碰撞器

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概述

刚体的主要作用是使物体能够受力并施力，但只有刚体组件的物体不能进行碰撞检测，我们需要额外为物体定义它的物理边界，才可以进行碰撞。碰撞器Collider组件就是划定物理边界的组件。一般情况下我们场景中会有三种物体。

• 一种是既没有刚体也没有碰撞器的物体，这种物体只负责模型显示，不进行物理碰撞或者物理操作，所以和物理系统没有关系。比如游戏场景中的云、太阳等。

• 第二种是既有刚体又有碰撞器的物体，这类物体我们需要通过物理系统移动它们，又需要进行碰撞检测。这类物体我们叫它动态碰撞器，比如游戏中的主角。

• 最后一种是只有碰撞器没有刚体的物体，这类物体我们需要进行碰撞检测，所以带有碰撞器，但它们不需要在场景中移动，所以没有刚体。这类物体我们叫它静态碰撞器，比如墙壁、树等。

两个物体，如果它们身上只有刚体组件，运动时是不会发生相互碰撞的，而是互相穿透对方。除非它们两个都具有碰撞器，碰撞检测才能正常发生。碰撞发生的必要条件就是：

两个物体中至少一个带有刚体，并且两个物体都应具有碰撞器。

没有碰撞器肯定不会发生碰撞。

图 3-1 碰撞发生条件

碰撞器不是一个组件，而是多个组件的统称，不同的碰撞器划定的物理边界形状不同。Unity 为我们提供了 3 个简单的基本碰撞器组件：盒型碰撞器Box Collider、球形碰撞器Sphere Collider和胶囊碰撞器Capsule Collider。

图 3-2 三种基本碰撞器

因为基本碰撞器的形状简单、面数少，在碰撞检测时速度更快，节省物理资源，所以平时尽可能地使用基本碰撞器。如果要进行碰撞检测的模型形状比较复杂，使用基本碰撞器无法很好地模拟物体形状时，有两种解决方法：可以使用多个基本碰撞器进行组合，近似地模拟物体形状，或者使用网格碰撞器Mesh Collider。

图 3-3 多个基本碰撞器进行组合

网格碰撞器能够精确地匹配游戏对象的网格形状。但因为它的面数多，所以尽可能不要使用它。

图 3-4 游戏模型和它的网格碰撞器

除此以外，还有三个特殊功能的碰撞器。车轮碰撞器Wheel Collider专门模拟汽车轮胎的物理行为，用来创建赛车竞速类游戏项目。地形碰撞器Terrain Collider用于 Unity 内置的地形系统进行碰撞检测（Terrain 地形系统可以快速创建场景地形，但真正项目中几乎不用），还有一个用于微软 HoloLens 混合现实开发的碰撞器，叫做空间映射碰撞器Spatial mapping Collider。不过这些碰撞器都不常用到，除非我们要做的项目是赛车类或者 HoloLens 开发也许会使用它们。

基本碰撞器

接下来我们要分别了解盒型碰撞器、球形碰撞器、胶囊碰撞器，它们都是组件，其实也是脚本，或者说是类。所有的碰撞器组件都有一个共同的父类Collider，在父类中定义了碰撞器共同的行为特征，而子类的主要功能只是根据各自的不同形状，定义物理边界的大小。我们可以先看看这些不同碰撞器中的相同属性，他们都是在父类中定义的。

图 3-5 基本碰撞器组件

在盒型碰撞器、球形碰撞器和胶囊碰撞器组件中，都有触发器Is Trigger属性和物理材质Material属性，这两个属性都是在它们共同的父类 Collider 中定义的。触发器属性勾选后，碰撞器会成为一个可穿过的特殊区域，叫做触发器，当有刚体穿过该区域时脚本中会收到事件，用来实现一些特殊效果，比如人物进入某个区域范围时会触发剧情。物理材质属性可以定义碰撞器的弹力、摩擦力等物理细节，能够制作出乒乓球（弹力大）、冰面（光滑，摩擦力小）等特殊的物理效果。

