大家好，今天为大家分享一个超酷的 Python 库 - pymunk。

Github地址：
https://github.com/viblo/pymunk

Pymunk是一个基于Chipmunk物理引擎的Python物理模拟库，为Python开发者提供了一个强大而易用的2D物理引擎解决方案。该库能够模拟现实世界中的物理现象，如重力、碰撞、弹性和摩擦等，特别适合开发物理游戏、交互式模拟程序和教育软件。通过简单的API接口，开发者可以快速创建具有真实物理特性的2D应用程序。

安装

Pymunk的安装过程简单直接，支持多种操作系统。主要安装步骤如下：

pip install pymunk

验证安装是否成功：

import pymunk
print(pymunk.version)

如果能正确显示版本号，说明安装成功。Pymunk依赖于Python的SDL库，部分功能可能需要额外安装pygame来实现可视化效果。

特性

1. 完整的2D物理引擎功能：支持重力、碰撞检测、关节约束等物理特性。
2. 高性能的物理计算：基于C语言编写的Chipmunk物理引擎，确保高效的物理模拟。
3. 易用的Python接口：提供简洁明了的API，使物理模拟变得简单。
4. 丰富的几何图形支持：支持圆形、多边形等多种基础形状。
5. 灵活的碰撞处理：支持自定义碰撞处理函数，实现复杂的交互逻辑。

基本功能

1. 创建基础物理世界

在使用Pymunk进行物理模拟时，首先需要创建一个基础的物理世界。这个示例展示了如何创建一个包含重力的空间，并添加一个简单的地面和物体。这是所有Pymunk项目的基础，也是理解物理引擎工作原理的关键所在。

import pymunk
import pygame
import sys

# 初始化Pygame
pygame.init()

# 设置窗口大小
screen = pygame.display.set_mode((600, 400))
pygame.display.set_caption("Pymunk 物理引擎示例")

# 初始化物理引擎
space = pymunk.Space()
space.gravity = (0.0, -900.0)  # 设置重力

# 创建地面
ground = pymunk.Segment(space.static_body, (0, 50), (600, 50), 5)
ground.friction = 1.0
space.add(ground)

# 创建一个圆形物体
body = pymunk.Body(1, 100)  # 质量=1，惯性矩=100
body.position = (300, 300)
circle = pymunk.Circle(body, 25)  # 半径25的圆
circle.elasticity = 0.8
circle.friction = 0.5
space.add(body, circle)

# 主循环
clock = pygame.time.Clock()
while True:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == pygame.QUIT:
            pygame.quit()
            sys.exit()

    # 物理世界更新
    space.step(1/60.0)

    # 清屏
    screen.fill((255, 255, 255))

    # 渲染地面
    pygame.draw.line(screen, (0, 0, 0), (0, 50), (600, 50), 5)

    # 渲染圆形物体
    x, y = int(body.position.x), int(400 - body.position.y)
    pygame.draw.circle(screen, (0, 0, 255), (x, y), 25)

    # 更新显示
    pygame.display.flip()

    # 控制帧率
    clock.tick(60)

输出结果：

2. 碰撞检测与处理

Pymunk提供了强大的碰撞检测系统，可以精确地检测和响应物体之间的碰撞。以下代码展示了如何设置碰撞处理器并对碰撞事件做出响应，这在游戏开发中特别有用。

import pymunk
import pygame
import sys

# 初始化Pygame
pygame.init()

# 设置窗口大小
screen = pygame.display.set_mode((600, 400))
pygame.display.set_caption("Pymunk 碰撞处理示例")

# 初始化物理引擎
space = pymunk.Space()
space.gravity = (0.0, -900.0)  # 设置重力

# 创建地面
ground = pymunk.Segment(space.static_body, (0, 50), (600, 50), 5)
ground.friction = 1.0
ground.collision_type = 2  # 设置地面的碰撞类型
space.add(ground)

# 创建一个圆形物体
body = pymunk.Body(1, 100)  # 质量=1，惯性矩=100
body.position = (300, 300)
circle = pymunk.Circle(body, 25)  # 半径25的圆
circle.elasticity = 0.8
circle.friction = 0.5
circle.collision_type = 1  # 设置圆形物体的碰撞类型
space.add(body, circle)

