【Rust光年纪】探索Rust中的物理引擎库：功能、安装与API概览

friklogff2024-08-31 16:17

助力游戏开发：Rust中几款强大的物理引擎库介绍

前言

随着Rust编程语言的日益流行，越来越多的开发者开始在Rust中构建游戏和图形应用程序。物理引擎是这些应用程序中不可或缺的一部分，而Rust社区也涌现出许多优秀的物理引擎库，本文将介绍其中一些备受关注的物理引擎库及其特点。

欢迎订阅专栏：Rust光年纪

文章目录

  • 助力游戏开发：Rust中几款强大的物理引擎库介绍
    • 前言
    • [1. rapier：一个Rust中的实时物理引擎](#1. rapier：一个Rust中的实时物理引擎)
      • [1.1 简介](#1.1 简介)
        • [1.1.1 核心功能](#1.1.1 核心功能)
        • [1.1.2 使用场景](#1.1.2 使用场景)
      • [1.2 安装与配置](#1.2 安装与配置)
        • [1.2.1 安装指南](#1.2.1 安装指南)
        • [1.2.2 基本配置](#1.2.2 基本配置)
      • [1.3 API 概览](#1.3 API 概览)
        • [1.3.1 物体管理](#1.3.1 物体管理)
        • [1.3.2 碰撞检测](#1.3.2 碰撞检测)
    • [2. nphysics：一个Rust中的2D和3D物理引擎](#2. nphysics：一个Rust中的2D和3D物理引擎)
      • [2.1 简介](#2.1 简介)
        • [2.1.1 核心功能](#2.1.1 核心功能)
        • [2.1.2 使用场景](#2.1.2 使用场景)
      • [2.2 安装与配置](#2.2 安装与配置)
        • [2.2.1 安装指南](#2.2.1 安装指南)
        • [2.2.2 基本配置](#2.2.2 基本配置)
      • [2.3 API 概览](#2.3 API 概览)
        • [2.3.1 动力学模拟](#2.3.1 动力学模拟)
        • [2.3.2 碰撞响应](#2.3.2 碰撞响应)
    • [3. bevy_rapier：Bevy游戏引擎的Rapier集成](#3. bevy_rapier：Bevy游戏引擎的Rapier集成)
      • [3.1 简介](#3.1 简介)
        • [3.1.1 核心功能](#3.1.1 核心功能)
        • [3.1.2 使用场景](#3.1.2 使用场景)
      • [3.2 安装与配置](#3.2 安装与配置)
        • [3.2.1 安装方法](#3.2.1 安装方法)
        • [3.2.2 基本设置](#3.2.2 基本设置)
      • [3.3 API 概览](#3.3 API 概览)
        • [3.3.1 物理组件](#3.3.1 物理组件)
        • [3.3.2 碰撞系统](#3.3.2 碰撞系统)
    • [4. parry：用于2D物理碰撞处理的库](#4. parry：用于2D物理碰撞处理的库)
      • [4.1 简介](#4.1 简介)
        • [4.1.1 核心功能](#4.1.1 核心功能)
        • [4.1.2 使用场景](#4.1.2 使用场景)
      • [4.2 安装与配置](#4.2 安装与配置)
        • [4.2.1 安装指导](#4.2.1 安装指导)
        • [4.2.2 基本配置](#4.2.2 基本配置)
      • [4.3 API 概览](#4.3 API 概览)
        • [4.3.1 碰撞形状](#4.3.1 碰撞形状)
        • [4.3.2 空间划分](#4.3.2 空间划分)
    • [5. ggez：轻量级的游戏引擎，内置物理支持](#5. ggez：轻量级的游戏引擎，内置物理支持)
      • [5.1 简介](#5.1 简介)
        • [5.1.1 核心功能](#5.1.1 核心功能)
        • [5.1.2 使用场景](#5.1.2 使用场景)
      • [5.2 安装与配置](#5.2 安装与配置)
        • [5.2.1 安装说明](#5.2.1 安装说明)
        • [5.2.2 基本配置](#5.2.2 基本配置)
      • [5.3 API 概览](#5.3 API 概览)
        • [5.3.1 渲染与更新循环](#5.3.1 渲染与更新循环)
        • [5.3.2 简单物理模拟](#5.3.2 简单物理模拟)
    • [6. kiss3d：简单易用的3D图形引擎，支持物理引擎](#6. kiss3d：简单易用的3D图形引擎，支持物理引擎)
      • [6.1 简介](#6.1 简介)
        • [6.1.1 核心功能](#6.1.1 核心功能)
        • [6.1.2 使用场景](#6.1.2 使用场景)
      • [6.2 安装与配置](#6.2 安装与配置)
        • [6.2.1 安装方法](#6.2.1 安装方法)
        • [6.2.2 基本设置](#6.2.2 基本设置)
      • [6.3 API 概览](#6.3 API 概览)
        • [6.3.1 渲染对象](#6.3.1 渲染对象)
        • [6.3.2 碰撞检测支持](#6.3.2 碰撞检测支持)
    • 总结

