Godot3游戏引擎入门之十二:Godot碰撞理论以及KinematicBody2D的两个方法

2018-12-30 by Liuqingwen | Tags: Godot | Hits

一、前言

这篇文章是为后续小游戏的开发做理论铺垫的。嗯,我们前面已经陆陆续续讨论了很多 Godot 中的一些基础元素、基本功能,最后也顺理成章地完成了两个小 Demo :

这两个游戏实际上并没有很大的区别,都是简单地进行上下左右移动并完成一些特定功能,所以我打算接下来做一个更常见,更流行的 2D 游戏: 2D Platformer Game ,即所谓的平台游戏!在开启这个游戏之前,我们先一起来讨论平台游戏中涉及到的最重要的一些游戏理论知识: 2D 碰撞检测理论

这些理论涉及到了我们之前讨论过的 Area2D 节点以及 KinematicBody2D/RigidBody2D/KinematicBody2D 节点,以及相关碰撞图层和碰撞图层掩码知识。另外,本文还会详细讲述 KinematicBody2D 在游戏中常用的两个重要方法: move_and_collide() 以及 move_and_slide() 的区别和联系。本文内容参考了 KidsCanCode 的一篇文章: Godot 3.0: Using KinematicBody2D ,然后结合我自己的一些探索实践完成。 smiley

Godot 3.0: Using KinematicBody2D

主要内容:碰撞理论以及正确使用 KinematicBody2D 节点
阅读时间: 15 分钟
永久链接: http://liuqingwen.me/blog/2018/12/30/introduction-of-godot-3-part-12-talk-about-collision-and-move-and-collide-vs-move-and-slide-in-kinematicbody2d/
系列主页: http://liuqingwen.me/blog/introduction-of-godot-series/

二、正文

本篇目标

  1. 四个节点回顾: KinematicBody2D/RigidBody2D/StaticBody2D/Area2D
  2. 碰撞图层和碰撞图层掩码: Collision Layers/Collision Masks
  3. 两个重要方法的区别和联系: move_and_collide/move_and_slide

三个物理节点

在 Godot 中有三个常用的 2D 节点,它们具有碰撞检测与反馈的功能,这三个节点的基础区别在我之前的文章中已经讨论过:Godot3游戏引擎入门之五:上下左右移动动画(下),搬用之前的表格,他们之间的关系和应用场景大致如下:

节点名 StaticBody2D RigidBody2D KinematicBody2D
节点名称 静态碰撞节点( 2D ) 刚体节点( 2D ) 运动学节点( 2D )
基本特性 自动碰撞检测,位置固定不变 自动碰撞检测,产生碰撞响应:有线速度、角速度等 参与碰撞检测,无自动响应,完全由代码控制移动
使用场景 一般用于固定的墙壁、地面等 一般用于受外界影响而产生运动的物体,比如球体、陨石等 主要用于由代码控制的带物理属性的玩家

我们在 Godot 编辑器中按 F4 查找 API ,可以看到这三个节点都是直接继承于 PhysicsBody2D 的,说明它们都是物理节点,而 PhysicsBody2D 又继承于 CollisionObject2D 具有碰撞检测功能。另外, CollisionObject2D 节点还有另外一个子类,这个子类也是我们之前提过并在游戏中应用过的 Area2D 节点。关于这四个节点的应用我举几个常见例子:

  • StaticBody2D 能应用于所有游戏,作为墙壁、地面、障碍物等固定物
  • RigidBody2D 比如像愤怒的小鸟、割绳子、太空飞船游戏的主角等
  • KinematicBody2D 几乎所有的前后左右移动、跳跃的平台游戏玩家或者敌人
  • Area2D 常见于游戏中的可收集元素或者标记,比如金币、楼梯、关口或者特殊区域等

这几个节点我们在前面的文章中都遇见过,也有不少例子,它们的使用方法大家应该都会了。这里,关于刚体 RigidBody2D 我暂时不会介绍很多,大家可以参考这篇文章: Godot 3.0: Rigid Bodies ,介绍的内容比较全面。

重要说明: Godot 3.1 版本中对于 StaticBody2D 以及 RigidBody2D 的摩擦力属性( friction )和弹性属性( bounce )的设置没有出现在属性面板中,而需要在新增的 Physic Material Override 属性下新建一个 PhysicMaterial 间接进行设置即可,实质上区别影响并不大。

