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Box2D v2.0.1 用户手册

原文：Box2D v2.0.2 User Manual

译者：Aman JIANG(江超宇)，翻译信息。

1. 导言

1.1 关于

Box2D 是一个用于游戏的 2D 刚体仿真库。程序员可以在他们的游戏里使用它，它可以使物体的运动

更加可信，让世界看起来更具交互性。从游戏的视角来看，物理引擎就是一个程序性动画(procedural

animation)的系统，而不是由动画师去移动你的物体。你可以让牛顿来做导演。

Box2D 是用可移植的 C++ 来写成的。引擎中定义的大部分类型都有

前缀，希望这能消除它和你

游戏引擎之间的名字冲突。

1.2 必备条件

在此，我假定你已经熟悉了基本的物理学概念，例如质量，力，扭矩和冲量。如果没有，请先考虑读

一下 Chris Hecker 和 David Baraff (google 这些名字)的那些教程，你不需要了解得非常细致，但他们

可以使你很好地了解一些基本概念，以便你使用 Box2D。

Wikipedia 也是一个极好的物理和数学知识的获取源，在某些方面它可能比 google 更有用，因为它

的内容经过了精心的整理。

这不是必要的，但如果你好奇 Box2D 内部是如何工作的，你可以看这些文档。

因为 Box2D 是使用 C++ 写成的，所以你应该具备 C++ 程序设计的经验，Box2D 不应该成为你的

第一个 C++ 程序项目。你应该已经能熟练地编译，链接和调试了。

1.3 核心概念

Box2D 中有一些基本的对象，这里我们先做一个简要的定义，在随后的文档里会有更详细的描述。

刚体(rigid body)

一块十分坚硬的物质，它上面的任何两点之间的距离都是完全不变的。它们就像钻石那样坚硬。在后

面的讨论中，我们用

物体

(body)来代替刚体。

形状(shape)

一块严格依附于物体(body)的 2D 碰撞几何结构(collision geometry)。形状具有摩擦(friction)和恢

复(restitution)的材料性质。

约束(constraint)

一个约束(constraint)就是消除物体自由度的物理连接。在 2D 中，一个物体有 3 个自由度。如果我

们把一个物体钉在墙上(像摆锤那样)，那我们就把它约束到了墙上。这样，此物体就只能绕着这个钉子旋

转，所以这个约束消除了它 2 个自由度。

接触约束(contact constraint)

一个防止刚体穿透，以及用于模拟摩擦(friction)和恢复(restitution)的特殊约束。你永远都不必创建

一个接触约束，它们会自动被 Box2D 创建。

关节(joint)

它是一种用于把两个或多个物体固定到一起的约束。Box2D 支持的关节类型有：旋转，棱柱，距离等

等。关节可以支持限制(limits)和马达(motors)。

关节限制(joint limit)

一个关节限制(joint limit)限定了一个关节的运动范围。例如人类的胳膊肘只能做某一范围角度的运

动。

关节马达(joint motor)

一个关节马达能依照关节的自由度来驱动所连接的物体。例如，你可以使用一个马达来驱动一个肘的

旋转。

世界(world)

一个物理世界就是物体，形状和约束相互作用的集合。Box2D 支持创建多个世界，但这通常是不必要

的。

2. Hello Box2D

2.1 创建一个世界

每个 Box2D 程序都将从一个世界对象(world object)的创建开始。这是一个管理内存，对象和模拟的

中心。

要创建一个世界对象，我们首先需要定义一个世界的包围盒。Box2D 使用包围盒来加速碰撞检测。尺

寸并不关键，但合适的尺寸有助于性能。这个包围盒过大总比过小好。

b2AABB worldAABB;

worldAABB.lowerBound.Set(-100.0f, -100.0f);

worldAABB.upperBound.Set(100.0f, 100.0f);

•

注意：

worldAABB 应该永远比物体所在的区域要大，让 worldAABB 更大总比太小要好。如果一

个物体到达了 worldAABB 的边界，它就会被冻结并停止模拟。

接下来我们定义重力矢量。是的，你可以使重力朝向侧面(或者你只好转动你的显示器)。并且，我们

告诉世界(world)当物体停止移动时允许物体休眠。一个休眠中的物体不需要任何模拟。

b2Vec2 gravity(0.0f, -10.0f);

bool doSleep = true;

现在我们创建世界对象。通常你需要在堆(heap)上创建世界对象，并把它的指针保存在某一结构中。

然而，在这个例子中也可以在栈上创建。

b2World world(worldAABB, gravity, doSleep);