在父类中还提供了一个属性attachedRigidbody，表示碰撞器所附属的刚体，在属性面板中看不到这个属性，在脚本中可以使用。

附属的刚体Rigidbody attachedRigidbody { get; }

这是一个 Rigidbody 类型的属性，只有 Get 方法，会返回当前 Collider 游戏对象上的刚体，如果 Collider 游戏对象上没有刚体，会继续往父对象身上查找刚体，如果最终都没有刚体，会返回 null。

在碰撞器属性面板中其余的属性，比如中心点、大小、半径、高度等，都是用来调整它们各自的形状大小和位置的。

图 3-6 基本碰撞器形状大小和位置属性

在盒型碰撞器中有中心点Center和大小Size两个属性，分别表示盒型碰撞器的几何中心的位置以及长宽高的大小。在球形碰撞器中有中心点和半径Radius两个属性，分别表示球形碰撞器的几何中心位置以及球体半径的大小。要注意的是，球形碰撞器永远是一个球形，就算修改缩放（Scale）属性也不可能把它变成一个椭圆形。

图 3-7 球形碰撞器修改缩放

属性面板上这些属性同样可以在脚本中进行获取或修改，比如盒型碰撞器的中心和大小。

球形碰撞器的中心点和半径。

胶囊碰撞器的形状比较特别，看起来就像是一个胶囊。它的两端各是一个半球体，中间是一个圆柱体。

图 3-8 胶囊体

胶囊碰撞器中也有中心点和半径这两个属性，除此以外还有高度Height属性，表示从胶囊的一端到另一端的距离，以及一个方向Direction属性，表示胶囊体是沿 XYZ 的哪个轴放置的，它有三个值：X-Axis、Y-Axis 和 Z-Axis。

胶囊碰撞器的方向Direction属性比较特殊，它不是一个枚举类型，而是一个 int 类型的属性。值只能是 0、1 或者 2，分别表示胶囊体的方向是在 X、Y、Z 轴方向上。

图 3-9 胶囊碰撞器方向

网格碰撞器

网格碰撞器不属于基本碰撞器，因为它的形状是由我们提供的网格决定的。给网格碰撞器设置了网格Mesh属性后，碰撞器的物理边界形状就会和网格形状一致。我们可以给场景中的静态物体做一个近似的网格，然后使用网格碰撞器进行碰撞检测。

图 3-10 网格碰撞器组件

在网格碰撞器中，也有触发器和物理材质这两个属性。不同的是，网格碰撞器的形状大小和位置不可以手动调整，而是要一个网格资源的引用。

图 3-11 网格碰撞器场景效果

比如场景中有一叠轮胎，角色移动时不可以穿透轮胎，会被碰撞，我们可以在建模软件中单独做一个用于碰撞检测的网格，配合网格碰撞器实现碰撞检测。一般只有场景中完全不动的物体我们才使用网格碰撞器。也就是说：

网格碰撞器一般不会和刚体一同使用，它只会静止在场景中，等待其它刚体和它发生碰撞。

网格碰撞器的网格Mesh属性也可以在脚本中获取或修改。而且用于网格碰撞器的网格，最好是经过简化的特制碰撞网格，不要直接使用模型网格，因为模型网格面数过多，会极大地影响性能。

网格碰撞器中使用的网格引用是普通的网格文件，但必须转换成适合物理引擎的网格，这个过程叫做Mesh Cooking，由系统自动完成。在网格碰撞器中有一个 Cooking Options 属性，可以在转换网格时启用一些功能选项。所有的网格在使用前都要经过这个处理过程。一共有四个可选项。

图 3-12 网格碰撞器 Cooking Options 属性

• Inflate Mesh 选项，默认不启用。启用后会增加输入的网格体积，用来生成有效的凸面网格（勾选了 Convex 属性的网格碰撞器）。因为物理引擎对于凸面网格的面数和顶点数有一定限制，如果网格面数大于 255 并且碰撞有问题，可以尝试开启此选项，但此时可能会降低网格的精度。
• Cook For Faster Simulation 选项，默认启用。启用后会执行一些额外操作，确保最终生成的网格在运行时效率是最高的。
• Enable Mesh Clean 选项，默认启用。启用后会清除多余或无效的三角形面，使碰撞更准确。
• Weld Colocated Vertices 选项，默认启用。启用后会合并相同位置的顶点。

