物理小球在游戏中的应用

游戏编程需要一些经常使用的数学和物理知识，下面演示一下：

1、开发运动体Movable类代码

package wyf.wpf;        //声明包语句
import android.graphics.Bitmap; //引入相关类
import android.graphics.Canvas; //引入相关类
//代表可移动物体的Movable类
public class Movable{
    int startX=0;       //初始X座标
    int startY=0;       //初始Y座标
    int x;              //实时X座标
    int y;              //实时Y座标
    float startVX=0f;   //初始竖直方向的速度
    float startVY=0f;   //初始水平方向的速度
    float v_x=0f;       //实时水平方向速度
    float v_y=0f;       //实时竖直方向速度
    int r;              //可移动物体半径
    double timeX;           //X方向上的运动时间
    double timeY;           //Y方向上的运动时间
    Bitmap bitmap=null; //可移动物体图片
    BallThread bt=null; //负责小球移动时 ，作为一个线程，起到物理引擎的作用
    boolean bFall=false;//小球是否已经从木板上下落
    float impactFactor = 0.25f; //小球撞地后速度的损失系数
    //构造器
    public Movable(int x,int y,int r,Bitmap bitmap){
        this.startX = x;        //初始化X座标
        this.x = x;             //初始化X座标
        this.startY = y;        //初始化Y座标
        this.y = y;             //初始化Y座标
        this.r = r;             //初始化
        this.bitmap = bitmap;   //初始化图片
        timeX=System.nanoTime();    //获取系统时间初始化
        this.v_x = BallView.V_MIN + (int)((BallView.V_MAX-BallView.V_MIN)*Math.random());
        bt = new BallThread(this);//创建并启动BallThread ，启动物理引擎
        bt.start();
    }
    //方法：绘制自己到屏幕上
    public void drawSelf(Canvas canvas){
        canvas.drawBitmap(this.bitmap,x, y, null);
    }
}

2、开发物理引擎BallThread类的代码

     这次物理引擎的工作机制：

• 座标系统
• 运动阶段
• 数值计算
• 为零判断

package wyf.wpf;                //声明包语句
//继承自Thread的线程类，负责修改球的位置座标
public class BallThread extends Thread{
    Movable father;     //Movable对象引用
    boolean flag = false;   //线程执行标志位
    int sleepSpan = 30;     //休眠时间
    float g = 200;      //球下落的加速度
    double current; //记录当前时间
    //构造器：初始化Movable对象引用及线程执行标志位
    public BallThread(Movable father){
        this.father = father;
        this.flag = true;       //设置线程执行的标志位为true
    }
    //方法：负责根据物理公式修改小球位置，并检测和处理小球达到最高点以及撞击地面的事件
    public void run(){
        while(flag){
            current = System.nanoTime();//获取当前时间，单位为纳秒
            double timeSpanX = (double)((current-father.timeX)/1000/1000/1000);//获取从玩家开始到现在水平方向走过的时间
            //处理水平方向上的运动
            father.x = (int)(father.startX + father.v_x * timeSpanX);
            //处理竖直方向上的运动
            if(father.bFall){//判断球是否已经移出挡板
                double timeSpanY = (double)((current - father.timeY)/1000/1000/1000);
                father.y = (int)(father.startY + father.startVY * timeSpanY + timeSpanY*timeSpanY*g/2);
                father.v_y = (float)(father.startVY + g*timeSpanY);
                //判断小球是否到达最高点
                if(father.startVY < 0 && Math.abs(father.v_y) <= BallView.UP_ZERO){
                    father.timeY = System.nanoTime();           //设置新的运动阶段竖直方向上的开始时间
                    father.v_y = 0;                             //设置新的运动阶段竖直方向上的实时速度
                    father.startVY = 0;                         //设置新的运动阶段竖直方向上的初始速度
                    father.startY = father.y;                   //设置新的运动阶段竖直方向上的初始位置
                }
                //判断小球是否撞地
                if(father.y + father.r*2 >= BallView.GROUND_LING && father.v_y >0){//判断撞地条件
                    //改变水平方向的速度
                    father.v_x = father.v_x * (1-father.impactFactor);  //衰减水平方向上的速度
                    //改变竖直方向的速度
                    father.v_y = 0 - father.v_y * (1-father.impactFactor);      //衰减竖直方向上的速度并改变方向
                    if(Math.abs(father.v_y) < BallView.DOWN_ZERO){  //判断撞地后的速度，太小就停止
                        this.flag = false;
                    }
                    else{   //撞地后的速度还可以弹起继续下一阶段的运动
                        //撞地之后水平方向的变化
                        father.startX = father.x;           //设置新的运动阶段的水平方向的起始位置
                        father.timeX = System.nanoTime();   //设置新的运动阶段的水平方向的开始时间
                        //撞地之后竖直方向的变化
                        father.startY = father.y;       //设置新的运动阶段竖直方向上的起始位置
                        father.timeY = System.nanoTime();   //设置新的运动阶段竖直方向开始运动的时间
                        father.startVY = father.v_y;    //设置新的运动阶段竖直方向上的初速度
                    }
                }
            }
            else if(father.x + father.r/2 >= BallView.WOOD_EDGE){//判断球是否移出了挡板
                father.timeY = System.nanoTime();       //记录球竖直方向上的开始运动时间
                father.bFall = true;                //设置表示是否开始下落标志位
            }
            try{
                Thread.sleep(sleepSpan);        //休眠一段时间
            }
            catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

