32. 更加有效地墙壁反弹

本文探讨了点积在游戏开发中实现物理碰撞和反弹效果的应用,通过数学原理简化了碰撞处理过程,展示了如何利用点积计算物体与墙面的交互,实现更高效的游戏物理系统。

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32. Bouncing Off The Walls, More Productively

In a previous post we saw one way to bounce a ball off walls, by using angles and rotation. In maths, there are often several ways to approach a problem, with different techniques that can be used to achieve the same result. In this post, I’m going to solvethe same problem of bouncing off the walls, but using a different technique: the dot product.

 

前一篇文章里我们看到一种利用角度和旋转实现小球从墙壁反弹的方法在数学中,经常有几种方法处理问题,用不同的方法,可以用来实现相同的结果。在这篇文章中,我要去解决同样的问题,从墙壁反弹,但使用一种不同的技术:点积。

Rethinking Bouncing

重新思考反弹

One way to think about bouncing off a wall is that the angle gets reflected around the surface normal (the dotted line), as we saw last time:

考虑墙壁反弹的一种方式是角度围绕法线(虚线)发生反射,正如我们上次看到:

Another way to think about the bouncing is that the velocity parallel to the surface (perpendicular to the normal) is maintained, and the velocity perpendicular to the surface (parallel to the normal) is reversed. This can be seen in the diagram below — the coloured vectors on the left are equivalent to the sum of their dotted/dashed counterparts on the right, where the component parallel to the surface is kept constant, but the component perpendicular to the surface is reversed:

另一种思考反弹的方式是维持平行于平面(垂直于法线)的速度,而反转垂直于平面(平行于法线)的速度。这可以看到如下图中,左边的彩色矢量相当于右边它们的点线/虚线对应部分的总和,其中平行于平面的分量保持不变,但是垂直于平面的分量是颠倒过来的:

Implementing this for horizontal or vertical walls is easy, but how do you do this when the normal is at an arbitrary angle, such as the jaws of the pocket?

对于垂直或水平的墙壁实现起来是容易的,但是当法线是某个特定角度时该怎么办,比如在袋口拐角处?

The Dot Product

点积

What we need to do is be able to split a vector into two components: one being the distance in the direction along the normal, the other being the distance along a vector perpendicular to the normal. The easiest way to do this is to use something called the dot product. The dot product of two vectors refers to multiplying the X components together, and the Y components together:

我们所需要做的就是可以把一个向量分成两个分量:一个是沿着法线方向的距离,另一个是沿着一个垂直于法线的向量的距离。最简单的方法是使用所谓的点积。两个向量的点积是指将其X分量和Y分量分别相乘:

\begin{pmatrix} \text{aX} \\ \text{aY} \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} \text{bX} \\ \text{bY} \end{pmatrix} = \text{aX} \times \text{bX} + \text{aY} \times \text{bY}

By itself, this is of no use, but the dot product has an important theorem attached to it:

就其本身而言,这是毫无用处的,但是点积有一个重要的定理附加到它:

\textbf{a} \cdot \textbf{b} = |\textbf{a}| \times |\textbf{b}| \times \cos(\text{angle})

(where a and b are vectors, angle is the angle between them, and |a| is the length of the vector, which can be calculated using Pythagoras.) The reason this is useful is that if you have two vectors, calculating what is known as the “projection” of one on to another looks like this:

(a和b是向量,angle是他们的夹角,而|a|是向量的长度,可以通过勾股定理算出。)这是非常有用的,原因是如果你有两个向量,计算被称为一个到另一个的“投影”,看起来像这样:

The distance along the new vector is \text{dist} = |\textbf{a}| \times cos(\text{angle}), which from rearranging the dot product result, we know to be:

\displaystyle\frac{\textbf{a} \cdot \textbf{b}}{|\textbf{b}|} = |\textbf{a}| \times \cos(\text{angle}) = \text{dist}

沿着新向量的距离是\text{dist} = |\textbf{a}| \times cos(\text{angle}),通过对点积结果变形我们得到:\displaystyle\frac{\textbf{a} \cdot \textbf{b}}{|\textbf{b}|} = |\textbf{a}| \times \cos(\text{angle}) = \text{dist}

So, we can add a method to calculate the distance along a particular vector, using\displaystyle\frac{\textbf{a} \cdot \textbf{b}}{|\textbf{b}|}:

于是,我们可以添加一个方法去计算沿着一个特殊向量的距离,使用\displaystyle\frac{\textbf{a} \cdot \textbf{b}}{|\textbf{b}|}

    private double distAlong(double x, double y, double xAlong, double yAlong)
    {
        return (x * xAlong + y * yAlong) / Math.hypot(xAlong, yAlong);
        
    }

Get Bouncing

得到反弹

Our aim in this post is to bounce off walls. So we can use that distAlong method to calculate the distance along the normal, and reverse it. But we also need to calculate the distance along a vector perpendicular to the normal (parallel to the wall). How can we calculate a vector that’s perpendicular to the normal? It turns out that in 2D there’s a really quick, simple way to rotate a vector 90 degrees: swap the X and Y components and negate one of them (challenge for you: why/how does this work?). That gives our final code for doing the bouncing:

