moveForce, ForceMode.Force);}// 施加瞬间冲量，模拟跳跃if (Input.GetKeyDown(KeyCode.Space)){rb.AddForce(Vector3.up * jumpForce, ForceMode.Impulse);}}
}

2. Collider（碰撞体）组件：定义物体的形状

Collider 组件定义了 GameObject 在物理世界中的形状，用于检测与其他物体的碰撞。没有 Collider 的 Rigidbody 无法与其他物体发生物理交互（除了重力）。

常见碰撞体类型：

Box Collider (盒碰撞体)：最常用的碰撞体，适用于立方体、矩形等规则形状。性能开销低。
Sphere Collider (球碰撞体)：适用于球体或近似球体的物体。性能开销低。
Capsule Collider (胶囊碰撞体)：适用于人物角色、圆柱体等。性能开销低。
Mesh Collider (网格碰撞体)：
- 使用物体的网格数据作为碰撞形状。
- 优点： 可以完美匹配复杂模型的形状。
- 缺点： 性能开销高，特别是对于高多边形模型。
- Convex (凸包) 选项：勾选后，Mesh Collider 将创建一个凸包形状作为碰撞体。凸包的性能远高于非凸包，并且可以与其他 Mesh Collider 发生碰撞。非凸包 Mesh Collider 只能与 Box、Sphere、Capsule 等原始碰撞体碰撞，不能与其他非凸包 Mesh Collider 碰撞。
- 通常不建议用于移动的 Rigidbody，除非设置为 Convex。
Terrain Collider (地形碰撞体)：专门用于 Unity 地形系统，自动与地形的形状匹配。

核心属性：

Is Trigger (是否触发器)：
- 如果勾选，这个 Collider 将不会产生物理碰撞响应（如反弹、滑动），而是仅仅检测到与其他 Collider 的重叠。
- 触发器常用于检测区域进入/离开，例如，当玩家进入一个区域时触发剧情或打开门。
- 两个触发器之间不会产生碰撞回调，除非其中一个至少带有 Rigidbody。
- 一个触发器和一个非触发器 Collider 之间的交互会触发回调。
Material (物理材质)：关联一个 Physic Material（详见下一节）。

最佳实践： 尽量使用简单的原始碰撞体（Box、Sphere、Capsule）组合来近似复杂模型的形状，而不是直接使用 Mesh Collider，以获得更好的性能。

3. Physic Material（物理材质）：定义交互特性

Physic Material 是一种资源（Asset），用于定义碰撞体之间的摩擦力和弹性（弹跳）。你可以创建不同的物理材质并将其分配给 Collider 组件。

核心属性：

Dynamic Friction (动态摩擦)：当物体相对运动时产生的摩擦力。
Static Friction (静态摩擦)：当物体静止时抵抗初始运动的摩擦力。通常应该略高于 Dynamic Friction。
Bounciness (弹跳)：物体的弹性，0 表示完全不弹跳，1 表示完全弹性碰撞。
Friction Combine (摩擦组合模式)：
- Average (平均)：取两个碰撞体物理材质的摩擦力平均值。
- Minimum (最小)：取两个碰撞体物理材质摩擦力的最小值。
- Maximum (最大)：取两个碰撞体物理材质摩擦力的最大值。
- Multiply (相乘)：取两个碰撞体物理材质摩擦力的乘积。
Bounce Combine (弹跳组合模式)：同 Friction Combine，但作用于弹跳。

创建和使用：
在 Project 窗口右键 -> Create -> Physic Material，然后调整其属性，并将其拖拽到 Collider 组件的 “Material” 字段上。

4. 触发器与碰撞回调：响应物理事件

当 Rigidbody 与 Collider 发生交互时，Unity 会调用特定的回调函数。理解这些回调函数是实现游戏逻辑的关键。

碰撞回调 (Collision Callbacks)：

适用于两个非触发器 Collider（至少一个带 Rigidbody）之间的物理碰撞。

OnCollisionEnter(Collision collision)：当物体开始与其他物体碰撞时调用一次。
- collision 参数包含了碰撞的详细信息，如碰撞点 (collision.contacts)、碰撞法线 (collision.contacts[0].normal)、对方的 GameObject (collision.gameObject) 和 Rigidbody (collision.rigidbody) 等。
OnCollisionStay(Collision collision)：当物体持续与其他物体碰撞时，每物理帧调用一次。
OnCollisionExit(Collision collision)：当物体停止与其他物体碰撞时调用一次。