3、视图类--开发BallView类的代码

 

package wyf.wpf;        //声明包语句
import java.util.ArrayList;     //引入相关类
import java.util.Random;        //引入相关类
import android.content.Context; //引入相关类
import android.content.res.Resources;   //引入相关类
import android.graphics.Bitmap;         //引入相关类
import android.graphics.BitmapFactory;  //引入相关类
import android.graphics.Canvas;         //引入相关类
import android.graphics.Color;          //引入相关类
import android.graphics.Paint;          //引入相关类
import android.view.SurfaceHolder;      //引入相关类
import android.view.SurfaceView;        //引入相关类
//继承自SurfaceView的子类 ，需要实现SurfaceHolder.callback接口
public class BallView extends SurfaceView implements SurfaceHolder.Callback{
    public static final int V_MAX=35;   //小球水平速度的最大值
    public static final int V_MIN=15;   //小球竖直速度的最大值
    public static final int WOOD_EDGE = 60; //木板的右边沿的x座标
    public static final int GROUND_LING = 450;//游戏中代表地面y座标，小球下落到此会弹起
    public static final int UP_ZERO = 30;   //小球在上升过程中，如果速度大小小于该值就算为0
    public static final int DOWN_ZERO = 60; //小球在撞击地面后，如果速度大小小于该值就算为0
    Bitmap [] bitmapArray = new Bitmap[6];  //各种颜色形状的小球图片引用
    Bitmap bmpBack;     //背景图片对象
    Bitmap bmpWood;     //木板图片对象
    String fps="FPS:N/A";       //用于显示帧速率的字符串，调试使用
    int ballNumber =8;  //小球数目
    ArrayList<Movable> alMovable = new ArrayList<Movable>();    //小球对象数组
    DrawThread dt;  //后台屏幕绘制线程

    public BallView(Context activity){
        super(activity);                //调用父类构造器
        getHolder().addCallback(this);
        initBitmaps(getResources());    //初始化图片
        initMovables();                 //初始化小球
        dt = new DrawThread(this,getHolder());      //初始化重绘线程
    }
    //方法：初始化图片
    public void initBitmaps(Resources r){
        bitmapArray[0] = BitmapFactory.decodeResource(r, R.drawable.ball_red_small);    //红色较小球
        bitmapArray[1] = BitmapFactory.decodeResource(r, R.drawable.ball_purple_small); //紫色较小球
        bitmapArray[2] = BitmapFactory.decodeResource(r, R.drawable.ball_green_small);  //绿色较小球
        bitmapArray[3] = BitmapFactory.decodeResource(r, R.drawable.ball_red);          //红色较大球
        bitmapArray[4] = BitmapFactory.decodeResource(r, R.drawable.ball_purple);       //紫色较大球
        bitmapArray[5] = BitmapFactory.decodeResource(r, R.drawable.ball_green);        //绿色较大球
        bmpBack = BitmapFactory.decodeResource(r, R.drawable.back);                     //背景砖墙
        bmpWood = BitmapFactory.decodeResource(r, R.drawable.wood);                     //木板
    }
    //方法：初始化小球
    public void initMovables(){
        Random r = new Random();    //创建一个Random对象
        for(int i=0;i<ballNumber;i++){
            int index = r.nextInt(32);      //产生随机数
            Bitmap tempBitmap=null;         //声明一个Bitmap图片引用
            if(i<ballNumber/2){
                tempBitmap = bitmapArray[3+index%3];//如果是初始化前一半球，就从大球中随机找一个
            }
            else{
                tempBitmap = bitmapArray[index%3];//如果是初始化后一半球，就从小球中随机找一个
            }
            Movable m = new Movable(0,70-tempBitmap.getHeight(),tempBitmap.getWidth()/2,tempBitmap);    //创建Movable对象
            alMovable.add(m);   //将新建的Movable对象添加到ArrayList列表中
        }
    }
    //方法：绘制程序中所需要的图片等信息
    public void doDraw(Canvas canvas) {
        canvas.drawBitmap(bmpBack, 0, 0, null); //绘制背景图片
        canvas.drawBitmap(bmpWood, 0, 60, null);//绘制木板图片
        for(Movable m:alMovable){   //遍历Movable列表，绘制每个Movable对象
            m.drawSelf(canvas);
        }
        Paint p = new Paint();  //创建画笔对象
        p.setColor(Color.BLUE); //为画笔设置颜色
        p.setTextSize(18);      //为画笔设置字体大小
        p.setAntiAlias(true);   //设置抗锯齿
        canvas.drawText(fps, 30, 30, p);    //画出帧速率字符串
    }
    @Override
    public void surfaceChanged(SurfaceHolder holder, int format, int width,
            int height) {//重写surfaceChanged方法
    }
    @Override
    public void surfaceCreated(SurfaceHolder holder) {//从写surfaceCreated方法
        if(!dt.isAlive()){  //如果DrawThread没有启动，就启动这个线程
            dt.start();
        }
    }
    @Override
    public void surfaceDestroyed(SurfaceHolder holder) {//重写surfaceDestroyed方法
        dt.flag = false;    //停止线程的执行
        dt = null;          //将dt指向的对象声明为垃圾
    }
}

