Unity超级角色控制器 - Part 6

地形检测

虽然此前写了5篇角色控制器的文章,但我只是简短地提到了地形检测。知道角色站在什么地形上是非常重要的话题,因为很多角色的行为往往都取决于所站的地形。做好地形检测,可以明显提升体验的流畅度。

  • 一个地形检测反例

因此我们想知道什么在角色脚底下呢?首先是距离脚下有多远。我们会想知道角色的脚是否贴着地面还是在半空中。我们还会想知道脚下地面具体位置坐标,这对于上一章强调过的钳住地面是很重要的。第三个就是会想知道脚下地形的法线是多少。而最后很有必要知道脚下的GameObject是谁,这使得我们可以为地形添加组件(在超级角色控制器当中,会有SuperCollisionType可以添加到地形当中来描述地形)。

看看之前研究Unity物理API的文章,找到最合适的解决方案是Physics.Raycast。我们可以通过向下打射线找到地面。虽然RaycastHit结构体可以让我们得到碰撞点,打击距离,打击法线以及发生碰撞的对象。第一眼看上去就完全满足了我们的需求,但是仔细想想还是会有一些问题。

我们的角色控制器是用一系列的球体来表示的,这意味着当直接站在平面上的时候,平面上的最近点就恰好距离底部球体球心一个半径距离。但是如果角色站在斜坡上就会出问题。如果我们现在还是像之前一样直接向下打射线,所得的点就不再是底部球体的最近点了。这对于钳住地面来讲会出错的(具体后面会谈到)。

  • 射线直接从底部球心直接向下打出。在角色站在斜坡的情况下,下面的点是不正确的。而当角色钳住地面的时候,那个点会让角色稍稍与斜坡交叉。对于陡峭的坡体来说,这个问题就更加明显了。

幸运的是,我们有救兵Physics.SphereCast。与其投射一条细微的射线出去,我们可以投射一个球体。这样就能解决上面提到的问题,从而确保角色总是完全在地表之上。

在使用SphereCast能够顺利工作的同时,也带来了一些问题。首先是SphereCast碰到碰撞体边缘的时候,hit.normal返回的是两个相邻面的插值。这与Vector3.Lerp函数来类似。

  • 动画演示了SphereCast返回的hit.normal的插值情况。

我发现很有必要知道所站的表面法线的真实值,而不是插值。为了解决SphereCast带来的插值问题。我用单独的射线分别跟踪SphereCast所得到邻近的两个面,这样就能够得到正确的法线(在超级角色控制器的ProbeGround方法中,这个称为nearHit与farHit,分别表示距离控制器中心的最近的面与最远的面)。

SphereCast的下一个问题是我们用了它来做地形检测,但还是会有准确性的问题。我们已经默认了SphereCast打中的所有碰撞体都是地形,我们的角色可以站上去(或者在有的游戏中是滑上去)。但实际上这不是总能行得通的。我们可以有理有据地认为游戏世界的物理表面(角色与之碰撞的对象)可以划分为地形与墙体,而只有地形表面才应该被地形检测所检测出来。最简单的划分方法就是将表面法线与某个向量(比如世界空间的Vector3.up)的夹角来划分。小于90度的是地面,大于90度的是墙面。这样我们就可以确保不会将墙体也当做地面来处理。我们的地形检测里这个问题很天然的解决了:我们总是向下投射球体,这就是说这不可能打中90度的墙体。但是,游戏中的墙体法线会接近90度,甚至处于85到90之间。我们想把这些85度的表面看做是墙体,也就是说它们应该忽略SphereCast。

  • 我们的角色控制器是上不去85度墙的。对于这个墙来说我们的SphereCast的碰撞点是黄色标记,而不是脚下方的平面。这会使得我们的角色会认为自己站在陡坡上,而不是平地上。

最常见的办法是用Physics.SphereCastAll。它会理想地同时打中墙体与地面,然后我们可以遍历所有碰撞点,从而找到合适的立足点。不幸的是,SphereCastAll只能每个对象拣选一个碰撞点,也就是说如果墙体与地面是同一个对象,那么这个方案会出错。

对于上面的问题,我们可以通过减小SphereCast的半径来解决。这样确实能解决一些问题,但不是全部。我们还是要想一种可靠的方法来来处理贴着陡坡这个问题。

「PS: 在SuperCharacterController中,陡坡的定义是SuperCollisionType组件的StandAngle值定义的,可以放在所有与角色碰撞的碰撞体上。」

为了解决这个问题,可以想象一下我们脚底下某种地形,如果没有被陡坡影响,我们是能够通过SphereCast检测出来的。为了找到这个地面,我们可以在SphereCast打中的地方用Raycast。这是主要用于检验是否存在这块地面,而且可以获取它的法线。

  • 最初SphereCast的碰撞点在黄色标记位置。因为我们与陡坡有碰撞,我们可以Raycast(红色)来检测陡坡之下是否有一块地面在我们之下(紫色)。

这让我们知道下面有什么,但是由于用了Raycast,而不是SphereCast,我们会又一次遇到之前的问题,碰撞点会让地形与球体重合。给定我们有的信息(脚下地形的法线),我们可以将其转换为近似于SphereCast的数据吗?答案是Yes。

每当你从控制器底部向下SphereCast,然后碰到了一个表面,就会就在碰撞表面法线与碰撞点之间存在一种联系。在我们从斜坡碰撞点向下打射线得到正确地面的法线之后,我们的任务就是找到控制器底部向下SphereCast与地面的交点。下面我们看看二维的情况,然后再回来解决三维问题。

  • 动画演示了SphereCast的碰撞点与碰撞平面法线的关系。SphereCast的原点在黄色球那里,碰撞在红色球那里,碰撞点标记为蓝色。注意到随着斜坡越来越斜,红色圆形就越往上。

由于我们想找一个二维空间的点,而这两个值分别是x和y。如果计算正确,x和y会将我们圆形的往下与地面碰撞的点。对应上面的图来看,我们要用给定的地面法线,找到上图中蓝色交点的位置。

幸运的是,这其实并不困难。复习一下中学的数学知识,通过法线作为角度传入,我们可以使用三角函数来计算x和y的位置。

x = Mathf.Sin(groundAngle);
y = Mathf.Cos(groundAngle);

要注意的是,Unity的Sine和Cosine需要以弧度的方式传入夹角,需要转换一下。

  • 通过sine与cosine计算碰撞点的位置

现在我么可以用这些值来调整控制器的位置(乘上半径)。

「PS: 在SuperCharacterController中,近似计算SphereCast值的方法叫SimulateSphereCast。」

以上就是超级角色控制器中用到所有地形检测技术。不像之前的文章,这里地形检测话题是很开放的–上面只是其中的一种,但我法线它在实际中运行的很好。




转载标明原文链接:jjyy.guru/super-character-controller-part6


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