diff --git a/source/.vscode/settings.json b/source/.vscode/settings.json new file mode 100644 index 0000000..6e57044 --- /dev/null +++ b/source/.vscode/settings.json @@ -0,0 +1,3 @@ +{ + "restructuredtext.confPath": "d:\\Workspace\\lwjglbook-CN-Translation\\source" +} \ No newline at end of file diff --git a/source/15-terrain-collisions.md b/source/15-terrain-collisions.md new file mode 100644 index 0000000..50165ee --- /dev/null +++ b/source/15-terrain-collisions.md @@ -0,0 +1,271 @@ +# 地形碰撞 (Terrain Collisions) + +此前我们创建了一个地形，接下来就是检测碰撞以避免穿过它。回忆一下之前的内容，一个地形是由地形块组成的，每个地形块都是由高度图生成的，高度图用于设置构成地形的三角形的顶点高度。 + +为了检测碰撞，我们必须将当前所在位置的**Y**值与当前地形点的**Y**值进行比较。如果有碰撞，我们需要回到地形上方。很简单的想法，是吗？确实是这样，但在比较之前，我们需要进行几次计算。 + +我们首先要定义的是我们对“当前位置”这个词的理解。由于我们还没有一个球员的概念，答案很简单，当前的位置将是相机的位置。因此，我们已经有了比较的组成部分之一，因此，接下来要计算的是当前位置的地形高度。 +首先要定义的是“当前位置”这个词的概念。由于我们还没有一个“玩家”的概念，因此当前位置将是摄像机的位置。这样我们就有了比较的一方，因此接下来要计算当前位置的地形高度。 + +如上所是，地形由地形块组成，如下图所示。 + +![地形网格](_static/15/terrain_grid.png) + +每个地形块都是由相同的高度图网格构成，但被精确地缩放和位移，以形成看起来像是连续的景观的地形网格。 + +所以首先要做的是确定当前位置(摄像机位置)在哪个地形块。为了得到它，我们将基于位移和缩放来计算每个地形块的包围盒(**BoundingBox**)。因为地形在运行时不会移动或缩放，所以我们可以在`Terrain`类的构造方法中计算。这样就可以在任何时候访问它们，而不需要在每个游戏循环周期中重复这些计算。 + +我们将创建一个新的方法来计算一个地形块的包围盒，名为`getBoundingBox`。 + +```java +private Box2D getBoundingBox(GameItem terrainBlock) { + float scale = terrainBlock.getScale(); + Vector3f position = terrainBlock.getPosition(); + + float topLeftX = HeightMapMesh.STARTX * scale + position.x; + float topLeftZ = HeightMapMesh.STARTZ * scale + position.z; + float width = Math.abs(HeightMapMesh.STARTX * 2) * scale; + float height = Math.abs(HeightMapMesh.STARTZ * 2) * scale; + Box2D boundingBox = new Box2D(topLeftX, topLeftZ, width, height); + return boundingBox; +} +``` + +`Box2D`是`java.awt.Rectangle2D.Float`类的简化版本，为了避免使用AWT而创建。 + +限制我们需要计算地形块的世界坐标。在上一章中，你看到所有的地形网格都是在一个正方形中创建的，它的原点设置为`[STARTX, STARTZ]`。因此，我们需要把这些坐标转换为世界坐标，这要考虑下图所示的位移与缩放。 + +![模型坐标系到世界坐标系](_static/15/model_to_world_coordinates.png) + +如上所述，这可以在`Terrain`类构造方法中计算，因为它不会在运行时发生变化，所以我们要添加一个新的属性来保存包围盒： + +```java +private final Box2D[][] boundingBoxes; +``` + +在`Terrain`类的构造方法中，当我们创建地形块时，只需调用计算包围盒的方法。 + +```java +public Terrain(int terrainSize, float scale, float minY, float maxY, String heightMapFile, String textureFile, int textInc) throws Exception { + this.terrainSize = terrainSize; + gameItems = new GameItem[terrainSize * terrainSize]; + + PNGDecoder decoder = new PNGDecoder(getClass().getResourceAsStream(heightMapFile)); + int height = decoder.getHeight(); + int width = decoder.getWidth(); + ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect( + 4 * decoder.getWidth() * decoder.getHeight()); + decoder.decode(buf, decoder.getWidth() * 4, PNGDecoder.Format.RGBA); + buf.flip(); + + // 每行与每列的顶点数 + verticesPerCol = heightMapImage.getWidth(); + verticesPerRow = heightMapImage.getHeight(); + + heightMapMesh = new HeightMapMesh(minY, maxY, buf, width, textureFile, textInc); + boundingBoxes = new Box2D[terrainSize][terrainSize]; + for (int row = 0; row < terrainSize; row++) { + for (int col = 0; col < terrainSize; col++) { + float xDisplacement = (col - ((float) terrainSize - 1) / (float) 2) * scale * HeightMapMesh.getXLength(); + float zDisplacement = (row - ((float) terrainSize - 1) / (float) 2) * scale * HeightMapMesh.getZLength(); + + GameItem terrainBlock = new GameItem(heightMapMesh.getMesh()); + terrainBlock.setScale(scale); + terrainBlock.setPosition(xDisplacement, 0, zDisplacement); + gameItems[row * terrainSize + col] = terrainBlock; + + boundingBoxes[row][col] = getBoundingBox(terrainBlock); + } + } +} +``` + +因此，有了所有预先计算的包围盒，我们将创建一个新的方法，这个方法将以当前位置为参数，返回对应地形高度。该方法名为`getHeight`，其定义如下。 + +```java +public float getHeight(Vector3f position) { + float result = Float.MIN_VALUE; + // 对于每个地形块，我们获取包围盒，将其转换到观察坐标系 + // 检查坐标是否包含在包围盒中 + Box2D boundingBox = null; + boolean found = false; + GameItem terrainBlock = null; + for (int row = 0; row < terrainSize && !found; row++) { + for (int col = 0; col < terrainSize && !found; col++) { + terrainBlock = gameItems[row * terrainSize + col]; + boundingBox = boundingBoxes[row][col]; + found = boundingBox.contains(position.x, position.z); + } + } + + // 如果我们找到了一个包含我们位置的地形块 + // 计算该位置的地形高度 + if (found) { + Vector3f[] triangle = getTriangle(position, boundingBox, terrainBlock); + result = interpolateHeight(triangle[0], triangle[1], triangle[2], position.x, position.z); + } + + return result; +} +``` + +在此方法中第一件事是确定我们所在的地形块。由于我们已经有了每个地形块的包围盒，所以算法很简单。我们只需要迭代包围盒数组，并检查当前位置是否位于其中(`Box2D`提供了该方法)。 + +一旦找到了地形块，我们需要计算所处的三角形，这是由之后的`getTriangle`方法计算的。之后，我们得到了所在三角形的坐标，包括它的高度。但是，我们需要的是一个点的高度，这个点不位于这些顶点中的任何一点，而位于它们之间的位置。这将在`interpolateHeight`方法中计算，我们也将解释这是如何计算的。 + +让我们先从确定所处的三角形开始。构成地形块的正方形可以看作一个网格，其中每个单元由两个三角形组成。首先我们定义一些变量： + +* **boundingBox.x**是与包围盒相关联的地形块的原**x**坐标。 +* **boundingBox.y**是与包围盒相关联的地形块的原**z**坐标(即使你看到一个**y**，但它是在**z**轴的)。 +* **boundingBox.width**是地形块正方形的宽度。 +* **boundingBox.height**是地形块正方形的高度。 +* **cellWidth**是一个单元的宽度。 +* **cellHeight**是一个单元的高度。 + +上面定义的所有变量都用世界坐标来表示。为了计算单元的宽度，我们只需要将包围盒宽度除以每列的顶点数： + +$$cellWidth = \frac{boundingBox.width}{verticesPerCol}$$ + +`cellHeight`的计算也相似： + +$$cellHeight = \frac{boundingBox.height}{verticesPerRow}$$ + +一旦有了这些变量，我们就可以计算所在的单元格的行和列了： + +$$col = \frac{position.x - boundingBox.x}{boundingBox.width}$$ + +$$row = \frac{position.z - boundingBox.y}{boundingBox.height}$$ + +下图在示例地形块展示了此前描述的所有变量。 + +![地形块变量](_static/15/terrain_block_variables_n.png) + +有了这些信息，就可以计算单元格中包含的三角形顶点的位置。我们怎么才能做到呢？让我们来看看组成一个单元格的三角形。 + +![单元格](_static/15/cell.png) + +你可以看到，单元格是被一个对角线分开为两个三角形的。确定与当前位置相关的三角形的方法，是检查**z**坐标在对角线的上方还是下方。在本例中，将对角线的**x**值设置为当前位置的**x**值，求出对应的对角线**z**值，如果当前位置的**z**值小于对角线的**z**值，那么我们在**T1**中。反之如果当前位置的**z**值大于对角线的**z**值，我们就在**T2**中。 + +我们可以通过计算与对角线相匹配的直线方程来确定。 + +如果你还记得学校的数学课，从两点通过的直线(在二维中)的方程为: + +$$y-y1=m\cdot(x-x1)$$ + +其中m是直线的斜率，也就是说，当沿**x**轴移动时，其高度会发生变化。请注意，在本例中，**y**坐标其实是一个**z**。还要注意的是，我们使用的是二维坐标，因为在这里不计算高度，只要**x**坐标和**z**坐标就足够了。因此，在本例中，直线方程应该是这样。 + +$$z-z1=m\cdot(x-x1)$$ + +斜率可以按如下方式计算： + +$$m=\frac{z1-z2}{x1-x2}$$ + +所以给定一个**x**坐标得到一个**z**值的对角线方程就像这样： + +$$z=m\cdot(xpos-x1)+z1=\frac{z1-z2}{x1-x2}\cdot(zpos-x1)+z1$$ + +其中**x1**、**x2**、**z1**和**z2**分别是顶点**V1**和**V2**的**x**和**z**坐标。 + +因此，通过上述方式来获得当前位置所在的三角形的方法，名为`getTriangle`，其实现如下： + +```java +protected Vector3f[] getTriangle(Vector3f position, Box2D boundingBox, GameItem terrainBlock) { + // 获得与当前位置相关的高度图的行列 + float cellWidth = boundingBox.width / (float) verticesPerCol; + float cellHeight = boundingBox.height / (float) verticesPerRow; + int col = (int) ((position.x - boundingBox.x) / cellWidth); + int row = (int) ((position.z - boundingBox.y) / cellHeight); + + Vector3f[] triangle = new Vector3f[3]; + triangle[1] = new Vector3f( + boundingBox.x + col * cellWidth, + getWorldHeight(row + 1, col, terrainBlock), + boundingBox.y + (row + 1) * cellHeight); + triangle[2] = new Vector3f( + boundingBox.x + (col + 1) * cellWidth, + getWorldHeight(row, col + 1, terrainBlock), + boundingBox.y + row * cellHeight); + if (position.z < getDiagonalZCoord(triangle[1].x, triangle[1].z, triangle[2].x, triangle[2].z, position.x)) { + triangle[0] = new Vector3f( + boundingBox.x + col * cellWidth, + getWorldHeight(row, col, terrainBlock), + boundingBox.y + row * cellHeight); + } else { + triangle[0] = new Vector3f( + boundingBox.x + (col + 1) * cellWidth, + getWorldHeight(row + 2, col + 1, terrainBlock), + boundingBox.y + (row + 1) * cellHeight); + } + + return triangle; +} + +protected float getDiagonalZCoord(float x1, float z1, float x2, float z2, float x) { + float z = ((z1 - z2) / (x1 - x2)) * (x - x1) + z1; + return z; +} + +protected float getWorldHeight(int row, int col, GameItem gameItem) { + float y = heightMapMesh.getHeight(row, col); + return y * gameItem.getScale() + gameItem.getPosition().y; +} +``` + +你可以看到我们有另外两个反复。第一个名为`getDiagonalZCoord`，给定**x**位置和两个顶点计算对角线的**z**坐标。另一个名为`getWorldHeight`，用来获得三角形顶点的高度(即**y**坐标)。当地形网格被创建时，每个顶点的高度都被预先计算和储存，我们只需将其转换为世界坐标。 + +好，我们有当前位置的三角形坐标。最后，我们准备在当前位置计算地形高度。怎么做呢？我们的三角形在一个平面上，一个平面可以由三个点定义，在本例中，三个顶点定义了一个三角形。 + +平面方程如下： + +$$a\cdot x+b\cdot y+c\cdot z+d=0$$ + +上述方程的常数值是： + +$$a=(B_{y}-A_{y}) \cdot (C_{z} - A_{z}) - (C_{y} - A_{y}) \cdot (B_{z}-A_{z})$$ + +$$b=(B_{z}-A_{z}) \cdot (C_{x} - A_{x}) - (C_{z} - A_{z}) \cdot (B_{z}-A_{z})$$ + +$$c=(B_{x}-A_{x}) \cdot (C_{y} - A_{y}) - (C_{x} - A_{x}) \cdot (B_{y}-A_{y})$$ + +其中**A**、**B**和**C**是定义平面所需的三个顶点。 + +然后，利用之前的方程以及当前位置的**x**和**z**坐标值，我们能够计算**y**值，即当前位置的地形高度： + +$$y = (-d - a \cdot x - c \cdot z) / b$$ + +实现了如上运算的方法如下： + +```java +protected float interpolateHeight(Vector3f pA, Vector3f pB, Vector3f pC, float x, float z) { + // 平面方程 ax+by+cz+d=0 + float a = (pB.y - pA.y) * (pC.z - pA.z) - (pC.y - pA.y) * (pB.z - pA.z); + float b = (pB.z - pA.z) * (pC.x - pA.x) - (pC.z - pA.z) * (pB.x - pA.x); + float c = (pB.x - pA.x) * (pC.y - pA.y) - (pC.x - pA.x) * (pB.y - pA.y); + float d = -(a * pA.x + b * pA.y + c * pA.z); + // y = (-d -ax -cz) / b + float y = (-d - a * x - c * z) / b; + return y; +} +``` + +这就完了！现在我们能够检测碰撞，所以在`DummyGame`类中，在更新摄像机位置时，修改如下代码： + +```java +// 更新摄像机位置 +Vector3f prevPos = new Vector3f(camera.getPosition()); +camera.movePosition(cameraInc.x * CAMERA_POS_STEP, cameraInc.y * CAMERA_POS_STEP, cameraInc.z * CAMERA_POS_STEP); +// 检查是否发生碰撞。如果为true，将y坐标设置为 +// 最大高度 +float height = terrain.getHeight(camera.getPosition()); +if ( camera.getPosition().y <= height ) { + camera.setPosition(prevPos.x, prevPos.y, prevPos.z); +} +``` + +如你所见，检测地形碰撞的概念很容易理解，但是我们需要仔细地进行计算并了解正处理的不同坐标系。 + +此外，虽然这里给出的算法在大多数情况下都是可用的，但仍存在需要仔细处理的情况。你可以发现的一个问题是隧道效应(`Tunnelling`)。设想一个情况，我们正以高速穿过地形，正因如此，位置增量值较高。这个值变得如此之高，以至于因为我们检测的是最终位置的碰撞，所以可能已经穿过了位于两点之间的障碍。 + +![隧道效应](_static/15/tunnelling.png) + +有许多可行的解决方案可以避免这个效应，最简单的解决方法是将要进行的计算分成增量较小的多份。 diff --git a/source/_static/15/cell.png b/source/_static/15/cell.png new file mode 100644 index 0000000..e047389 Binary files /dev/null and b/source/_static/15/cell.png differ diff --git a/source/_static/15/model_to_world_coordinates.png b/source/_static/15/model_to_world_coordinates.png new file mode 100644 index 0000000..a7c007b Binary files /dev/null and b/source/_static/15/model_to_world_coordinates.png differ diff --git a/source/_static/15/terrain_block_variables_n.png b/source/_static/15/terrain_block_variables_n.png new file mode 100644 index 0000000..514b620 Binary files /dev/null and b/source/_static/15/terrain_block_variables_n.png differ diff --git a/source/_static/15/terrain_grid.png b/source/_static/15/terrain_grid.png new file mode 100644 index 0000000..606fcf5 Binary files /dev/null and b/source/_static/15/terrain_grid.png differ diff --git a/source/_static/15/tunnelling.png b/source/_static/15/tunnelling.png new file mode 100644 index 0000000..54a5ea6 Binary files /dev/null and b/source/_static/15/tunnelling.png differ diff --git a/source/index.rst b/source/index.rst index cd2c90b..fa2a8e7 100644 --- a/source/index.rst +++ b/source/index.rst @@ -19,6 +19,7 @@ 12-game-hud 13-sky-box-and-some-optimizations 14-height-maps + 15-terrain-collisions 本书原介绍 ****