碰撞形状和图层

所有的物理碰撞节点都需要至少一个碰撞形状才会有碰撞效果。这个碰撞形状你可以直接在属性面板中添加,也可以在编辑器中暂时“置空”,转而在代码中动态生成,这都是可以的。没有碰撞形状的碰撞节点不会参与游戏中的碰撞交互,碰撞形状主要分为: CollisionShape2DCollisionPolygon2D 两种,应用非常简单,在场景中表现为蓝色区域,游戏运行后并不会显示,可以在 Debug 调试中打开显示效果,在之前的文章中已经详细讨论过。

这里重点要提到的概念是碰撞图层以及碰撞图层掩码。在使用碰撞图层之前,你必须在 Godot 项目设置中对你所需要的图层进行添加并合理命名:

godot_12_projectsettings_of_layers.png

如果你熟悉 iOS 游戏开发框架 SpriteKit 的话,那么这两个概念对你来说很简单,这里我们先列举一下它们的定义:

  • Layer 即图层,在代码中为 collision_layer ,它表示物体所处的碰撞图层,一个物体一般处于一个图层中
  • Mask 即掩码,在代码中为 collision_mask ,它表示当前物体所关心的其他的碰撞图层,可包含多个图层

碰撞图层很好理解,类似 PhotoShop/GIMP/Krita 这些图片处理软件中的图层概念,用于把不同的内容分离开来,游戏中碰撞节点一般处于某一个特定的碰撞图层中。那么掩码又是啥意思呢?它实质代表的意义是这个物体需要与哪些图层进行碰撞检测,所以一个节点的掩码可以包含多个图层,如果对方所处的碰撞图层不在你的掩码范围内,那么就不会与之发生碰撞检测,有点拗口,举个例子你就能明白,给节点设置图层的方法以及各自所属的图层如下:

godot_12_set_layer_and_mask.png

游戏物体 碰撞图层 图层掩码
玩家 1 2, 3
敌人 2 1 (or 0)
金币 3 1 (or 0)

在这种场景设置下,很显然,玩家掩码为 2(enemy) 和 3(coin) ,那么玩家会检测与敌人或者金币之间的碰撞,敌人和金币的掩码设置都是 1(player) ,所以它们分别也会检测与玩家之间发生的碰撞,但是敌人与金币、敌人与敌人、金币与金币、玩家与玩家之间则都不会互相发生任何碰撞检测!

重点说明:图层和掩码都可以不勾选,也就是完全删除,如果这里敌人或者金币删除全部的掩码,即设置图层掩码为 0 ,那么是不是敌人就不能检测到与玩家之间的碰撞了呢?其实并不是!他们依然能互相检测到与对方的碰撞,这是因为玩家的掩码中包含了敌人,只要双方有一个设置了与对方可以发生碰撞检测的掩码,那么双方即可相互检测到与对方之间发生的碰撞!

既然如此,那么假设有这种需求:“游戏中的玩家只检测敌人或者金币,而金币或者敌人不需要去检测玩家”,那能否实现呢?其实在 PhysicsBody2D 的三个节点中还真没办法,但是这里我们可以不考虑使用 KinematicBody2D 等节点,转而使用 Area2D 节点就可以实现了,需要注意该节点的两个属性:

  • Monitoring 是否能主动检测其他碰撞体
  • Monitorable 是否能被其他碰撞体检测到

godot_12_monitoring_and_monitorable.png

Area2D 这两个属性一直是新手容易忽略的,弄清楚了这两个属性的概念,你就可以关闭敌人或者金币(使用 Area2D 节点)的 monitoring 属性,关闭后它们不会主动检测与其他碰撞节点的碰撞,同时,在我们的 Demo 中玩家还是可以检测到他们。另一方面,如果要让某个金币不被玩家检测到,就像海底捞月,看得见摸不着的效果,那么可以设置其 monitorable 为关闭即可!嗯,还是用实际 Demo 来体会一下效果吧:

godot_12_collision_response.gif

OK ,明白了图层和掩码对游戏的开发帮助非常大,你完全可以自己写一个 Demo 尝试一下,或者下载我的源码一探究竟吧,偷偷告诉你:这很重要!哈哈! sunglasses

两个重要的方法

接下来我们的重点是 KinematicBody2D 节点的两个常用方法,因为涉及到物理碰撞的大部分游戏中,玩家都是使用 KinematicBody2D 节点制作的,而它又有两个非常重要的碰撞处理方法,所以我们必须重点“针对”它们!

