令人信服的 C# 物理学

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引言

在阅读了精彩的文章《高级角色物理学》[1] 后，我意识到，与我先前的看法相反，在计算机上创建逼真的物理效果并非极其复杂。事实上，它相当简单，而且对 CPU 的要求也不高。我想这可能会是某些开发人员感兴趣的话题，于是我为 CodeProject 整理了这些项目和这篇文章。

设置

要求

要能够编译和使用这些项目，您需要 DirectX9 的托管扩展[2]。安装 DirectX9 SDK 后，您可能需要执行额外的步骤。请参考 DirectX9 SDK 附带的 readme.txt 文件。ParticleSystem 项目依赖于 DirectX9 进行一些基本的向量和矩阵操作。测试应用程序则更 heavily 依赖 DirectX9，因为它使用 DirectX9 来可视化粒子约束系统。

编译

一旦您有了 DirectX9 的托管扩展，编译这些项目应该会很容易。

运行测试应用程序

您应该会看到一个类似上面图片所示的跳伞盒子。有一些简单的命令可以移动视角以及更改粒子约束系统的一些参数。

• 箭头键：移动视角。
• A：使重力向量指向下方。
• B：使重力向量指向上方。
• S：抖动粒子。
• K：增加风力强度（影响降落伞）。
• L：减小风力强度（影响降落伞）。

测试项目中的代码简直糟糕透顶，我只是对 DirectX9 向导生成的代码进行了足够的修补，以便能够查看粒子约束系统。有趣的代码在 ParticleSystem 项目中。

如何创建简单的粒子约束系统

假设您想创建一个非常简单的系统，其中只有一个小盒子。

// Begin a transaction
ParticleSystem.Transaction lTransaction = ps.GetTransaction(); 
// Adds a global constraint to the system (to make sure that the box 
// doesn't fall and fall and fall)
lTransaction.AddGlobalConstraint(new AxisAlignedBox( 
    new Vector3(-10, -15, -10), 
    new Vector3(10, 15, 10))); 
// Set the gravity vector of the system
ps.Gravity = new Vector3(0, -1, 0); 
// Creates a stick-constraint factory (since we want our box to be created 
// using stiff stick-constraints)
Tools.ITwoParticleConstraintFactory lStickConstraintFactory = 
    new Tools.StickConstraintFactory(); 
// Create the box at position (0,0,0), with mass 10.0 and side-length 1.0
Tools.CreateBox(
    new Vector3(0.0f, 0.0f, 0.0f), 
    10.0f, 
    1.0f, 
    lStickConstraintFactory, 
    lTransaction); 
// Commit the added particles and constraints to the system
lTransaction.Commit();

如果您想测试示例的外观，只需将 InitializeParticleSystem 函数中的代码替换为上面的代码。此外，您还需要添加一行 windEffect = null;

现在，假设您想将一个链条连接到盒子和一个不动的粒子上。代码将如下所示：

// Begin a transaction
ParticleSystem.Transaction lTransaction = ps.GetTransaction(); 
// Adds a global constraint to the system (to make sure that the box 
// doesn't fall and fall and fall) 
lTransaction.AddGlobalConstraint(new AxisAlignedBox(
    new Vector3(-10, -15, -10), 
    new Vector3(10, 15, 10))); 
// Set the gravity vector of the system 
ps.Gravity = new Vector3(0, -1, 0); 
// Creates a stick-constraint factory (since we want our box to be created 
// using stiff stick-constraints) 
Tools.ITwoParticleConstraintFactory lStickConstraintFactory = 
    new Tools.StickConstraintFactory(); 
// Create the box at position (0,0,0), with mass 10.0 and side-length 1.0 
Particle[] lBoxParticles = Tools.CreateBox(
    new Vector3(0.0f, 0.0f, 0.0f), 
    10.0f, 
    1.0f, 
    lStickConstraintFactory, 
    lTransaction); 
// Create a single particle 
Particle lParticle = new Particle(1.0f, new Vector3(0.0f, 5.0f, 0.0f)); 
// Make the particle non-moving 
lParticle.Immoveable = true; 
// Add the particle the system 
lTransaction.AddParticle(lParticle); 
// Create a chain between the single particle and a box-particle 
Tools.CreateChain(
    lParticle, 
    lBoxParticles[0], 
    1.0f, 
    6, 
    lStickConstraintFactory, 
    lTransaction); 
// Commit the added particles and constraints to the system 
lTransaction.Commit();

有关更复杂的示例，请参阅 ParticleSystemTestApplication 中的跳伞盒子代码。

ParticleSystem 项目简介

• 该项目名为 ParticleSystem。一个更好的名字可能是 ParticleConstraintSystem，因为本质上它就是这样的。
• ParticleSystem 的设计目标主要是为了让开发人员能够轻松地添加新的约束、效果和全局约束类。此外，我还想让创建“实验”变得相对容易。性能并不是首要考虑因素。
• 您通过 Transaction 对象向 ParticleSystem 添加粒子、约束、效果和全局约束的实例。您可以通过调用 ParticleSystem 实例上的 GetTransaction() 来获取 Transaction 对象的实例。请记住提交。
• 要生成下一帧，请调用 TimeStep()。
• 您可以通过实现所需接口来创建自己的约束、效果和全局约束。例如，要创建约束，对象必须实现 IConstraint，它只有一个方法：Apply()。
• 一个合理的问题是，当一个约束对象收到 Apply() 调用时应该做什么？它应该检查约束是否无效。如果无效，那么它应该移动构成约束的粒子，直到约束再次有效。例如，以 StickConstraint 为例；如果粒子之间的距离太远，它会拉近它们，直到它们达到正确的距离。如果它们太近，它会推开它们，直到它们达到正确的距离。它还会考虑粒子的质量，并根据它们的重量移动不同。请参阅《高级角色物理学》[1] 以更深入地了解如何创建约束。
• Tool 类包含许多静态方法，旨在方便开发人员。

面向读者的练习

这当然是对学生文学中常见的“面向读者的练习”的一种讽刺式的暗示。

• 实现一个“真正的”降落伞。降落伞中的粒子不再受向上风力的固定影响，而是可能受到取决于降落伞粒子平均速度的风的影响。也就是说，它们向下运动的速度越快，向上吹的风力就越强。
• 实现一个帆船游戏。

待办事项

• 添加 NUnit 测试
• 改进文档并提供 NDoc 项目
• 将重力重新设计为 IEffect，而不是 ParticleSystem 类的一个内在部分。这样就可以允许具有重力中心或多个重力源的系统。
• 实现粒子与三角形之间的碰撞检测。这将能够实现一些非常酷的功能，例如：实体之间的反弹、蹦床和摩擦。

致谢

Thomas Jakobsen - 因为如果没有他出色的文章[1]，我怀疑我是否会开始玩弄虚拟粒子和约束（从而过着一种不那么充实的生活）。此外，在构建 ParticleSystem 时，我无耻地借鉴了他的文章中的代码。

参考文献

• [1] 高级角色物理学。
• [2] DirectX 9.0 SDK 更新 - (2003 年夏季)。

变更历史

• 2003-12-27 - 文章发布。
• 2003-12-27 - 添加了“更改历史”部分。
• 2003-12-27 - 删除了“关于作者”部分。
• 2003-12-30 - 更新了源代码和二进制文件