4、绘制线程--DrawThread类

主要负责定时重绘屏幕和计算帧速率

 

package wyf.wpf;                //声明包语句
import android.graphics.Canvas;     //引入相关类
import android.view.SurfaceHolder;  //引入相关类
public class DrawThread extends Thread{
    BallView bv;                //BallView对象引用
    SurfaceHolder surfaceHolder;//SurfaceHolder对象引用
    boolean flag=false;         //线程执行标志位
    int sleepSpan = 30;         //休眠时间
    long start = System.nanoTime(); //记录起始时间，该变量用于计算帧速率
    int count=0;        //记录帧数，该变量用于计算帧速率
    //构造器
    public DrawThread(BallView bv,SurfaceHolder surfaceHolder){
        this.bv = bv;       //为BallView对象应用赋值
        this.surfaceHolder = surfaceHolder; //为SurfaceHolder对象应用赋值
        this.flag = true;       //设置标志位
    }
    //方法：线程的执行方法，用于绘制屏幕和计算帧速率
    public void run(){
        Canvas canvas = null;//声明一个Canvas对象
        while(flag){
            try{
                canvas = surfaceHolder.lockCanvas(null);//获取BallView的画布
                synchronized(surfaceHolder){
                    bv.doDraw(canvas);      //调用BallView的doDraw方法进行绘制
                }
            }
            catch(Exception e){
                e.printStackTrace();            //捕获并打印异常
            }
            finally{
                if(canvas != null){     //如果canvas不为空
                    surfaceHolder.unlockCanvasAndPost(canvas);//surfaceHolder解锁并将画布对象传回
                }
            }
            this.count++;
            if(count == 20){    //如果计满20帧
                count = 0;      //清空计数器
                long tempStamp = System.nanoTime();//获取当前时间
                long span = tempStamp - start;      //获取时间间隔
                start = tempStamp;                  //为start重新赋值
                double fps = Math.round(100000000000.0/span*20)/100.0;//计算帧速率
                bv.fps = "FPS:"+fps;//将计算出的帧速率设置到BallView的相应字符串对象中
            }
            try{
                Thread.sleep(sleepSpan);        //线程休眠一段时间
            }
            catch(Exception e){
                e.printStackTrace();        //捕获并打印异常
            }
        }
    }
}

5、Activity代码

 

package wyf.wpf;        //声明包语句
import android.app.Activity;    //引入相关类
import android.os.Bundle;   //引入相关类
import android.view.Window;//引入相关类
import android.view.WindowManager;//引入相关类
//继承自Activity的引用
public class Sample_7_1 extends Activity {
    BallView bv;        //BallView对象引用
    @Override
    public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        requestWindowFeature(Window.FEATURE_NO_TITLE);      //设置不显示标题
        getWindow().setFlags(                                   //设置为全屏模式
                WindowManager.LayoutParams.FLAG_FULLSCREEN,
                WindowManager.LayoutParams.FLAG_FULLSCREEN);
        bv = new BallView(this);    //创建BallView对象
        setContentView(bv);         //将屏幕设置为BallView对象
    }
}