首先,在正常的游戏场景中,对于 KinematicBody2D 几何学碰撞体节点的移动实现,我们主要有以下三种方式:

  1. position 属性设置,即控制位置,完全手动检测碰撞
  2. move_and_collide() 方法调用,移动并自动检测碰撞
  3. move_and_slide() 方法调用,移动并自动检测碰撞,支持滑动

对于第一种方式,直接操作 position 位置属性,一般在有碰撞体的游戏中很少这么“武断”地使用,即使你的游戏是没有任何碰撞体,你这个时候你也没必要选择 KinematicBody2D 节点,直接使用 Area2D 节点就好。那么,接下来我们主要讨论另外两种方式,包括它们的定义,区别与联系以及应用场合等。

1. 相关联系

第一个:很显然,他们必须都在 _physics_process(delta) 方法中调用,因为该方法的内部会对物理引擎进行相关处理,前面我们已经讨论过,最好不要在 _process(delta) 中使用这两个方法,避免出现异常情况,这也是新手容易犯的错误之一。

第二个:这两个方法在某场景中是完全可以互相取代的,只需要对碰撞行为作出对应的处理即可。举个例子,下面两个代码段的效果表现会完全相同:

move_and_collide
1
2
3
var collision = move_and_collide(velocity * delta)
if collision:
velocity = velocity.slide(collision.normal)
move_and_slide
1
velocity = move_and_slide(velocity)

效果图如下:

Godot 3.0: Using KinematicBody2D

2. 两者区别

第一个,从上面的代码中我们能很明显地看出来,在使用这两个方法时,需要传递 KinematicBody2D 物体的速度作为参数;而这个速度在 move_and_collide() 方法中需要乘以帧间隔 delta ,但是在 move_and_slide() 方法中并不需要,这是因为此方法在内部已经帮我们自动处理好了,无需手动相乘。

第二个,根据上一条以及前面的代码,我们可以总结出在通用性方面,明显 move_and_collide() 更加通用,可以处理运动过程中任何碰撞情况,但是需要手动编码,处理起来也稍难;而 move_and_slide() 方法则更加特别,这对于新手朋友来说也会感觉相对简单。

第三个,使用方式不同,也就是说这两个方法的签名是完全不一样的:

方法 move_and_collide move_and_slide
返回值类型 KinematicCollision2D :包含碰撞相关信息 Vector2 :移动碰撞后的实际速度
参数1 rel_vec :Vector2 类型,表示实际速度,记住需要乘以 delta linear_velocity :Vector2 类型,表示速度,不需要乘以 delta
参数2 ✨ infinite_inertia : 3.1 版本新增参数,默认为 true floor_normal : Vector2 类型,表示地面法线方向,默认值 (0, 0)
参数3 ✨ exclude_raycast_shapes : 3.1 版本新增参数,默认为 true slope_stop_min_velocity :最小速度,斜坡上速度小于该值则停止滑动,默认 5
参数4 ✨ test_only : 3.1 版本新增参数,默认为 false max_bounces :停止运动前最大碰撞次数 ,数值过低可能会直接终止运动,默认 4
参数5 - floor_max_angle :能移动的最大斜坡角度,弧度计,默认值 0.785398 即 45°
参数6 - ✨ infinite_inertia : 3.1 版本新增参数,默认为 true

说明:上面有一些标注了 ✨ 的参数是 Godot 3.1 版本中新增的参数,暂时没有详细的文档说明,等待正式版以及文档发布后会有详述,另外 3.1 版本新增了一个 move_and_slide_with_snap() 方法,值得关注。

两个方法中,上面列举的一些参数都还是很好理解的,对于一般场合下,方法的默认参数都够用。其中,参数 floor_max_angle 表示最大斜坡角度,低于该角度的斜坡都被认为是“可滑行”的地面,另外参数 floor_normal 表示地面的法线,可以结合 KinematicBody2D 的几个方法: is_on_floor() (在地面上), is_on_wall() (在墙壁上),以及 is_on_ceiling() (在天花板上)搭配使用。

第四个,通过上表可以看出来,如果我们需要检查玩家碰撞后的反馈信息,我们可以使用 move_and_collide() 方法的返回值即可,如果使用 move_and_slide() 能不能即使获取相关信息呢?当然也可以,稍微繁琐,我们可以使用 KinematicCollision2D get_slide_collision(int slide_idx) 方法以及 int get_slide_count() 正确处理即可,示例代码如下:

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func _physics_process(delta):
var velocity = move_and_slide(velocity)
var count = get_slide_count()
for i in range(count):
var collision = get_slide_collision(i)
var collider = collision.collider
print('collider ', i + 1, ': ', collider.name)

