Chrome 小恐龙游戏源码探究九 -- 游戏碰撞检测

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前言

上一篇文章：《 Chrome 小恐龙游戏源码探究八 -- 奔跑的小恐龙 》实现了小恐龙的绘制以及键盘对小恐龙的控制，这一篇文章中将实现游戏的碰撞检测。

碰撞检测原理

这个游戏采用的检测方法是盒子碰撞，这种检测方法最大的好处就是简单，但是缺点是不够精确。

首先，如果将小恐龙和障碍物分别看作两个大的盒子，那么进行碰撞检测的效果如下：

可以看出，两个盒子虽然有重叠部分，但是实际小恐龙并没有和障碍物相撞。

所以想要进行更精确的检测，需要把物体拆分成多个较小的盒子。例如：

但是拆分的时候也不能过于细致，否则运算的时候，很影响性能。

这个游戏中所进行的必要拆分如图所示：

这里值得一提的是，当小恐龙俯身时，只需要将其拆成一个大的盒子。因为当小恐龙俯身时，可以产生碰撞的部分只有前面，而在小恐龙前面碰撞一定会碰到它的头部。毕竟现在这个游戏中还没有那么矮小的障碍物，以至于刚好碰到小恐龙俯身时的下巴。

这就提示我们，如果想要对游戏进行扩展，添加新的障碍物，就要考虑到小恐龙当前的碰撞盒子是否需要进行调整，要确保当前的碰撞盒子可以正确检测出所有情况。

生成碰撞盒子

游戏中使用 CollisionBox 类来生成碰撞盒子：

/**
 * 用于生成碰撞盒子
 * @param {Number} x X 坐标
 * @param {Number} y Y坐标
 * @param {Number} w 宽度
 * @param {Number} h 高度
 */
function CollisionBox(x, y, w, h) {
  this.x = x;
  this.y = y;
  this.width = w;
  this.height = h;
};

小恐龙的碰撞盒子如下：

// 小恐龙的碰撞盒子
Trex.collisionBoxes = {
  DUCKING: [
    new CollisionBox(1, 18, 55, 25)
  ],
  RUNNING: [
    new CollisionBox(22, 0, 17, 16),
    new CollisionBox(1, 18, 30, 9),
    new CollisionBox(10, 35, 14, 8),
    new CollisionBox(1, 24, 29, 5),
    new CollisionBox(5, 30, 21, 4),
    new CollisionBox(9, 34, 15, 4)
  ]
};

障碍物的碰撞盒子如下：

Obstacle.types = [{
  type: 'CACTUS_SMALL',  // 小仙人掌
  width: 17,
  height: 35,
  yPos: 105,             // 在 canvas 上的 y 坐标
  multipleSpeed: 4,
  minGap: 120,           // 最小间距
  minSpeed: 0,           // 最低速度
+ collisionBoxes: [      // 碰撞盒子
+   new CollisionBox(0, 7, 5, 27),
+   new CollisionBox(4, 0, 6, 34),
+   new CollisionBox(10, 4, 7, 14),
+ ],
}, {
  type: 'CACTUS_LARGE',  // 大仙人掌
  width: 25,
  height: 50,
  yPos: 90,
  multipleSpeed: 7,
  minGap: 120,
  minSpeed: 0,
+ collisionBoxes: [      // 碰撞盒子
+   new CollisionBox(0, 12, 7, 38),
+   new CollisionBox(8, 0, 7, 49),
+   new CollisionBox(13, 10, 10, 38),
+ ],
}, {
  type: 'PTERODACTYL',   // 翼龙
  width: 46,
  height: 40,
  yPos: [ 100, 75, 50 ], // y 坐标不固定
  multipleSpeed: 999,
  minSpeed: 8.5,
  minGap: 150,
  numFrames: 2,          // 两个动画帧  
  frameRate: 1000 / 6,   // 帧率（一帧的时间）
  speedOffset: 0.8,      // 速度修正
+ collisionBoxes: [      // 碰撞盒子
+   new CollisionBox(15, 15, 16, 5),
+   new CollisionBox(18, 21, 24, 6),
+   new CollisionBox(2, 14, 4, 3),
+   new CollisionBox(6, 10, 4, 7),
+   new CollisionBox(10, 8, 6, 9),
+ ],
}];

添加碰撞盒子

在 Obstacle 类上添加属性：

function Obstacle(canvas, type, spriteImgPos, dimensions,
  gapCoefficient, speed, opt_xOffset) {
  //...

