“等一下，我碰！”——常见的 2D 碰撞检测

在2D游戏开发中，碰撞检测（Collision Detection）是构建物理交互的核心技术。无论是角色跳跃踩到平台、子弹击中敌人，还是玩家推动箱子，都离不开精准的碰撞判断。一句“等一下，我碰！”不仅是对碰撞瞬间的生动描述，更是开发者调试碰撞逻辑时的真实写照。本文将系统梳理2D碰撞检测的常见方法、实现原理及优化策略，帮助开发者高效解决碰撞问题。

一、碰撞检测的基础概念

1. 碰撞检测的核心目标

碰撞检测的核心是判断两个或多个游戏对象是否在空间上重叠。其结果直接影响游戏逻辑：

• 触发事件：如拾取道具、进入传送门。
• 物理响应：如反弹、停止移动。
• 伤害判定：如子弹击中目标。

2. 碰撞检测的分类

根据精度和复杂度，碰撞检测可分为：

• 离散碰撞检测（Discrete CD）：在固定时间步长内检测碰撞，适用于大多数2D游戏。
• 连续碰撞检测（Continuous CD）：预测对象运动轨迹，避免高速物体“穿模”，常见于物理引擎。
• 像素级碰撞检测：逐像素判断重叠，精度最高但计算量最大。

二、常见的2D碰撞检测方法

1. 轴对齐边界框（AABB, Axis-Aligned Bounding Box）

原理：用矩形框包围游戏对象，通过比较矩形边距判断碰撞。
优点：计算简单，效率高。
缺点：无法处理旋转对象或非矩形形状。

代码示例（Python伪代码）：

def aabb_check(box1, box2):
    # box格式: (x, y, width, height)
    return (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)

应用场景：

• 角色与平台、墙壁的碰撞。
• 简单道具的拾取检测。

2. 圆形碰撞检测

原理：用圆形包围对象，通过圆心距离与半径之和比较判断碰撞。
优点：适合旋转对象，计算量小。
缺点：精度低于矩形，不适用于长条形对象。

代码示例：

import math
def circle_check(circle1, circle2):
    # circle格式: (x, y, radius)
    dx = circle1.x - circle2.x
    dy = circle1.y - circle2.y
    distance = math.sqrt(dx*dx + dy*dy)
    return distance < (circle1.radius + circle2.radius)

应用场景：

• 子弹与敌人的碰撞。
• 粒子效果中的碰撞。

3. 像素级碰撞检测

原理：将对象渲染到离屏画布，逐像素比较透明度判断重叠。
优点：精度最高，适合复杂形状。
缺点：性能开销大，需优化。

优化策略：

• 分层检测：先用AABB或圆形粗检，再像素级精检。
• 掩码图（Mask）：预生成对象的透明度掩码，减少实时计算。

代码示例（HTML5 Canvas）：

function pixelPerfectCheck(obj1, obj2, ctx) {
    // 渲染对象到离屏画布
    ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
    ctx.drawImage(obj1.image, obj1.x, obj1.y);
    const data1 = ctx.getImageData(obj1.x, obj1.y, obj1.width, obj1.height).data;
    ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
    ctx.drawImage(obj2.image, obj2.x, obj2.y);
    const data2 = ctx.getImageData(obj2.x, obj2.y, obj2.width, obj2.height).data;
    // 逐像素比较（简化版）
    for (let i = 0; i < data1.length; i += 4) {
        if (data1[i+3] > 0 && data2[i] > 0) { // 非透明像素重叠
            return true;
        }
    }
    return false;
}

应用场景：

• 角色与复杂地形的交互。
• 精细的物理模拟（如碎裂效果）。

三、碰撞检测的优化策略

1. 空间分区（Spatial Partitioning）

原理：将游戏世界划分为网格或四叉树，仅检测相邻区域的碰撞。
优点：减少不必要的检测次数。
实现示例：

class Grid:
    def __init__(self, cell_size):
        self.cell_size = cell_size
        self.grid = {}
    def add_object(self, obj):
        cell_x = int(obj.x // self.cell_size)
        cell_y = int(obj.y // self.cell_size)
        key = (cell_x, cell_y)
        if key not in self.grid:
            self.grid[key] = []
        self.grid[key].append(obj)
    def get_nearby_objects(self, obj):
        cell_x = int(obj.x // self.cell_size)
        cell_y = int(obj.y // self.cell_size)
        nearby = []
        for dx in [-1, 0, 1]:
            for dy in [-1, 0, 1]:
                key = (cell_x + dx, cell_y + dy)
                if key in self.grid:
                    nearby.extend(self.grid[key])
        return nearby

2. 宽相位检测（Broad Phase vs Narrow Phase）

流程：

1. 宽相位：用简单形状（如AABB）快速排除不可能碰撞的对象。
2. 窄相位：对可能碰撞的对象进行精确检测（如像素级）。

示例：

def detect_collisions(objects):
    # 宽相位：AABB粗检
    potential_pairs = []
    for i in range(len(objects)):
        for j in range(i+1, len(objects)):
            if aabb_check(objects[i].bbox, objects[j].bbox):
                potential_pairs.append((objects[i], objects[j]))
    # 窄相位：精确检测
    collisions = []
    for obj1, obj2 in potential_pairs:
        if obj1.type == "pixel" and obj2.type == "pixel":
            if pixelPerfectCheck(obj1, obj2, ctx):
                collisions.append((obj1, obj2))
        elif circle_check(obj1.circle, obj2.circle):
            collisions.append((obj1, obj2))
    return collisions

3. 避免“穿模”问题

高速物体穿模：当对象速度过快时，可能在一个时间步长内穿过障碍物。
解决方案：

• 缩小时间步长：增加物理更新频率。
• 连续碰撞检测（CCD）：预测对象轨迹，计算首次碰撞时间。
• 射线检测：从对象起点向终点发射射线，判断是否与障碍物相交。

射线检测示例：

def ray_cast(start, end, obstacles):
    for obstacle in obstacles:
        if line_intersects_rect(start, end, obstacle.bbox):
            return True
    return False

四、实际开发中的建议

1. 根据游戏类型选择方法：

   • 平台游戏：优先用AABB。
   • 射击游戏：圆形+AABB混合。
   • 策略游戏：网格分区+宽相位。

2. 性能优先：

   • 移动端避免像素级检测。
   • 复杂场景使用四叉树或网格分区。

3. 调试工具：

   • 绘制碰撞框（Debug模式）。
   • 记录碰撞事件日志。

4. 物理引擎集成：

   • 轻量级游戏可自行实现碰撞逻辑。
   • 复杂物理建议使用Box2D、Chipmunk等引擎。

五、总结

2D碰撞检测是游戏开发的基石，从简单的AABB到复杂的像素级检测，每种方法都有其适用场景。开发者需根据游戏需求、性能预算和精度要求灵活选择。通过空间分区、宽窄相位分离等优化策略，可以显著提升碰撞检测的效率。记住，“等一下，我碰！”不仅是调试时的口头禅，更是对碰撞逻辑严谨性的提醒——精准的碰撞检测，才能让游戏世界真正“活”起来。