Место Cannon.js среди других физических движков

Cannon.js — это физический движок на языке JavaScript, разработанный для работы в браузере и Node.js, ориентированный на твердотельную динамику. Его архитектура построена вокруг rigid body physics, что позволяет моделировать объекты с постоянной формой, взаимодействующие через силы, столкновения и ограничения. В отличие от движков общего назначения, Cannon.js не заточен под мягкие тела или жидкости, что делает его лёгким и производительным для симуляций твердых объектов.

Движок реализует интеграцию физических законов Ньютона, учитывая массу, инерцию, трение, столкновения и силы. Все расчёты ведутся с использованием векторной и матричной алгебры, что обеспечивает точность при моделировании движения в трехмерном пространстве.

Архитектура и ключевые компоненты

Cannon.js построен на нескольких базовых сущностях:

  1. World — глобальная среда, в которой находятся все объекты. Она управляет интеграцией, обработкой столкновений и применением внешних сил, таких как гравитация.

  2. Body — объект с массой, инерцией и положением. Может быть динамическим, статическим или кинематическим. Динамические тела подчиняются законам физики, статические — фиксированы, кинематические управляются напрямую, но могут сталкиваться с другими объектами.

  3. Shape — форма тела. Cannon.js поддерживает базовые формы: Box, Sphere, Cylinder, Plane, ConvexPolyhedron, что позволяет строить сложные объекты через комбинацию примитивов.

  4. Constraint — ограничения между объектами, например HingeConstraint, DistanceConstraint, LockConstraint. Они позволяют моделировать соединения, шарниры и пружины.

  5. ContactMaterial и Material — материалы для тел, задающие коэффициенты трения и упругости. Позволяют настраивать поведение столкновений между разными объектами.

Особенности столкновений и физического взаимодействия

Cannon.js использует broadphase и narrowphase алгоритмы для расчёта столкновений:

  • Broadphase выполняет грубую фильтрацию объектов, которые потенциально могут столкнуться, используя структуры вроде SAP (Sweep and Prune).
  • Narrowphase рассчитывает точные точки контакта между формами, их нормали и импульсы, обеспечивая корректное физическое поведение при столкновениях.

Механика столкновений учитывает:

  • Импульсный отклик — пересчет скорости тел после столкновения.
  • Трение скольжения и вращения — моделируется через ContactMaterial.
  • Погрешности интеграции — для стабильности движок использует fixed timestep.

Интеграция и временные шаги

Cannon.js применяет метод интеграции Вёрле/Velocity Verlet для обновления позиции и скорости объектов. Основные параметры интеграции:

  • timeStep — фиксированный интервал времени для симуляции (например, 1/60 секунд).
  • subSteps — количество внутренних шагов при более крупном времени кадра, что повышает стабильность и точность.

Использование фиксированного timestep важно для предотвращения нестабильности при быстром движении объектов или малых массе и размерах.

Место Cannon.js среди других движков

Cannon.js отличается от других популярных JavaScript-движков физики, таких как Ammo.js и Oimo.js, по нескольким параметрам:

  • Лёгкость и простота API. Cannon.js проще для интеграции в проекты с Three.js или Babylon.js.
  • Производительность для небольших сцен. В крупных симуляциях с тысячами тел более эффективны движки на WebAssembly (например, Ammo.js, порт Bullet Physics).
  • Фокус на жесткие тела. Для мягких тел или жидкостей Cannon.js не подходит, в отличие от Ammo.js, где есть SoftBody и Cloth.

Cannon.js часто выбирают для:

  • игр с ограниченным количеством физических объектов;
  • образовательных проектов и прототипов;
  • визуальных симуляций с простыми формами.

Интеграция с Three.js

Cannon.js хорошо сочетается с графическим движком Three.js, что позволяет визуализировать физику в реальном времени. В типичном цикле:

  1. Создание мира и тел в Cannon.js.
  2. Связывание объектов Three.js с телами Cannon.js.
  3. Обновление позиции и вращения визуальных объектов на основе состояния тел после расчета физики.

Такой подход позволяет создавать реалистичные сцены с минимальными усилиями, полностью отделяя физику от визуализации.

Настройка материалов и столкновений

Для достижения реалистичного поведения столкновений используется комбинация Material и ContactMaterial. Например:

const groundMaterial = new CANNON.Material("ground");
const ballMaterial = new CANNON.Material("ball");

const contactMaterial = new CANNON.ContactMaterial(
    groundMaterial,
    ballMaterial,
    { friction: 0.4, restitution: 0.7 }
);

world.addContactMaterial(contactMaterial);

Такой подход позволяет тонко настраивать поведение разных типов поверхностей: скольжение, отскок, трение, без изменения основного тела.

Работа с ограничениями

Cannon.js поддерживает различные Constraints, которые управляют относительным движением тел:

  • DistanceConstraint — фиксированное расстояние между телами.
  • HingeConstraint — вращение вокруг одной оси, как дверной шарнир.
  • LockConstraint — полная фиксация относительного положения и вращения.

Использование ограничений важно для создания сложных механизмов, роботов, подвесок или цепей.

Оптимизация производительности

  • Использование простых форм вместо сложных полиэдров для ускорения расчета столкновений.
  • Fixed timestep и подшаги для стабильности при высокой скорости объектов.
  • Broadphase оптимизация — использование SAP для больших сцен вместо naive pairwise проверки.
  • Удаление объектов вне сцены для уменьшения нагрузки на симуляцию.

Cannon.js предоставляет инструменты, которые позволяют контролировать баланс между реализмом и производительностью, что делает его удобным для браузерных 3D приложений.

Оглавление