+ this.collisionBoxes = []; // 存储碰撞盒子
  
  // ...
}

添加方法，用于拷贝障碍物的碰撞盒子：

Obstacle.prototype = {
  // 复制碰撞盒子
  cloneCollisionBoxes: function() {
    var collisionBoxes = this.typeConfig.collisionBoxes;

    for (var i = collisionBoxes.length - 1; i >= 0; i--) {
      this.collisionBoxes[i] = new CollisionBox(collisionBoxes[i].x,
        collisionBoxes[i].y, collisionBoxes[i].width,
        collisionBoxes[i].height);
    }
  },
};

然后，调用这个方法来初始化障碍物的碰撞盒子：

Obstacle.prototype = {
  init: function () {
+   this.cloneCollisionBoxes(); 

    // ...
  },
};

这里需要对仙人掌中间的碰撞盒子进行调整：

Obstacle.prototype = {
  init: function () {
    // ...

    // 调整中间的碰撞盒子的大小
    //      ____        ______        ________
    //    _|   |-|    _|     |-|    _|       |-|
    //   | |<->| |   | |<--->| |   | |<----->| |
    //   | | 1 | |   | |  2  | |   | |   3   | |
    //   |_|___|_|   |_|_____|_|   |_|_______|_|
    //
    if (this.size > 1) {
      this.collisionBoxes[1].width = this.width - this.collisionBoxes[0].width -
          this.collisionBoxes[2].width;
      this.collisionBoxes[2].x = this.width - this.collisionBoxes[2].width;
    }

    // ...
  },
};

碰撞检测

首先，检测矩形四个边的相对位置，来判断两个矩形是否相交：

/**
 * 比较两个矩形是否相交
 * @param {CollisionBox} tRexBox 小恐龙的碰撞盒子
 * @param {CollisionBox} obstacleBox 障碍物的碰撞盒子
 */
function boxCompare(tRexBox, obstacleBox) {
  var crashed = false;

  // 两个矩形相交
  if (tRexBox.x < obstacleBox.x + obstacleBox.width &&
      tRexBox.x + tRexBox.width > obstacleBox.x &&
      tRexBox.y < obstacleBox.y + obstacleBox.height &&
      tRexBox.height + tRexBox.y > obstacleBox.y) {
    crashed = true;
  }

  return crashed;
};

然后调用这个方法，判断小恐龙和障碍物是否碰撞的逻辑如下：

/**
 * 检测盒子是否碰撞
 * @param {Object} obstacle 障碍物
 * @param {Object} tRex 小恐龙
 * @param {HTMLCanvasContext} opt_canvasCtx 画布上下文
 */
function checkForCollision(obstacle, tRex, opt_canvasCtx) {
  // 调整碰撞盒子的边界，因为小恐龙和障碍物有 1 像素的白边
  var tRexBox = new CollisionBox(     // 小恐龙最外层的碰撞盒子
      tRex.xPos + 1,
      tRex.yPos + 1,
      tRex.config.WIDTH - 2,
      tRex.config.HEIGHT - 2);

  var obstacleBox = new CollisionBox( // 障碍物最外层的碰撞盒子
      obstacle.xPos + 1,
      obstacle.yPos + 1,
      obstacle.typeConfig.width * obstacle.size - 2,
      obstacle.typeConfig.height - 2);

  // 绘制调试边框
  if (opt_canvasCtx) {
    drawCollisionBoxes(opt_canvasCtx, tRexBox, obstacleBox);
  }

  // 检查最外层的盒子是否碰撞
  if (boxCompare(tRexBox, obstacleBox)) {
    var collisionBoxes = obstacle.collisionBoxes;