1. rapier：一个Rust中的实时物理引擎

1.1 简介

rapier是一个实时的3D和2D物理引擎，用于解决游戏和模拟中的物理交互问题。它被设计为高性能、易用且可扩展的，并提供了一套完整的API来管理物理世界。

1.1.1 核心功能
  • 2D 和 3D 物理仿真
  • 碰撞检测和解决
  • 软体和刚体动力学模拟
  • 高性能并行计算
1.1.2 使用场景

rapier适用于游戏引擎、建模仿真、虚拟现实等需要物理交互的领域。

1.2 安装与配置

1.2.1 安装指南

安装rapier可以通过Cargo，在项目的Cargo.toml文件中添加如下依赖：

toml 复制代码 
[dependencies]
rapier3d = "0.6"

更多详细的安装指南请参考 rapier官方文档

1.2.2 基本配置

在代码中使用rapier之前，需要进行一些基本的配置。例如创建物理世界、设置重力等：

rust 复制代码 
use rapier3d::dynamics::{RigidBodyBuilder, RigidBodySet};
use rapier3d::geometry::ColliderBuilder;
use rapier3d::pipeline::PhysicsPipeline;

fn main() {
    // 创建物理世界
    let mut pipeline = PhysicsPipeline::new();
    let mut bodies = RigidBodySet::new();

    // 设置重力
    pipeline.set_gravity([0.0, -9.81, 0.0]);

    // ... 其他配置
}

更多的基本配置方法和选项请参考 rapier配置说明

1.3 API 概览

1.3.1 物体管理

使用rapier管理物理世界的物体包括创建刚体，添加碰撞器等操作。以下是一个简单的示例：

rust 复制代码 
use rapier3d::dynamics::{RigidBodyBuilder, RigidBodySet};
use rapier3d::geometry::ColliderBuilder;

fn create_rigid_body_and_collider(bodies: &mut RigidBodySet) -> (usize, usize) {
    let rigid_body = RigidBodyBuilder::new_dynamic().build();
    let collider = ColliderBuilder::cuboid(1.0, 2.0, 1.0).build();
    (bodies.insert(rigid_body), collider)
}

fn main() {
    let mut bodies = RigidBodySet::new();
    let mut colliders = ColliderSet::new();

    // 创建一个刚体和碰撞器
    let (body_handle, collider_handle) = create_rigid_body_and_collider(&mut bodies);

    // 添加到物理世界
    colliders.insert(collider, body_handle, &mut bodies);
}

更多关于物体管理的API详情请参考 rapier物体管理API

1.3.2 碰撞检测

rapier支持各种类型的碰撞检测，包括几何体之间的碰撞检测和射线检测。以下是一个简单的碰撞检测示例：

rust 复制代码 
use rapier3d::prelude::*;

fn main() {
    let mut physics_pipeline = PhysicsPipeline::new();

