在Java游戏开发或物理模拟中,碰撞检测是实现交互效果的核心环节，准确高效的碰撞判断不仅能提升用户体验，还能优化程序性能，本文将系统介绍Java中碰撞检测的基本原理、常用方法及实现技巧，帮助开发者构建可靠的碰撞系统。
碰撞检测的基本概念
碰撞检测（Collision Detection）是指判断两个或多个物体在空间中是否发生接触或重叠的过程，在Java中，碰撞检测通常涉及几何形状的数学计算，其核心目标是确定物体的边界是否相交，根据应用场景的不同，碰撞检测可分为精确检测和近似检测两类：精确检测计算准确但性能开销大，适用于需要高精度的场景；近似检测通过简化几何形状提升效率，适合对实时性要求较高的游戏开发。
基于AABB的碰撞检测
AABB（Axis-Aligned Bounding Box，轴对齐包围盒）是最常用的碰撞检测方法之一，它用与坐标轴平行的立方体或长方体包裹物体，通过比较包围盒的位置关系判断是否碰撞，AABB的优势是计算简单，只需比较物体的最小/最大坐标值即可。
实现原理
假设两个AABB物体A和B,其最小坐标点分别为（minAx, minAy, minAz）和（minBx, minBy, minBz），最大坐标点分别为（maxAx, maxAy, maxAz）和（maxBx, maxBy, maxBz），碰撞条件为：
- minAx ≤ maxBx 且 maxAx ≥ minBx
- minAy ≤ maxBy 且 maxAy ≥ minBy
- minAz ≤ maxBz 且 maxAz ≥ minBz
若三个轴向均满足条件,则两物体发生碰撞。
Java代码示例
public class AABB {
private float minX, minY, minZ;
private float maxX, maxY, maxZ;
public boolean collidesWith(AABB other) {
return this.minX <= other.maxX && this.maxX >= other.minX &&
this.minY <= other.maxY && this.maxY >= other.minY &&
this.minZ <= other.maxZ && this.maxZ >= other.minZ;
}
}
AABB的缺点是无法处理旋转物体,此时需采用OBB（Oriented Bounding Box，有向包围盒）或分离轴定理（SAT）进行更精确的检测。
基于圆形的碰撞检测
在2D游戏或简化物理模拟中,圆形碰撞检测因计算高效而被广泛应用，其核心是比较两圆心距离与半径之和的关系。
实现原理
设两圆心坐标为（x1, y1）和（x2, y2），半径分别为r1和r2，碰撞条件为：
Math.sqrt((x2 - x1)² + (y2 - y1)²) ≤ r1 + r2
为避免开方运算影响性能，可改用平方比较：
(x2 - x1)² + (y2 - y1)² ≤ (r1 + r2)²
Java代码示例
public class Circle {
private float x, y;
private float radius;
public boolean collidesWith(Circle other) {
float dx = this.x - other.x;
float dy = this.y - other.y;
float distanceSquared = dx * dx + dy * dy;
float radiusSum = this.radius + other.radius;
return distanceSquared <= radiusSum * radiusSum;
}
}
圆形碰撞检测适用于角色、子弹等圆形物体的碰撞判断，但无法贴合不规则形状。
基于多边形的碰撞检测
对于复杂形状的物体,多边形碰撞检测（如分离轴定理，SAT）是更精确的选择，SAT的核心思想是：若两个凸多边形在任意轴上的投影均不重叠，则它们不相交。
实现步骤
- 获取分离轴：对于多边形的每条边，计算其法向量作为分离轴。
- 投影多边形：将两个多边形的所有顶点投影到分离轴上，得到最小和最大投影值。
- 检测重叠：比较两多边形在轴上的投影区间，若存在不重叠的轴，则两多边形不碰撞；否则发生碰撞。
Java代码示例（简化版）
public class Polygon {
private Vector2[] vertices;
public boolean collidesWith(Polygon other) {
Vector2[] axes = getAxes();
axes = ArrayUtils.addAll(axes, other.getAxes());
for (Vector2 axis : axes) {
Projection proj1 = project(axis);
Projection proj2 = other.project(axis);
if (!proj1.overlaps(proj2)) {
return false; // 存在分离轴，不碰撞
}
}
return true;
}
private Projection project(Vector2 axis) {
// 计算多边形在轴上的投影范围
float min = dotProduct(vertices[0], axis);
float max = min;
for (int i = 1; i < vertices.length; i++) {
float p = dotProduct(vertices[i], axis);
min = Math.min(min, p);
max = Math.max(max, p);
}
return new Projection(min, max);
}
}
SAT适用于凸多边形,对于凹多边形需先分解为凸多边形组合，或使用其他算法如GJK（Gilbert-Johnson-Keerthi）。
空间划分优化策略
当场景中物体数量较多时,逐对检测碰撞会导致性能急剧下降，此时需采用空间划分技术减少检测次数：
四叉树（2D）与八叉树（3D）
将空间递归划分为更小的区域,仅检测同一区域或相邻区域内的物体，2D游戏可通过四叉树管理静态障碍物，动态物体只需与所在节点及相邻节点的物体进行碰撞检测。
网格法
将空间划分为均匀的网格,每个物体记录其所在的网格单元，碰撞检测仅在物体所在网格及其相邻网格内进行，网格法实现简单，适合物体分布均匀的场景。
BVH（Bounding Volume Hierarchy）
通过层次结构组织物体的包围盒,从根节点开始递归检测子节点的包围盒是否重叠，直到叶子节点（实际物体）的精确检测，BVH在动态场景中表现优异，广泛应用于3D引擎。
性能优化技巧
- 分层检测：先进行粗粒度检测（如AABB），若碰撞再进行细粒度检测（如SAT），避免高成本计算。
- 避免重复检测：使用对称性优化，仅检测物体对（A,B）而跳过（B,A）。
- 缓存包围盒：对于静态物体，可预先计算并缓存其包围盒，减少运行时计算量。
- 并行计算：利用多线程或GPU加速碰撞检测，尤其适合大规模物体场景。
Java中的碰撞检测方法需根据具体需求选择：AABB和圆形检测适合简单场景，SAT适用于精确的多边形碰撞，而空间划分技术则能大幅提升多物体场景的性能，开发者需在精度与效率之间权衡，结合分层检测和优化策略，构建既可靠又高效的碰撞系统，通过合理运用这些方法，可轻松实现游戏中的角色交互、物理模拟等复杂功能。
