Rust 语言下的简单物理引擎：小球碰撞模拟
物理引擎是计算机图形学和游戏开发中不可或缺的一部分，它负责模拟现实世界中的物理现象，如重力、碰撞、摩擦等。在游戏开发中，物理引擎可以用来实现真实的物理效果，提升游戏体验。Rust 语言因其高性能、内存安全性和并发特性，成为开发物理引擎的理想选择。本文将介绍如何使用 Rust 语言开发一个简单的物理引擎，实现小球碰撞模拟。
环境准备
在开始之前，请确保您已经安装了 Rust 编程语言和 Cargo 包管理器。您可以通过以下命令安装 Rust：
sh
curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
安装完成后，通过以下命令添加 Rust 到您的系统路径：
sh
source $HOME/.cargo/env
然后，通过以下命令更新 Rust 和 Cargo：
sh
rustup update
项目结构
创建一个新的 Rust 项目，并设置项目结构如下：
my_physics_engine/
├── src/
│ ├── main.rs
│ ├── physics/
│ │ ├── collision.rs
│ │ ├── vector.rs
│ │ └── world.rs
│ └── utils/
│ └── math.rs
核心模块
vector.rs
我们需要定义一个向量模块，用于处理二维空间中的向量运算。
rust
pub struct Vector2 {
pub x: f32,
pub y: f32,
}
impl Vector2 {
pub fn new(x: f32, y: f32) -> Vector2 {
Vector2 { x, y }
}
pub fn add(&self, other: &Vector2) -> Vector2 {
Vector2 {
x: self.x + other.x,
y: self.y + other.y,
}
}
pub fn subtract(&self, other: &Vector2) -> Vector2 {
Vector2 {
x: self.x - other.x,
y: self.y - other.y,
}
}
pub fn dot(&self, other: &Vector2) -> f32 {
self.x other.x + self.y other.y
}
pub fn magnitude(&self) -> f32 {
(self.x.powi(2) + self.y.powi(2)).sqrt()
}
pub fn normalize(&self) -> Vector2 {
let mag = self.magnitude();
Vector2 {
x: self.x / mag,
y: self.y / mag,
}
}
}
collision.rs
接下来，我们定义一个碰撞模块，用于处理小球之间的碰撞检测和响应。
rust
pub struct Circle {
pub position: Vector2,
pub radius: f32,
}
impl Circle {
pub fn new(position: Vector2, radius: f32) -> Circle {
Circle { position, radius }
}
pub fn distance_to(&self, other: &Circle) -> f32 {
let diff = self.position.subtract(&other.position);
diff.magnitude()
}
pub fn intersects(&self, other: &Circle) -> bool {
self.distance_to(other) <= self.radius + other.radius
}
pub fn resolve_collision(&mut self, other: &mut Circle) {
if self.intersects(other) {
let diff = self.position.subtract(&other.position);
let diff_normalized = diff.normalize();
let overlap = (self.radius + other.radius) - self.distance_to(other);
self.position = self.position.add(&diff_normalized overlap);
other.position = other.position.subtract(&diff_normalized overlap);
}
}
}
world.rs
现在，我们创建一个世界模块，用于管理所有小球，并更新它们的运动状态。
rust
pub struct World {
circles: Vec,
}
impl World {
pub fn new() -> World {
World { circles: Vec::new() }
}
pub fn add_circle(&mut self, circle: Circle) {
self.circles.push(circle);
}
pub fn update(&mut self) {
for i in 0..self.circles.len() {
for j in i + 1..self.circles.len() {
self.circles[i].resolve_collision(&mut self.circles[j]);
}
}
}
}
math.rs
我们创建一个数学工具模块，用于简化一些数学运算。
rust
pub fn clamp(value: f32, min: f32, max: f32) -> f32 {
if value max {
max
} else {
value
}
}
主函数
现在，我们可以在 `main.rs` 中使用这些模块来创建一个简单的物理引擎示例。
rust
mod physics;
mod utils;
use physics::{Circle, Vector2, World};
use std::time::{Duration, Instant};
use utils::math::clamp;
fn main() {
let mut world = World::new();
let mut last_time = Instant::now();
world.add_circle(Circle::new(Vector2::new(0.0, 0.0), 10.0));
world.add_circle(Circle::new(Vector2::new(100.0, 0.0), 10.0));
let mut running = true;
while running {
let now = Instant::now();
let duration = now.duration_since(last_time);
last_time = now;
if duration.as_millis() > 16 {
world.update();
}
// Render the world (not implemented here)
// ...
running = false; // Uncomment this line to stop the loop
}
}
总结
本文介绍了如何使用 Rust 语言开发一个简单的物理引擎，实现了小球碰撞模拟。通过定义向量、碰撞检测和响应等模块，我们构建了一个可扩展的物理引擎框架。在实际应用中，您可以根据需要添加更多的物理效果，如重力、摩擦力等。
请注意，本文提供的代码仅为示例，并未实现完整的物理引擎功能。在实际开发中，您可能需要考虑更多的因素，如性能优化、内存管理、并发处理等。希望本文能为您在 Rust 语言下开发物理引擎提供一些参考和灵感。
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