在这个属性中还有一个 None 和 Everything 两个选项，分别表示全不选和全选。另外，如果网格碰撞器中使用的网格仅用于物理系统，不用于模型显示的话，可以在模型的导入设置中不导入法线，因为物理系统的网格不需要法线。

图 3-13 法线导入设置

碰撞和碰撞检测

有了刚体和碰撞器，就可以发生碰撞，并且当碰撞发生时，可以在脚本中处理碰撞事件。两个物体能够发生碰撞而不是互相穿透对方，必要条件是至少有一个是刚体，并且两个物体都有碰撞器。设置好属性后，碰撞是自动发生的。

只要游戏对象身上带有刚体或者碰撞器组件，就可以挂载脚本响应碰撞事件。碰撞事件一共有三个，分别表示碰撞开始OnCollisionEnter、持续碰撞OnCollisionStay和碰撞结束OnCollisionExit。

有了这三个事件，我们可以当碰撞持续时在发生碰撞的位置添加一些粒子特效、在碰撞开始时播放一些音效，或者在碰撞结束时销毁某个游戏对象，具体如何使用由我们的功能要求决定。

这三个事件方法都没有返回值，同时都有一个 Collision 类型的参数 other。这个参数中保存了碰撞相关的一些信息。

最常用的就是通过 Collision 类型的参数 other，获取与当前游戏对象发生碰撞的游戏对象、刚体、碰撞器或者 Transform。

我们还能获取两个碰撞对象的相对速度以及冲量。

也可以获取碰撞发生时碰撞点的信息，因为碰撞点有可能不止一个，所以这些点存放在数组中。每个碰撞点我们都能够获取它的世界坐标位置和法线向量。

大部分碰撞都可以正常处理，但也会有一些特殊情况，导致无法正常发生碰撞。最常见的碰撞无效就是因刚体速度过快而穿透碰撞器。因为物理系统对碰撞检测也是每帧检测一次，计算刚体位置更新后是否会和其它碰撞器有接触，这种检测叫做离散碰撞检测。

但如果刚体运动速度过快，有可能发生上一帧还在碰撞器的一侧，但下一帧就运动到了另一侧的情况，此时因为刚体并未接触到障碍物的碰撞器，所以检测不出碰撞的发生，会直接穿透障碍物。

图 3-14 快速运动的刚体穿透障碍物

此时我们可以调整刚体组件上的碰撞检测 Collision Detection 属性，使碰撞能够正常发生。此属性默认是 Discrete 离散检测。

• Discrete 离散检测：对场景中的其它碰撞体使用离散碰撞检测。一般情况下我们不需要修改此属性。物理系统默认的碰撞检测是离散的，所以有时高速移动的刚体会穿透障碍物，此时我们才需要使用另外两种碰撞检测模式。
• Continuous 连续检测：刚体对其它没有刚体的碰撞器采用连续检测，防止刚体速度过快穿透障碍物。比如快速飞行的子弹碰撞静止的墙壁，此时如果采用 Dscrete 离散检测，子弹不会打在墙壁上反弹，而是会穿透墙壁。但该模式下并不能正确检测两颗高速飞行的子弹相互碰撞，因为它们两个都带有刚体，此时请使用第三种模式。要注意连续检测会影响物理性能，非必要情况请使用默认的 Discrete 离散碰撞检测。
• Continuous Dynamic 连续动态检测：会对其它刚体（碰撞检测模式不能是 Discrete 离散碰撞检测）进行连续检测，防止互相穿透。对没有刚体的碰撞器也会采用连续碰撞检测。

图 3-15 刚体的碰撞检测模式

简单来说，如果刚体运动速度很快导致碰撞没有正常发生，此时障碍物身上如果没有刚体，就使用连续检测，如果障碍物身上也有刚体，就把这两个刚体的碰撞检测模式都设置为连续动态检测。