    // 准备碰撞检测参数
    let query = GeometricQueryType::Contacts(0.0, 0.0);

    // 执行碰撞检测
    let proximity_pairs = physics_pipeline.contact_pairs(
        &world,
        &colliders,
        &bodies,
        &query,
        &mut event_handler
    );
}

以上是rapier物理引擎的简要介绍和基本示例。您可以在 rapier GitHub 页面 上找到更多详细信息和完整的API文档。

2. nphysics：一个Rust中的2D和3D物理引擎

2.1 简介

nphysics 是一个在 Rust 语言中实现的 2D 和 3D 物理引擎。它提供了强大的动力学模拟和碰撞响应功能，可以用于游戏开发、虚拟仿真等领域。

2.1.1 核心功能
  • 实现了刚体、关节、碰撞体等物理实体的建模和仿真。
  • 提供了丰富的碰撞检测和碰撞响应算法。
  • 支持多种约束类型，如距离约束、旋转约束等。
2.1.2 使用场景

nphysics 可以被广泛应用于游戏开发、虚拟仿真、物理学教学等领域，适合需要精确物理模拟的场景。

2.2 安装与配置

2.2.1 安装指南

要使用 nphysics，首先需要在 Cargo.toml 文件中添加 nphysics 的依赖：

toml 复制代码 
[dependencies]
nphysics2d = "0.16"

对于 3D 物理引擎，可以添加 nphysics3d 依赖：

toml 复制代码 
[dependencies]
nphysics3d = "0.16"

更多安装详情请参考 nphysics 官方文档。

2.2.2 基本配置

在使用 nphysics 之前，需要进行一些基本的配置，如创建物理仿真世界、定义物理实体等。

rust 复制代码 
use nphysics2d::object::{World, RigidBodyDesc, ColliderDesc};
use nphysics2d::nalgebra::Vector2;

fn main() {
    // 创建物理仿真世界
    let mut world = World::new();

    // 定义刚体描述
    let rb_desc = RigidBodyDesc::new()
        .translation(Vector2::new(1.0, 1.0));

    // 在世界中创建刚体
    let rb_handle = world.add_rigid_body(rb_desc.build());

    // 定义碰撞体描述
    let collider_desc = ColliderDesc::cuboid(1.0, 1.0);

    // 将碰撞体绑定到刚体上
    world.add_collider(collider_desc.build(), &rb_handle);
}

2.3 API 概览

2.3.1 动力学模拟

nphysics 提供了丰富的动力学模拟功能，包括力学系统的建模、运动方程求解等。下面是一个简单的例子，演示了如何施加力来模拟刚体的运动：

rust 复制代码 
use nphysics2d::object::{RigidBody, RigidBodyDesc};
use nphysics2d::nalgebra::Vector2;

fn main() {
    // 创建刚体描述
    let rb_desc = RigidBodyDesc::new()
        .translation(Vector2::new(0.0, 0.0));

    // 创建刚体
    let mut rb = rb_desc.build();

    // 施加一个向右的力
    rb.apply_force(Vector2::new(10.0, 0.0), true);
}
2.3.2 碰撞响应

nphysics还支持碰撞检测和响应。下面是一个简单的示例，展示了如何创建两个3D立方体并让它们发生碰撞。

rust 复制代码 
use nphysics3d::object::{RigidBodyDesc, ColliderDesc};
use nalgebra::Vector3;

fn main() {
    let mut world = nphysics3d::world::World::new();
    let rb1 = RigidBodyDesc::new().translation(Vector3::x()).build();
    let rb2 = RigidBodyDesc::new().translation(Vector3::x() * 2.0).build();
    let collider1 = ColliderDesc::cuboid(1.0, 1.0, 1.0).density(1.0);
    let collider2 = ColliderDesc::cuboid(1.0, 1.0, 1.0).density(1.0);
    
    let body1_handle = world.add_rigid_body(rb1);
    let body2_handle = world.add_rigid_body(rb2);
    
    world.add_collider(0.1, collider1, &body1_handle);
    world.add_collider(0.1, collider2, &body2_handle);
}