    // 小恐龙有两种碰撞盒子，分别对应小恐龙站立状态和低头状态
    var tRexCollisionBoxes = tRex.ducking ?
        Trex.collisionBoxes.DUCKING : Trex.collisionBoxes.RUNNING;

    // 检测里面小的盒子是否碰撞
    for (var t = 0; t < tRexCollisionBoxes.length; t++) {
      for (var i = 0; i < collisionBoxes.length; i++) {
        // 调整碰撞盒子的实际位置（除去小恐龙和障碍物上 1 像素的白边）
        var adjTrexBox =
            createAdjustedCollisionBox(tRexCollisionBoxes[t], tRexBox);
        var adjObstacleBox =
            createAdjustedCollisionBox(collisionBoxes[i], obstacleBox);
        var crashed = boxCompare(adjTrexBox, adjObstacleBox);

        // 绘制调试边框
        if (opt_canvasCtx) {
          drawCollisionBoxes(opt_canvasCtx, adjTrexBox, adjObstacleBox);
        }

        if (crashed) {
          return [adjTrexBox, adjObstacleBox];
        }
      }
    }
  }
  return false;
};

/**
 * 调整碰撞盒子
 * @param {!CollisionBox} box 原始的盒子
 * @param {!CollisionBox} adjustment 要调整成的盒子
 * @return {CollisionBox} 被调整的盒子对象
 */
function createAdjustedCollisionBox(box, adjustment) {
  return new CollisionBox(
    box.x + adjustment.x,
    box.y + adjustment.y,
    box.width,
    box.height);
};

/**
 * 绘制碰撞盒子的边框
 * @param {HTMLCanvasContext} canvasCtx canvas 上下文
 * @param {CollisionBox} tRexBox 小恐龙的碰撞盒子
 * @param {CollisionBox} obstacleBox 障碍物的碰撞盒子
 */
function drawCollisionBoxes(canvasCtx, tRexBox, obstacleBox) {
  canvasCtx.save();
  canvasCtx.strokeStyle = '#f00';
  canvasCtx.strokeRect(tRexBox.x, tRexBox.y, tRexBox.width, tRexBox.height);

  canvasCtx.strokeStyle = '#0f0';
  canvasCtx.strokeRect(obstacleBox.x, obstacleBox.y,
      obstacleBox.width, obstacleBox.height);
  canvasCtx.restore();
};

其中 drawCollisionBoxes 方法是 debug 时用的，用于显示碰撞盒子的边框。

上面的代码中，对碰撞检测的计算进行了优化：首先判断小恐龙和障碍物最外层的盒子有没有碰撞，当它们最外层的盒子碰撞后，再计算里面的小盒子是否碰撞。这样和直接计算所有盒子是否碰撞比起来，性能要好很多。

然后，调用 checkForCollision 方法：

Runner.prototype = {
  update: function () {
    // ...

    if (this.playing) {
      // ...

      // 碰撞检测
+     var collision = hasObstacles &&
+       checkForCollision(this.horizon.obstacles[0], this.tRex, this.ctx);

      // ...
    }

    // ...
  },
};

效果如下：

可以看到碰撞检测是实现了，但是小恐龙遮住了显示出来的碰撞盒子，这是因为更新画布时，绘制小恐龙的方法在碰撞检测后面调用。所以为了演示，我们把碰撞检测的调用代码调整一下位置：

Runner.prototype = {
  update: function () {
    // ...

    // 游戏变为开始状态或小恐龙还没有眨三次眼
    if (this.playing || (!this.activated &&
      this.tRex.blinkCount < Runner.config.MAX_BLINK_COUNT)) {
      this.tRex.update(deltaTime);

      // 碰撞检测
+     var collision = hasObstacles &&
+       checkForCollision(this.horizon.obstacles[0], this.tRex, this.ctx);

      // 进行下一次更新
      this.scheduleNextUpdate();
    }
  },
};

这样就可以看到显示出的碰撞盒子，效果如下：

到此就实现了碰撞检测。至于检测出碰撞后，结束游戏的相关逻辑，放到下一章来实现。

查看添加的代码， 戳这里

Demo 体验地址： https://liuyib.github.io/pages/demo/games/google-dino/collision-detection/