3. 应用实践

这两个方法确实有点绕,别急,先搞清楚他俩的相似点以及不同点,然后我们就可以在不同场合中灵活使用了。 grin

1. 最基本的移动

观察下图这个示例,使用 move_and_collide() 方法在没有遇到障碍物时一切正常,但是遇到墙壁后,如果玩家的速度方向与墙壁表面相交,就会出现卡住的奇怪现象。究其原因,这是因为我们虽然使用了碰撞移动方法,但是遇到碰撞后的反馈并没有手动处理,所以 move_and_collide() 这个方法在玩家遇到碰撞时只能停下而表现出“卡注”的现象。

godot_12_move_and_slide.gif

解决这个问题的方法很简单,把方法替换为 move_and_slide() 即可。该方法不仅能正确处理碰撞反馈,还能告诉你在发生碰撞后物体的实际运行速度,即方法的返回值,在本 Demo 中你可以通过打开 use real velocity 这个开关查看碰撞后物体运动的实时速度。

那么,是不是所有的 KinematicBody2D 节点的移动都应该直接使用 move_and_slide() 方法呢?当然不是!一起来看第二个示例。

2. 碰撞反弹效果

考虑下这个场景,我们有一个用刚体(不反弹)做成的弹力球,这个球在碰撞到墙壁后能弹回去,但是墙壁是静态物体也没有弹性,这个时候如果使用 move_and_slide() 方法那么弹球遇到墙壁就会停止或者直接沿着墙壁下滑啦,如何处理呢?很显然,我们需要一点代码!

这就是 move_and_collide() 方法的用武之地了,我们可以利用这个方法的返回值进行相关处理,返回值是一个 KinematicCollision2D 类型的碰撞结果,其中包含我们所需要的数据,比如碰撞体的表面方向,即碰撞体的法线方向(垂直方向),把弹力球的速度按法线方向将其反射,那么球就能顺利反弹了!

代码可以参考上文,图效果可以看下:

godot_12_collide.gif

3. 2D 平台游戏

平台游戏应用非常广泛,常见的跳跃类型的游戏很多都是 Platform Game :左右移动,上下跳跃。平台游戏场景中静态物体元素比较多,一般有地面,墙壁,还有斜坡等,那么玩家在这些平台上如何移动呢?其实核心代码非常简单,这不得不归功于 Godot 提供给我们的 move_and_slide() 方法的了!这种情况在 Unity 中就稍显麻烦了,你还得使用射线( Raycast )处理与墙壁、地面等的碰撞检测,而 Godot 中对于小游戏而言,一个方法就能解决所有问题,听起来是不是有点小激动?别急,先看代码:

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func _physics_process(delta):
var collision = self.move_and_collide(velocity * delta)
if collision:
velocity = velocity.bounce(collision.normal)
if collision.collider.has_method('hit'):
collision.collider.hit()

当然, Godot 中也有射线节点,后面会提到,下面是一个普通的 move_and_slide() 方法的应用示例:

godot_12_platformer.gif

三、总结

枯不枯燥?烦不烦所?哈哈,啰嗦了一大堆, Godot 的强大和方便之处领悟到了吗?哈哈,如果还不能马上体会,你可以到我的 Github 仓库下载源码,然后打开每一个场景,使用快捷键 F6 单独运行场景查看效果;如果本文对你来说很简单,那么是不是迫不及待地想写一个平台游戏练练手啦?

Just do it, man!

好了,总结一下本文的相关理论知识吧:

  1. 三种 2D 物理节点以及 Area2D 节点的回顾
  2. 碰撞层和碰撞掩码理论知识
  3. KinematicBody2D 两个方法详述
  4. 简单的应用场景分析

本篇的 Demo 以及相关代码已经上传到 Github ,地址: https://github.com/spkingr/Godot-Demos , 2018 年最后一篇文章,原创不易,希望大家喜欢,我们 2019 年见! smile

参考文档:
官方 API 文档: http://docs.godotengine.org/en/3.0/classes/class_kinematicbody2d.html?highlight=kinematicbody2d
Godot 3.0: Using KinematicBody2D : http://kidscancode.org/blog/2018/02/godot3_kinematic2d/
我的博客地址: http://liuqingwen.me ,我的博客即将同步至腾讯云+社区,邀请大家一同入驻: https://cloud.tencent.com/developer/support-plan?invite_code=3sg12o13bvwgc ,欢迎关注我的微信公众号:
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