官方链接：nphysics官方文档

3. bevy_rapier：Bevy游戏引擎的Rapier集成

3.1 简介

bevy_rapier 是将 Rapier 物理引擎集成到 Bevy 游戏引擎中的一个库，它提供了在 Bevy 中使用 Rapier 引擎进行物理模拟的功能。

3.1.1 核心功能
  • 将 Rapier 物理引擎无缝集成到 Bevy 游戏引擎中
  • 提供丰富的物理组件和系统，可用于实现游戏中的物理交互
3.1.2 使用场景

bevy_rapier 适用于开发基于 Bevy 的游戏项目，特别是需要复杂物理交互的游戏类型，如平台游戏、物理模拟游戏等。

3.2 安装与配置

3.2.1 安装方法

首先，在你的 Bevy 项目中的 Cargo.toml 文件中添加 bevy_rapier 依赖：

toml 复制代码 
[dependencies]
bevy = "0.5"
bevy_rapier = "0.4"

官方链接：bevy_rapier GitHub

3.2.2 基本设置

在项目的入口文件中，加载 bevy_rapier 插件并注册物理系统：

rust 复制代码 
use bevy::prelude::*;
use bevy_rapier::physics::RapierPlugin;

fn main() {
    App::build()
        .add_plugins(DefaultPlugins)
        .add_plugin(RapierPlugin)
        .run();
}

3.3 API 概览

3.3.1 物理组件

bevy_rapier 提供了一系列用于描述物理属性的组件，其中最常用的是 RigidBody 和 Collider 组件。以下是一个简单的例子：

rust 复制代码 
use bevy::prelude::*;
use bevy_rapier::rapier::dynamics::{RigidBody, RigidBodyBuilder};
use bevy_rapier::rapier::geometry::{Collider, ColliderBuilder};

fn spawn_dynamic_body(commands: &mut Commands) {
    commands.spawn_bundle(RigidBodyBuilder::new_dynamic().translation(1.0, 2.0).build());
}

fn spawn_collider(commands: &mut Commands, rigid_body: Entity) {
    commands.entity(rigid_body).insert_bundle(ColliderBuilder::cuboid(1.0, 2.0, 3.0).build());
}

官方文档：RigidBodyBuilder, ColliderBuilder

3.3.2 碰撞系统

bevy_rapier 包含了处理碰撞检测和响应的系统，可以轻松地实现碰撞效果。以下是一个示例代码：

rust 复制代码 
use bevy::prelude::*;
use bevy_rapier::rapier::geometry::{ColliderHandle, InteractionPairFilter, InteractionGroups};
use bevy_rapier::rapier::pipeline::PhysicsPipeline;

fn setup_collision_pipeline(mut pipelines: ResMut<Events<PhysicsPipeline>>, collider_handle: Res<ColliderHandle>) {
    let filter = InteractionPairFilter::new()
        .with_group(InteractionGroups::none())
        .with_pair(collider_handle, collider_handle);
    
    pipelines.send(PhysicsPipeline::SetContactPairFilters(Some(filter)));
}

官方文档：InteractionPairFilter, PhysicsPipeline

通过 bevy_rapier 库，开发者可以轻

4. parry：用于2D物理碰撞处理的库

4.1 简介

parry是一个用于2D物理碰撞处理的Rust库，提供了丰富的核心功能和灵活的使用场景。

4.1.1 核心功能

parry库的核心功能包括但不限于：

  • 碰撞检测
  • 碰撞响应
  • 空间划分
4.1.2 使用场景

parry适用于需要进行2D物理碰撞处理的场景，比如游戏开发、仿真模拟等领域。

4.2 安装与配置

4.2.1 安装指导

可以通过Cargo在Rust项目中添加parry作为依赖来安装parry库。在Cargo.toml文件中，添加以下内容：

toml 复制代码 
[dependencies]
parry = "0.6"