# 碰撞处理函数
def collision_handler(arbiter, space, data):
    print("碰撞发生了！")
    return True

# 设置碰撞处理
handler = space.add_collision_handler(1, 2)  # 1和2是碰撞类型
handler.begin = collision_handler

# 主循环
clock = pygame.time.Clock()
while True:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == pygame.QUIT:
            pygame.quit()
            sys.exit()

    # 物理世界更新
    space.step(1/60.0)

    # 清屏
    screen.fill((255, 255, 255))

    # 渲染地面
    pygame.draw.line(screen, (0, 0, 0), (0, 50), (600, 50), 5)

    # 渲染圆形物体
    x, y = int(body.position.x), int(400 - body.position.y)
    pygame.draw.circle(screen, (0, 0, 255), (x, y), 25)

    # 更新显示
    pygame.display.flip()

    # 控制帧率
    clock.tick(60)

输出结果：

高级功能

1. 复杂约束系统

Pymunk支持创建复杂的物理约束，可以模拟铰链、弹簧等机械结构。以下示例展示了如何创建一个带弹簧约束的双摆系统：

import pymunk
import pygame
import sys

# 初始化Pygame
pygame.init()

# 设置窗口大小
screen = pygame.display.set_mode((600, 400))
pygame.display.set_caption("Pymunk 弹簧约束示例")

# 初始化物理引擎
space = pymunk.Space()
space.gravity = (0.0, -900.0)  # 设置重力

# 创建两个物体
b1 = pymunk.Body(1, 100)
b1.position = (300, 300)
c1 = pymunk.Circle(b1, 20)
c1.elasticity = 0.8
c1.friction = 0.5

b2 = pymunk.Body(1, 100)
b2.position = (350, 300)
c2 = pymunk.Circle(b2, 20)
c2.elasticity = 0.8
c2.friction = 0.5

# 创建弹簧约束
spring = pymunk.DampedSpring(b1, b2, (0, 0), (0, 0), 50, 100, 0.5)

# 添加到空间
space.add(b1, c1, b2, c2, spring)

# 主循环
clock = pygame.time.Clock()
while True:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == pygame.QUIT:
            pygame.quit()
            sys.exit()

    # 物理世界更新
    space.step(1/60.0)

    # 清屏
    screen.fill((255, 255, 255))

    # 渲染弹簧
    x1, y1 = int(b1.position.x), int(400 - b1.position.y)
    x2, y2 = int(b2.position.x), int(400 - b2.position.y)
    pygame.draw.line(screen, (0, 0, 0), (x1, y1), (x2, y2), 2)

    # 渲染圆形物体
    pygame.draw.circle(screen, (0, 0, 255), (x1, y1), 20)
    pygame.draw.circle(screen, (255, 0, 0), (x2, y2), 20)

    # 更新显示
    pygame.display.flip()

    # 控制帧率
    clock.tick(60)

输出结果：

2. 自定义形状和传感器

在进行物理模拟时，有时需要创建自定义形状或特殊的传感器区域。以下代码展示了如何创建多边形形状和传感器：

import pymunk
import pygame
import sys

# 初始化Pygame
pygame.init()

# 设置窗口大小
screen = pygame.display.set_mode((600, 400))
pygame.display.set_caption("Pymunk 传感器示例")

# 初始化物理引擎
space = pymunk.Space()
space.gravity = (0.0, -900.0)  # 设置重力

# 创建多边形
vertices = [(-10, -10), (-10, 10), (10, 10), (10, -10)]
body = pymunk.Body(1, 100)
body.position = (300, 300)
poly = pymunk.Poly(body, vertices)
poly.elasticity = 0.8
poly.friction = 0.5

# 创建传感器
sensor_body = pymunk.Body(body_type=pymunk.Body.STATIC)
sensor_body.position = (300, 200)
sensor = pymunk.Circle(sensor_body, 50)
sensor.sensor = True  # 设置为传感器

# 碰撞处理函数
def sensor_collision_handler(arbiter, space, data):
    print("传感器检测到碰撞！")
    return True

# 设置碰撞处理
handler = space.add_collision_handler(poly.collision_type, sensor.collision_type)
handler.begin = sensor_collision_handler

# 添加到空间
space.add(body, poly, sensor_body, sensor)

# 主循环
clock = pygame.time.Clock()
while True:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == pygame.QUIT:
            pygame.quit()
            sys.exit()