触发器回调 (Trigger Callbacks)：

适用于至少有一个 Collider 设置为 Is Trigger 的情况下，检测到物体进入/离开/停留在区域内。

OnTriggerEnter(Collider other)：当物体开始进入触发器区域时调用一次。
- other 参数是进入或离开触发器区域的 Collider。
OnTriggerStay(Collider other)：当物体持续停留在触发器区域内时，每物理帧调用一次。
OnTriggerExit(Collider other)：当物体离开触发器区域时调用一次。

重要规则：

只有当一个 Collider 附加了 Rigidbody，或者它是一个 Kinematic Rigidbody 上的 Collider 时，它才能接收到碰撞/触发器回调。
注意： 如果是静态（不带 Rigidbody）的 Collider 之间发生碰撞，虽然物理系统会处理它们之间的交互，但不会调用任何回调函数。

using UnityEngine;public class CollisionDetector : MonoBehaviour
{// 当发生碰撞时void OnCollisionEnter(Collision collision){Debug.Log("OnCollisionEnter: " + gameObject.name + " 撞到了 " + collision.gameObject.name);// 可以在这里获取碰撞点、法线等信息foreach (ContactPoint contact in collision.contacts){Debug.Log("碰撞点: " + contact.point + ", 法线: " + contact.normal);}}// 当进入触发器区域时void OnTriggerEnter(Collider other){Debug.Log("OnTriggerEnter: " + gameObject.name + " 进入了触发器区域 " + other.gameObject.name);if (other.CompareTag("Collectible")) // 假设我们有一个Tag为"Collectible"的物体{Debug.Log("拾取了物品！");Destroy(other.gameObject); // 销毁被拾取的物品}}
}

5. 射线检测（Raycast）与形状检测：非碰撞交互

除了碰撞体之间的物理交互，Unity 也提供了用于检测特定方向或形状是否存在物体的 API，这在很多游戏逻辑中非常有用，例如射击游戏中的子弹检测、角色控制器中的地面检测等。

射线检测 (Raycast)：

从一个点发射一条射线，检测是否击中物体。

Physics.Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance)：
- origin: 射线的起点。
- direction: 射线的方向。
- hitInfo: 一个 RaycastHit 结构体，用于存储击中物体的信息（如击中点、法线、被击中的 Collider 和 GameObject 等）。
- maxDistance: 射线的最大检测距离。
还可以指定 LayerMask 来过滤检测的层级。

using UnityEngine;public class RaycastExample : MonoBehaviour
{public LayerMask hitLayer; // 设置一个层级，只检测这个层级的物体void Update(){// 从摄像机向鼠标点击位置发射射线if (Input.GetMouseButtonDown(0)){Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);RaycastHit hit;if (Physics.Raycast(ray, out hit, 100f, hitLayer)) // 检测最远100米，只检测hitLayer层的物体{Debug.Log("射线击中了: " + hit.collider.gameObject.name + " 在位置: " + hit.point);// 可以在这里对被击中的物体进行操作hit.collider.gameObject.GetComponent<Renderer>().material.color = Color.red;}else{Debug.Log("射线未击中任何物体。");}}}
}

形状检测 (Shape Cast)：

除了射线，你还可以发射一个球体、胶囊体或盒子来检测是否与场景中的 Collider 发生重叠或碰撞。这比 Raycast 更适合检测更大范围的障碍物。

Physics.SphereCast(Vector3 origin, float radius, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance, LayerMask layerMask)：发射一个球体。
Physics.BoxCast(Vector3 center, Vector3 halfExtents, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, Quaternion orientation, float maxDistance, LayerMask layerMask)：发射一个盒子。
Physics.CapsuleCast(...)：发射一个胶囊体。

这些方法与 Raycast 类似，只是将线替换成了对应的形状，用于更精确或范围更大的检测。