然后在代码中引入parry库即可使用。

详细安装指导请参考官方文档：parry安装指南

4.2.2 基本配置

parry库的基本配置主要涉及对碰撞体的创建、设置以及对空间划分的定义。以下是一个示例代码：

rust 复制代码 
use parry2d::shape::Cuboid;

let shape = Cuboid::new([1.0, 1.0]);

更多配置选项和详细说明，请参考官方文档：parry基本配置

4.3 API 概览

4.3.1 碰撞形状

parry库提供了丰富的碰撞形状，比如球体、盒子、多边形等。以下是一个简单的使用示例：

rust 复制代码 
use parry2d::shape::Ball;

let shape = Ball::new(1.0);

详细的碰撞形状API，请参考官方文档：parry碰撞形状API

4.3.2 空间划分

parry库支持空间划分技术，如BVH（Bounding Volume Hierarchy）等，可用于加速碰撞检测。以下是一个简单的使用示例：

rust 复制代码 
use parry2d::broad_phase::DBVTBroadPhase;

let broad_phase = DBVTBroadPhase::new();

更多关于空间划分的内容，请参考官方文档：parry空间划分API

5. ggez：轻量级的游戏引擎，内置物理支持

5.1 简介

ggez 是一个基于 Rust 语言的简单、易用的 2D 游戏框架，它内置了对物理模拟的支持，使得开发者能够轻松地创建具有物理效果的游戏。

5.1.1 核心功能
  • 提供图形渲染和用户交互的功能
  • 内置了对物理模拟的支持
  • 支持跨平台开发
5.1.2 使用场景

ggez 可以被广泛应用于开发2D游戏、交互式应用程序等项目中。

5.2 安装与配置

5.2.1 安装说明

首先，需要在本地安装 Rust 编程语言。然后通过 Cargo（Rust 的包管理工具）来创建新的 Rust 项目，并在 Cargo.toml 文件中添加 ggez 依赖。

toml 复制代码 
[dependencies]
ggez = "0.6"
5.2.2 基本配置

为了正常使用 ggez 进行开发，还需要配置好 Rust 开发环境，确保相关依赖项已经安装。

5.3 API 概览

5.3.1 渲染与更新循环

ggez 提供了一套简单的渲染及更新循环的 API，以下是一个基本的示例代码：

rust 复制代码 
use ggez::{Context, event, GameResult};
use ggez::graphics;

struct MainState {
    // 在此处定义状态变量
}

impl MainState {
    fn new() -> GameResult<MainState> {
        // 初始化状态并返回
    }
}

impl event::EventHandler for MainState {
    fn update(&mut self, _ctx: &mut Context) -> GameResult<()> {
        // 更新游戏逻辑
    }

    fn draw(&mut self, _ctx: &mut Context) -> GameResult<()> {
        // 绘制游戏画面
    }
}

fn main() -> GameResult {
    let (mut ctx, mut event_loop) = ggez::ContextBuilder::new("game_name", "author")
        .build()?;
    let game = &mut MainState::new()?;
    event::run(&mut ctx, &mut event_loop, game)
}

更多关于渲染和更新循环的信息可以访问 ggez 官方文档 进行查阅。

5.3.2 简单物理模拟

ggez 内置了简单的物理模拟功能，例如重力模拟。以下是一个简单的例子：

rust 复制代码 
use ggez::{Context, GameResult};
use ggez::event;
use ggez::graphics;

struct MainState {
    // 在此处定义状态变量
}

impl MainState {
    fn new() -> GameResult<MainState> {
        // 初始化状态并返回
    }
}

impl event::EventHandler for MainState {
    fn update(&mut self, _ctx: &mut Context) -> GameResult<()> {
        // 实现物理模拟的更新
    }

    fn draw(&mut self, _ctx: &mut Context) -> GameResult<()> {
        // 绘制受物理影响的游戏画面
    }
}

fn main() -> GameResult {
    let (mut ctx, mut event_loop) = ggez::ContextBuilder::new("game_name", "author")
        .build()?;
    let game = &mut MainState::new()?;
    event::run(&mut ctx, &mut event_loop, game)
}