那么现在我们有了自己的物理世界，让我们再加些东西进去。

2.2 创建一个地面盒

物体通常由以下步骤来创建：

1. 使用位置(position)，阻尼(damping)等定义一个物体

2. 使用世界对象创建物体

3. 使用几何结构，摩擦，密度等定义形状

4. 在物体上创建形状

5. 可选地调整物体的质量以和附加的形状相匹配

第一步，我们创建地面体。要创建它我们需要一个

物体定义

(body definition)，通过物体定义我们来

指定地面体的初始位置。

b2BodyDef groundBodyDef;

groundBodyDef.position.Set(0.0f, -10.0f);

第二步，将物体定义传给世界对象来创建地面体。世界对象并不保存到物体定义的引用。地面体是作

为静态物体(static body)创建的，静态物体之间并没有碰撞，它们是固定的。当一个物体具有零质量的

时候 Box2D 就会确定它为静态物体，物体的默认质量是零，所以它们默认就是静态的。

b2Body* ground = world.CreateBody(&groundBodyDef);

第三步，我们创建一个地面的多边形定义。我们使用 SetAsBox 简捷地把地面多边形规定为一个盒子

(矩形)形状，盒子的中点就位于父物体的原点上。

b2PolygonDef groundShapeDef;

groundShapeDef.SetAsBox(50.0f, 10.0f);

其中，SetAsBox 函数接收了半个宽度和半个高度，这样的话，地面盒就是 100 个单位宽(x 轴)以及

20 个单位高(y 轴)。Box2D 已被调谐使用米，千克和秒来作单位，所以你可以用米来考虑长度。然而，

改变单位系统是可能的，随后的文档中会有讨论。

在第四步中，我们在地面体上创建地面多边形，以完成地面体。

groundBody->CreateShape(&groundShapeDef);

重申一次，Box2D 并不保存到形状或物体的引用。它把数据拷贝到 b2Body 结构中。

注意每个形状都必须有一个父物体，即使形状是静态的。然而你可以把所有静态形状都依附于单个静

态物体之上。这个静态物体之需求是为了保证 Box2D 内部的代码更具一致性，以减少潜在的 bug 数

量。

可能你已经注意到了，大部分 Box2D 类型都有一个 b2 前缀。这是为了降低它和你的代码之间名字冲

突的机会。

2.3 创建一个动态物体

现在我们已经有了一个地面体，我们可以使用同样的方法来创建一个动态物体。除了尺寸之外的主要

区别是，我们必须为动态物体设置质量性质。

首先我们用 CreateBody 创建物体。

b2BodyDef bodyDef;

bodyDef.position.Set(0.0f, 4.0f);

b2Body* body = world.CreateBody(&bodyDef);

接下来我们创建并添加一个多边形形状到物体上。注意我们把密度设置为 1，默认的密度是 0。并

且，形状的摩擦设置到了 0.3。形状添加好以后，我们就使用 SetMassFromShapes 方法来命令物体通

过形状去计算其自身的质量。这暗示了你可以给单个物体添加一个以上的形状。如果质量计算结果为 0，

那么物体会变成真正的静态。物体默认的质量就是零，这就是为什么我们无需为地面体调用

SetMassFromShapes 的原因。

b2PolygonDef shapeDef;

shapeDef.SetAsBox(1.0f, 1.0f);

shapeDef.density = 1.0f;

shapeDef.friction = 0.3f;

body->CreateShape(&shapeDef);

body->SetMassFromShapes();

这就是初始化过程。现在我们已经准备好开始模拟了。

2.4 模拟(Box2D 的)世界

我们已经初始化好了地面盒和一个动态盒。现在是让牛顿接手的时刻了。我们只有少数几个问题需要

考虑。

Box2D 中有一些数学代码构成的

积分器

(integrator)，积分器在离散的时间点上模拟物理方程，它将

与游戏动画循环一同运行。所以我们需要为 Box2D 选取一个时间步，通常来说游戏物理引擎需要至少

60Hz 的速度，也就是 1/60 的时间步。你可以使用更大的时间步，但是你必须更加小心地为你的世界调

整定义。我们也不喜欢时间步变化得太大，所以不要把时间步关联到帧频(除非你真的必须这样做)。直截

了当地，这个就是时间步：

float32 timeStep = 1.0f / 60.0f;

除了积分器之外，Box2D 中还有

约束求解器

(constraint solver)。约束求解器用于解决模拟中的所有

约束，一次一个。单个的约束会被完美的求解，然而当我们求解一个约束的时候，我们就会稍微耽误另

一个。要得到良好的解，我们需要迭代所有约束多次。建议的 Box2D 迭代次数是 10 次。你可以按自己

的喜好去调整这个数，但要记得它是速度与质量之间的平衡。更少的迭代会增加性能并降低精度，同样

地，更多的迭代会减少性能但提高模拟质量。这是我们选择的迭代次数：

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