    # 物理世界更新
    space.step(1/60.0)

    # 清屏
    screen.fill((255, 255, 255))

    # 渲染传感器
    x, y = int(sensor_body.position.x), int(400 - sensor_body.position.y)
    pygame.draw.circle(screen, (0, 255, 0), (x, y), 50, 2)

    # 渲染多边形
    vertices_transformed = [(int(body.position.x + v[0]), int(400 - (body.position.y + v[1]))) for v in vertices]
    pygame.draw.polygon(screen, (0, 0, 255), vertices_transformed)

    # 更新显示
    pygame.display.flip()

    # 控制帧率
    clock.tick(60)

输出结果：

实际应用场景

案例一：简单物理游戏

这个示例展示了如何使用Pymunk创建一个简单的物理游戏。在游戏中，玩家可以通过点击鼠标来发射小球，小球会与场景中的其他物体产生物理交互，包括碰撞、反弹和滚动。这种物理模拟可以轻松创建类似愤怒的小鸟这样的休闲游戏。

import pymunk
import pygame
import sys
from pygame.locals import *

# 创建小球的函数
def create_ball(space, position):
    ball_body = pymunk.Body(1, 100)
    ball_body.position = position
    ball_shape = pymunk.Circle(ball_body, 10)
    ball_shape.elasticity = 0.95
    ball_shape.friction = 0.9
    space.add(ball_body, ball_shape)
    return ball_shape

# 创建多边形的函数
def create_polygon(space, position):
    vertices = [(-10, -10), (-10, 10), (10, 10), (10, -10)]
    body = pymunk.Body(1, 100)
    body.position = position
    poly = pymunk.Poly(body, vertices)
    poly.elasticity = 0.8
    poly.friction = 0.5
    poly.collision_type = 1  # 设置多边形的碰撞类型
    space.add(body, poly)
    return poly

# 创建传感器的函数
def create_sensor(space, position):
    sensor_body = pymunk.Body(body_type=pymunk.Body.STATIC)
    sensor_body.position = position
    sensor = pymunk.Circle(sensor_body, 50)
    sensor.sensor = True  # 设置为传感器
    sensor.collision_type = 2  # 设置传感器的碰撞类型
    space.add(sensor_body, sensor)
    return sensor

# 碰撞处理函数
def sensor_collision_handler(arbiter, space, data):
    print("传感器检测到碰撞！")
    return True

# 初始化Pygame
pygame.init()
screen = pygame.display.set_mode((600, 400))
pygame.display.set_caption("Pymunk 物理游戏示例")

# 初始化物理引擎
space = pymunk.Space()
space.gravity = (0.0, -900.0)

# 创建地面
ground = pymunk.Segment(space.static_body, (0, 50), (600, 50), 5)
ground.friction = 1.0
space.add(ground)

# 创建多边形
polygon = create_polygon(space, (400, 300))

# 创建传感器
sensor = create_sensor(space, (300, 200))

# 设置碰撞处理
handler = space.add_collision_handler(1, 2)  # 1 和 2 是多边形和传感器的碰撞类型
handler.begin = sensor_collision_handler

# 主循环
clock = pygame.time.Clock()
while True:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == QUIT:
            pygame.quit()
            sys.exit()
        elif event.type == MOUSEBUTTONDOWN:
            # 获取鼠标点击位置并发射小球
            mouse_pos = pygame.mouse.get_pos()
            create_ball(space, (mouse_pos[0], 400 - mouse_pos[1]))  # 转换为Pymunk坐标系

    # 物理世界更新
    space.step(1/60.0)

    # 清屏
    screen.fill((255, 255, 255))

    # 绘制地面
    pygame.draw.line(screen, (0, 0, 0), (0, 350), (600, 350), 5)

    # 绘制多边形
    vertices_transformed = [(int(polygon.body.position.x + v[0]), int(400 - (polygon.body.position.y + v[1]))) for v in polygon.get_vertices()]
    pygame.draw.polygon(screen, (0, 0, 255), vertices_transformed)

    # 绘制传感器
    x, y = int(sensor.body.position.x), int(400 - sensor.body.position.y)
    pygame.draw.circle(screen, (0, 255, 0), (x, y), 50, 2)

    # 绘制所有小球
    for body in space.bodies:
        for shape in body.shapes:
            if isinstance(shape, pymunk.Circle):
                x, y = int(body.position.x), int(400 - body.position.y)
                pygame.draw.circle(screen, (255, 0, 0), (x, y), int(shape.radius))