我们的目标在这篇文章是反弹墙壁。所以我们可以使用distAlong方法计算沿着法线的距离,并反转它。但我们也需要计算沿着一个垂直于法线(平行墙壁)的向量的距离。我们如何计算一个垂直于法线的向量呢?事实证明,在2d环境下有一个真正快速、简单的方法能够旋转矢量90度:交换X和Y分量并将其中之一取反(挑战你:为什么/这是如何工作的呢?)。这给了我们最后的反弹代码:

                double normalX = w.getNormalX((int)newX, (int)newY, b.getRadius());
                double normalY = w.getNormalY((int)newX, (int)newY, b.getRadius());
                double distPerpWall = distAlong(vx, vy, normalX, normalY);
                double distParWall = distAlong(vx, vy, normalY, -normalX);
                
                //Bounce:
                distPerpWall = -distPerpWall;
                
                vx = distParWall * normalY + distPerpWall * normalX;
                vy = distParWall * -normalX + distPerpWall * normalY;

As a reminder of what that code is doing, here’s a final diagram. First (1), we calculate the normal (the black dashed line, below). Then (2) we split the incoming velocity, vx and vy, into the distance perpendicular to the wall (the orange dashed arrow, below) and the distance parallel to the wall (the orange dotted arrow, below). Next (3) we flip the direction of the dashed arrow to get the resulting blue arrows describing the velocity after the bounce, and (4) we convert the sum of those two vectors back into the new velocity, which we store back into vx and vy:

这里有一个最后的图来展示代码是如何工作的。第一个(1),我们计算出法线(黑色虚线,下图)。然后(2)我们将入射的速度,vx和vy,分解为垂直于墙壁(橙色的虚线箭头,下图)的距离和平行墙壁(橙色点线箭头,下图)的距离。接下来(3)我们翻转虚线箭头的方向来得到用于描述反弹后速度的蓝色箭头,同时(4)我们将这两个向量的和转换回去得到新的速度,并将其存回vx和vy:

 

I haven’t bothered to upload the new scenario, because it behaves identically tothe previous scenario! Next post we will finally implement collisions between the balls (which will again use the dot product), and then I will upload the final scenario featuring this code and the ball collision code.

我没有耐心上传新场景,因为它所表现的行为和前面的场景完全相同!下一篇文章我们将最终实现球之间的碰撞(这将再次使用点积),然后我将上传最后的场景展示这个代码和球碰撞的代码。

资源下载链接为: https://pan.quark.cn/s/1bfadf00ae14 “STC单片机电压测量”是一个以STC系列单片机为基础的电压检测应用案例,它涵盖了硬件电路设计、软件编程以及数据处理等核心知识点。STC单片机凭借其低功耗、高性价比和丰富的I/O接口,在电子工程领域得到了广泛应用。 STC是Specialized Technology Corporation的缩写,该公司的单片机基于8051内核,具备内部振荡器、高速运算能力、ISP(在系统编程)和IAP(在应用编程)功能,非常适合用于各种嵌入式控制系统。 在源代码方面,“浅雪”风格的代码通常简洁易懂,非常适合初学者学习。其中,“main.c”文件是程序的入口,包含了电压测量的核心逻辑;“STARTUP.A51”是启动代码,负责初始化单片机的硬件环境;“电压测量_uvopt.bak”和“电压测量_uvproj.bak”可能是Keil编译器的配置文件备份,用于设置编译选项和项目配置。 对于3S锂电池电压测量,3S锂电池由三节锂离子电池串联而成,标称电压为11.1V。测量时需要考虑电池的串联特性,通过分压电路将高电压转换为单片机可接受的范围,并实时监控,防止过充或过放,以确保电池的安全和寿命。 在电压测量电路设计中,“电压测量.lnp”文件可能包含电路布局信息,而“.hex”文件是编译后的机器码,用于烧录到单片机中。电路中通常会使用ADC(模拟数字转换器)将模拟电压信号转换为数字信号供单片机处理。 在软件编程方面,“StringData.h”文件可能包含程序中使用的字符串常量和数据结构定义。处理电压数据时,可能涉及浮点数运算,需要了解STC单片机对浮点数的支持情况,以及如何高效地存储和显示电压值。 用户界面方面,“电压测量.uvgui.kidd”可能是用户界面的配置文件,用于显示测量结果。在嵌入式系统中,用
资源下载链接为: https://pan.quark.cn/s/abbae039bf2a 在 Android 开发中,Fragment 是界面的一个模块化组件,可用于在 Activity 中灵活地添加、删除或替换。将 ListView 集成到 Fragment 中,能够实现数据的动态加载与列表形式展示,对于构建复杂且交互丰富的界面非常有帮助。本文将详细介绍如何在 Fragment 中使用 ListView。 首先,需要在 Fragment 的布局文件中添加 ListView 的 XML 定义。一个基本的 ListView 元素代码如下: 接着,创建适配器来填充 ListView 的数据。通常会使用 BaseAdapter 的子类,如 ArrayAdapter 或自定义适配器。例如,创建一个简单的 MyListAdapter,继承自 ArrayAdapter,并在构造函数中传入数据集: 在 Fragment 的 onCreateView 或 onActivityCreated 方法中,实例化 ListView 和适配器,并将适配器设置到 ListView 上: 为了提升用户体验,可以为 ListView 设置点击事件监听器: 性能优化也是关键。设置 ListView 的 android:cacheColorHint 属性可提升滚动流畅度。在 getView 方法中复用 convertView,可减少视图创建,提升性能。对于复杂需求,如异步加载数据,可使用 LoaderManager 和 CursorLoader,这能更好地管理数据加载,避免内存泄漏,支持数据变更时自动刷新。 总结来说,Fragment 中的 ListView 使用涉及布局设计、适配器创建与定制、数据绑定及事件监听。掌握这些步骤,可构建功能强大的应用。实际开发中,还需优化 ListView 性能,确保应用流畅运
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