书籍摘要

《Physics for Game Developers 2nd Edition》是一本专为游戏开发者编写的物理学入门书籍，作者 David M. Bourg 和 Bryan Bywalec 在书中详细介绍了如何将物理原理应用于游戏开发中，以帮助开发者实现更加逼真的游戏效果。

一、目标读者与内容定位

本书主要面向那些没有扎实力学或物理背景的游戏开发者，尤其是需要在游戏中融入真实物理效果的开发者。作者假设读者具备基础的大学物理知识（如非物理或工程专业学生所学的物理课程），并熟悉基础的三角函数、向量和矩阵数学知识。书中不仅涵盖了经典力学的基本概念和原理，还结合了现代游戏开发中常见的数字物理技术，如智能手机的加速计、触摸屏和 GPS 等新技术的物理原理及其应用。

二、书籍结构

全书分为四大主要部分，内容层层递进，逐步深入。

第一部分：基础力学原理

• 第 1 章：基本概念
  • 介绍了牛顿运动定律、质量、重心、惯性等基本概念，回顾了单位和度量知识。
• 第 2 章：运动学
  • 详细讲解了线性和角速度、加速度、动量以及粒子和刚体的二维和三维运动。
• 第 3 章：力的作用
  • 讨论了力的基本类型，包括阻力、力场和压力，并介绍了力与力矩之间的关系。
• 第 4 章：动力学
  • 结合了运动学和力学的知识，探讨了刚体的动力学，包括平动和转动的方程。
• 第 5 章：碰撞
  • 详细研究了粒子和刚体碰撞后的响应，包括碰撞前后的运动分析。
• 第 6 章：抛体运动
  • 专注于抛体运动的基本原理，为后续更复杂的模型奠定基础。

第二部分：实时模拟技术

这一部分重点介绍了实时模拟的核心技术，包括数值积分器的开发、粒子和刚体的实时模拟、碰撞检测与响应的实现，以及多体系统的连接方法。

• 第 7 章：实时模拟
  • 介绍了实时模拟的基础，包括数值积分方法、稳定性和调整技巧。
• 第 8 章：粒子模拟
  • 展示了如何实现粒子模拟，为刚体模拟奠定基础。
• 第 9 章：二维刚体模拟器
  • 通过添加旋转和惯性张量的概念，扩展了粒子模拟器以处理刚体。
• 第 10 章：碰撞检测与响应的实现
  • 结合碰撞检测和响应技术，实现了二维模拟器中的实时碰撞处理。
• 第 11 章：三维刚体旋转
  • 讨论了如何在三维空间中处理刚体旋转，包括惯性张量的使用。
• 第 12 章：三维刚体模拟器
  • 将二维模拟器扩展到三维，处理多个未连接刚体的碰撞。
• 第 13 章：连接物体
  • 展示了如何通过连接刚体来模拟复杂物体，如车辆和人形模型。
• 第 14 章：物理引擎
  • 讨论了物理引擎的设计，特别是针对汽车性能方面的具体力（如空气阻力、滚动阻力）。

第三部分：实际问题分析

这一部分结合了前面的理论知识，通过分析一些实际问题（如飞行器、船只、汽车、枪械和体育运动中的物理现象）来帮助读者更好地理解和应用物理模型。

• 第 15 章：飞行器
  • 聚焦于飞行过程中的空气动力学，包括推力、阻力、几何形状和升力等。
• 第 16 章：船只和快艇
  • 讨论了浮体的基本要素，如浮力、稳定性、体积、阻力和速度。
• 第 17 章：汽车和气垫船
  • 分析了汽车性能中的空气动力学阻力、滚动阻力、滑行距离和道路倾斜角度。
• 第 18 章：枪械和爆炸
  • 介绍了枪械的物理原理，包括功率、后坐力和弹丸飞行，以及爆炸的物理建模。
• 第 19 章：体育运动
  • 研究了球类运动的物理原理，包括投掷、棒球击球、高尔夫挥杆和网球击球等。

第四部分：数字物理技术

最后这一部分探讨了与移动平台相关的一些新技术及其物理原理，包括手机中的各种传感器和三维显示技术。

• 第 20 章：触摸屏
  • 解释了触摸屏的物理原理及其在游戏中的应用。
• 第 21 章：加速度计
  • 讨论了加速度计的工作原理以及如何利用其数据进行游戏交互。
• 第 22 章：移动设备的 GPS 功能
  • 描述了 GPS 系统的物理原理，包括相对论效应，以及如何在游戏开发中使用 GPS 数据。
• 第 23 章：压力传感器和荷载传感器
  • 讲述了压力传感器的物理原理及其在游戏中的应用，例如 Wii 平衡板。
• 第 24 章：三维显示
  • 讨论了光学跟踪系统的物理原理，如 PlayStation Move 和 Kinect 的应用。
• 第 25 章：光学跟踪
  • 分析了三维显示技术的物理原理，包括立体显示和未来的全息显示技术。
• 第 26 章：声音
  • 介绍了声学物理的基本概念，包括声速和多普勒效应，以及声音在游戏中的应用。

三、特色与价值

• 实用性强：本书不仅讲解了物理原理，还提供了大量的代码示例和应用案例，帮助读者直接将理论应用于游戏开发实践中。
• 覆盖面广：从基础力学原理到复杂的实时模拟和数字物理技术，涵盖了游戏开发中可能用到的广泛物理知识。
• 层次分明：内容由浅入深，从基本的运动学和动力学到复杂的多体模拟和实际应用，适合不同层次的开发者学习。
• 紧跟技术发展：特别关注了移动设备和现代游戏开发中常见的新技术，如触摸屏、加速计和 GPS 等，使读者能够更好地利用这些技术提升游戏体验。

总之，《Physics for Game Developers 2nd Edition》是一本全面而系统的教材，适合希望在游戏中实现逼真物理效果的游戏开发者阅读和参考。通过学习本书，读者可以掌握从基础物理原理到复杂实时模拟的技能，并应用到实际的游戏开发项目中。