遊戲編程中判定兩個物件的接觸
- ctfm214
- 6月12日
- 讀畢需時 4 分鐘
在遊戲編程中，判定兩個物件的接觸（碰撞檢測）是非常常見且重要的功能，尤其是在物理引擎、角色控制或敵人和玩家交互的場景中。以下是一些方法和技術，根據遊戲開發需求的複雜程度進行選擇：
1. 基於區域的碰撞檢測 (Bounding Box Collision)
這是最簡單，也是最常用的一種碰撞檢測技術，特別適合簡單的遊戲場景。
A. 軸對齊邊界框（AABB, Axis-Aligned Bounding Box）
每個物件用一個矩形框包裹，並檢查這些矩形框是否有重疊。
適用於物件不旋轉且邊界對齊軸心的情況（例如 2D 平面遊戲）。
檢測公式 (2D)：
python
執行複製
if (box1.x < box2.x + box2.width and
box1.x + box1.width > box2.x and
box1.y < box2.y + box2.height and
box1.y + box1.height > box2.y):
# 兩個物件有接觸
檢測公式 (3D)：類似於 2D，只需加上 Z 軸的檢測：
python
執行複製
if (box1.x < box2.x + box2.width and
box1.x + box1.width > box2.x and
box1.y < box2.y + box2.height and
box1.y + box1.height > box2.y and
box1.z < box2.z + box2.depth and
box1.z + box1.depth > box2.z):
# 兩個物件有接觸
B. 圓形碰撞檢測 (Circle Collision)
適用於圓形或近似圓形的物件，例如球體。
檢測兩個圓心之間的距離是否小於兩個半徑之和。
檢測公式：
python
執行複製
dx = circle1.x - circle2.x
dy = circle1.y - circle2.y
distance = sqrt(dx * dx + dy * dy)
if distance < (circle1.radius + circle2.radius):
# 兩個圓形接觸
2. 精確碰撞檢測
當需要更加精確的碰撞檢測時（例如像素精度或多邊形檢測），可以採用以下方法。
A. 多邊形碰撞檢測 (Polygon Collision)
使用凸多邊形進行檢測，通常採用 分離軸定理 (SAT, Separating Axis Theorem)。
SAT 的原理是：如果能找到一個軸，讓兩個多邊形在該軸上的投影範圍不重疊，則兩者不相交。
步驟：
對兩個多邊形的邊計算法線（分離軸）。
將多邊形的頂點投影到法線上。
檢查投影區間是否重疊。
這種方法非常精確，但計算成本較高。
B. 像素級碰撞檢測 (Pixel Perfect Collision)
適用於 2D 遊戲中需要非常精確的碰撞檢測，例如角色和背景的接觸。
過程是檢查兩個物件的像素圖是否有重疊的非透明部分。
步驟：
獲取兩個物件的邊界框，判定是否存在重疊。
將重疊區域的像素從兩個物件中提取出來。
判斷重疊部分是否都為非透明的像素。
這種方法需要讀取像素數據，計算成本高，通常用於小範圍的精確碰撞。
3. 使用物理引擎進行碰撞檢測
如果遊戲較為複雜，可以使用現成的物理引擎來處理碰撞檢測問題，這些引擎提供了高效且可靠的碰撞檢測功能。
常用物理引擎：
Box2D: 適用於 2D 遊戲，支持 AABB、圓形和多邊形的碰撞檢測。
Bullet: 適用於 3D 遊戲，可處理剛體和軟體的碰撞。
Unity 的內置物理引擎 (PhysX): 支持 2D 和 3D 碰撞檢測。
Godot 的物理系統: 提供 2D 和 3D 的碰撞檢測模組。
使用方法：
為物件添加碰撞體（Collider），如 BoxCollider、SphereCollider 或 PolygonCollider。
設置剛體（Rigidbody）或靜態物體。
使用引擎的事件監聽功能檢測碰撞，例如 Unity 的 OnCollisionEnter 或 OnTriggerEnter。
Unity 示例 (C#)：
csharp
複製
void OnCollisionEnter(Collision collision)
{
if (collision.gameObject.tag == "Enemy")
{
Debug.Log("與敵人接觸！");
}
}
4. 分層碰撞檢測 (Collision Layering)
在大型遊戲中，可以將物件分成不同的碰撞層。例如，玩家角色只與敵人和障礙物層檢測，而不與背景層檢測。
減少不必要的碰撞檢測，提高性能。
Unity 示例：
使用 "Layer Mask" 設定哪些層可以互相碰撞。
通過 Physics.Raycast 限定檢測的層。
5. 優化碰撞檢測
隨著遊戲規模的增大，碰撞檢測的計算成本可能會成為性能瓶頸。以下是一些常見的優化方法：
A. 空間劃分技術
四叉樹 (Quadtree) 或 八叉樹 (Octree):
將遊戲世界劃分為多個區域，只檢測位於相同區域或相鄰區域的物件。
網格劃分 (Grid Partitioning):
將物件分佈到固定大小的網格中，僅檢查同一網格內的物件。
B. 廣相檢測和窄相檢測
Broad Phase (廣相檢測):
使用簡單算法（如 AABB）快速排除不可能碰撞的物件。
Narrow Phase (窄相檢測):
對可能發生碰撞的物件進行精確檢測（如 SAT 或像素級檢測）。
總結
判定兩個物件的接觸可以根據遊戲的需求選擇不同的方法，從簡單的邊界檢測到精確的像素檢測，再到使用現成的物理引擎。對於大型遊戲，考慮性能優化是至關重要的，例如使用空間劃分技術和分層碰撞檢測。選擇合適的技術和工具能讓遊戲運行更高效，並提升玩家體驗。
Comments