对于网格碰撞器的碰撞来说，也有一种特殊情况。网格碰撞器一般不推荐移动它的位置，所以一般也不会和刚体一同使用。如果给网格碰撞器添加了刚体，必须勾选凸 Convex 属性。否则它不能和其它碰撞器发生碰撞。

图 3-16 网格碰撞器的凸属性

触发器

触发器是碰撞器的一种特殊状态，每个碰撞器组件中都有一个触发器 Is Trigger 属性，勾选之后这个碰撞器就成为一个触发器。正常的碰撞器发生碰撞时，会弹开对方，不会互相穿透，而触发器不会弹开对方。

触发器划定的物理边界是一个触发范围，其他刚体能够进入触发范围，当有其它刚体进入这个范围时，会在脚本中收到触发相关的事件，进行一些额外处理。比如，如果人物靠近自动门，门就会自己打开。此时可以在门前放一个触发器，当检测到人物进入这个触发范围时，使门播放动画和音效打开。

图 3-17 触发器属性

触发器本身不会阻挡刚体的运动，也不会表现出任何效果，所以使用触发器时需要在脚本中进行额外处理。响应触发事件的脚本可以挂载在刚体身上，也可以挂载在触发器身上。触发事件和碰撞事件很相似，也有三个：触发开始 OnTriggerEnter、持续触发 OnTriggerStay 和触发结束 OnTriggerExit。

这三个事件方法同样没有返回值，但都有一个 Collider 类型的参数 other。这个参数表示是哪个碰撞器进入了触发区域，我们可以用这个参数获取到进入出发区域的游戏对象或者刚体，再进一步处理。

物理材质

每一个碰撞器组件中都还有一个物理材质 Material 属性。物理材质是 Unity 内置的一种资源类型，所以需要在 Unity 的 Project 视图中创建一个物理材质。

在 Project 视图中空白区域单击鼠标右键 -> Create -> Physic Material 就可以创建出一个物理材质，他会直接显示在 Project 视图中。

图 3-18 物理材质

之后就能够用它给碰撞器组件中的物理材质（Material）属性赋值。物理材质可以让碰撞器模拟出弹力和摩擦力的效果，选中物理材质资源后，在属性面板中就能看到可以调整的属性信息。

图 3-19 物理材质属性

动摩擦力 Dynamic Friction 表示当其它碰撞器在自己表面滑动时受到的摩擦力大小。它是一个 Float 类型属性，取值范围 0-1。0 表示没有动摩擦力，可以模拟非常光滑的表面，比如冰面。1 表示动摩擦力非常大，用来模拟非常粗糙的表面，其它碰撞器在它表面滑动时很快就会减速静止。

静摩擦力 Static Friction 表示当其它碰撞器静止在自己表面，但有运动倾向时，受到的摩擦力大小。它也是个 Float 类型属性，取值范围 0-1。

弹力 Bounciness 表示当前碰撞器表面的弹性，Float 类型，取值范围 0-1。0 表示不会反弹，1 表示反弹时没有能量损失。

摩擦力组合 Friction Combine 和弹力组合 Bounce Combine。因为摩擦力和弹力效果都需要两个碰撞器相互作用，如果另一个碰撞器也设置了摩擦力和弹力，此时应如何计算最终的结果。有四种计算方式。

• 平均值 Average 会取这两个碰撞器摩擦力或弹力的平均值。
• 最小值 Minimum 会取这两个碰撞器摩擦力或弹力的最小值。
• 最大值 Maximum 会取这两个碰撞器摩擦力或弹力的最大值。
• 乘积 Multiply 会取这两个碰撞器摩擦力或弹力的乘积。

当然，这些属性也可以在脚本中获取或进行修改。

但物理系统的模拟并不能完全和现实中的物理效果一样，比如弹力为 1 的小球自由落体撞击弹力为 1 的地面，此时小球反弹也许会达到比初始位置更高的高度。所以我们在使用时要根据预期效果调整这些物理参数。

（The End）