更多关于 ggez 的物理模拟功能可以参考 ggez 官方文档 进行深入了解。

以上是对 ggez 游戏引擎的简要介绍和使用示例。希

6. kiss3d：简单易用的3D图形引擎，支持物理引擎

kiss3d是一个简单易用的3D图形引擎，它提供了物理引擎的支持，可以用于创建各种三维图形应用程序。

6.1 简介

6.1.1 核心功能
  • 提供简单易用的3D图形渲染接口
  • 支持基本的物理引擎功能，如碰撞检测和物体运动模拟
  • 可以用于创建交互式的3D图形应用程序
6.1.2 使用场景

kiss3d适用于需要快速构建简单3D图形应用程序的场景，比如展示、教育和简单的游戏开发等。

6.2 安装与配置

6.2.1 安装方法

你可以通过Cargo.toml文件将kiss3d添加到你的Rust项目中：

toml 复制代码 
[dependencies]
kiss3d = "0.23"

更多安装方式和依赖要求，请参考kiss3d官方文档

6.2.2 基本设置

在开始使用kiss3d之前，你需要进行一些基本的设置，比如创建一个窗口和初始化3D场景。以下是一个简单的示例代码：

rust 复制代码 
use kiss3d::light::Light;
use kiss3d::window::Window;

fn main() {
    let mut window = Window::new("kiss3d: cube");

    while window.render() {
        // 在这里添加对场景的操作和更新
    }
}

6.3 API 概览

6.3.1 渲染对象

kiss3d提供了丰富的渲染对象，比如球体、立方体和平面等。你可以使用这些对象来构建你的3D场景。下面是一个简单的示例代码，演示了如何创建一个红色的立方体并把它添加到场景中：

rust 复制代码 
use kiss3d::light::Light;
use kiss3d::window::Window;
use kiss3d::resource::Mesh;

fn main() {
    let mut window = Window::new("kiss3d: cube");

    let mut c = window.add_cube(1.0, 1.0, 1.0);
    c.set_color(1.0, 0.0, 0.0);  // 设置为红色

    while window.render() {
        // 在这里添加对场景的操作和更新
    }
}
6.3.2 碰撞检测支持

kiss3d提供了简单的碰撞检测支持，你可以通过intersects方法来检测两个对象是否发生碰撞。以下是一个简单的示例代码，演示了如何检测两个球体是否发生碰撞：

rust 复制代码 
use kiss3d::window::Window;
use kiss3d::resource::Mesh;
use nalgebra::Isometry3;

fn main() {
    let mut window = Window::new("kiss3d: collision detection");

    let mut s1 = window.add_sphere(0.5);
    let mut s2 = window.add_sphere(0.5);

    s1.set_color(1.0, 0.0, 0.0);
    s2.set_color(0.0, 1.0, 0.0);

    s1.prepend_to_local_rotation(&Isometry3::rotation(0.785398, &nalgebra::Vector3::y_axis()));

    while window.render() {
        if s1.intersects(&s2) {
            println!("Collision detected!");
        }
    }
}

以上是kiss3d的简单使用介绍和代码示例，更多API和功能请参考[kiss3d官方

总结

总体来说，Rust语言中的物理引擎库提供了丰富的功能和灵活的配置选项，为开发者构建高性能的游戏和图形应用程序提供了便利。从实时物理引擎到2D/3D物理引擎再到游戏引擎的集成，这些库覆盖了不同领域的需求，为Rust开发者提供了广泛的选择空间。无论是初学者还是有经验的开发者，都可以从本文中找到适合自己项目需求的物理引擎库，加速开发进程，提升应用性能。

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