    # 更新显示
    pygame.display.flip()

    # 控制帧率
    clock.tick(60)

输出结果：

案例二：机械模拟系统

这个示例展示了如何使用Pymunk创建一个简单的机械模拟系统。通过创建多个连接的组件，我们可以模拟类似齿轮、链条等机械结构的物理行为。这种模拟在工程教育和机械设计可视化中特别有用。

import pymunk
import pygame
import sys
from pygame.locals import *

# 创建齿轮系统的函数
def create_gear_system(space):
    # 创建固定轴
    rotation_center_body = pymunk.Body(body_type=pymunk.Body.STATIC)
    rotation_center_body.position = (300, 300)

    # 创建第一个齿轮体（大齿轮）
    gear_body1 = pymunk.Body(1, pymunk.moment_for_circle(1, 0, 80))  # 质量=1，半径=80
    gear_body1.position = (300, 300)
    gear_shape1 = pymunk.Circle(gear_body1, 80)
    gear_shape1.elasticity = 0.8
    gear_shape1.friction = 0.5

    # 创建旋转关节
    joint1 = pymunk.PivotJoint(rotation_center_body, gear_body1, rotation_center_body.position)

    # 添加马达，设置更高的速度
    motor1 = pymunk.SimpleMotor(rotation_center_body, gear_body1, 3.0)  # 速度=3.0

    # 创建第二个齿轮体（小齿轮）
    gear_body2 = pymunk.Body(1, pymunk.moment_for_circle(1, 0, 40))  # 质量=1，半径=40
    gear_body2.position = (460, 300)  # 位置与大齿轮相邻
    gear_shape2 = pymunk.Circle(gear_body2, 40)
    gear_shape2.elasticity = 0.8
    gear_shape2.friction = 0.5

    # 创建第二个齿轮的旋转关节
    joint2 = pymunk.PivotJoint(rotation_center_body, gear_body2, gear_body2.position)

    # 添加齿轮之间的约束，设置传动比
    gear_constraint = pymunk.GearJoint(gear_body1, gear_body2, 0.0, -2.0)  # 传动比=-2.0

    # 添加到空间
    space.add(gear_body1, gear_shape1, joint1, motor1, gear_body2, gear_shape2, joint2, gear_constraint)

# 初始化Pygame
pygame.init()
screen = pygame.display.set_mode((600, 400))
pygame.display.set_caption("Pymunk 齿轮系统示例")

# 初始化物理引擎
space = pymunk.Space()
space.gravity = (0.0, 0.0)  # 无重力

# 创建齿轮系统
create_gear_system(space)

# 主循环
clock = pygame.time.Clock()
while True:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == QUIT:
            pygame.quit()
            sys.exit()

    # 物理世界更新
    space.step(1/60.0)

    # 清屏
    screen.fill((255, 255, 255))

    # 绘制齿轮
    for body in space.bodies:
        for shape in body.shapes:
            if isinstance(shape, pymunk.Circle):
                x, y = int(body.position.x), int(400 - body.position.y)
                radius = int(shape.radius)
                # 绘制齿轮
                pygame.draw.circle(screen, (0, 0, 255), (x, y), radius, 2)
                # 绘制旋转方向标记
                angle = body.angle
                marker_x = x + int(radius * pygame.math.Vector2(1, 0).rotate_rad(angle).x)
                marker_y = y + int(radius * pygame.math.Vector2(1, 0).rotate_rad(angle).y)
                pygame.draw.line(screen, (255, 0, 0), (x, y), (marker_x, marker_y), 2)

    # 更新显示
    pygame.display.flip()

    # 控制帧率
    clock.tick(60)

输出结果：

总结

Pymunk作为一个优秀的2D物理引擎库，为Python开发者提供了强大而直观的物理模拟能力。通过本文的介绍，详细探讨了Pymunk的安装配置、核心特性、基本功能和高级特性，并通过实际应用案例展示了其在游戏开发和机械模拟等领域的应用潜力。Pymunk的优势在于其简洁的API设计和强大的物理模拟能力，使得开发者能够轻松创建具有真实物理效果的应用程序。该库不仅适用于游戏开发，还可以用于教育软件、物理模拟和交互式演示等多个领域。