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圖形引擎實(shí)戰(zhàn)：城建功能技術(shù)分享

2023-04-10 08:00 作者:搜狐暢游引擎部 0人讀過(guò) | 我要投稿

概述

隨著城建功能在游戲中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，玩家對(duì)于城建功能的需求越來(lái)越高；城建功能的需求主要集中在以下幾方面：

積木建造、移動(dòng)
積木破碎
積木的旋轉(zhuǎn)（自由旋轉(zhuǎn)）
積木自動(dòng)吸附功能
PC端和移動(dòng)端操作一致，并且操作順滑
多玩家同步建造
建造后實(shí)時(shí)尋路功能

基于上述需求，經(jīng)過(guò)反復(fù)斟酌，最終決定基于體素研發(fā)這一套包括客戶(hù)端-服務(wù)器的城建功能。基于體素研發(fā)的城建功能既可以滿(mǎn)足多玩家同步建造功能，也能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)尋路功能。有關(guān)城建的操作模式，則參考了包括劍網(wǎng)3、原神、英靈神殿以及吸血鬼崛起等多款游戲在內(nèi)的城建操作，最終形成了一套完備的同時(shí)適配PC端和移動(dòng)端，操作順滑的操作模式。

首先，城建功能基于體素，所以簡(jiǎn)單介紹下體素的概念。

所謂體素，是像素（pixel）、體積（volume）和元素（element）的組合詞，相當(dāng)于3D空間中的像素。通過(guò)體素，可以對(duì)3D空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并賦予每個(gè)網(wǎng)格特征，如下圖，可以想象體素就是二維像素在y軸方向上，再增加一個(gè)單位的切割劃分。

對(duì)于需要使用體素的場(chǎng)景來(lái)講，需要預(yù)先生成場(chǎng)景體素、導(dǎo)航尋路數(shù)據(jù)、以及積木的體素，并且同步存儲(chǔ)在服務(wù)器和客戶(hù)端。

需要注意的是，生成體素世界，需要預(yù)先指定體素大小，即一個(gè)體素格子要定位為多大。城建Demo中CellSize設(shè)定xz軸方向0.25為一單位，y軸方向0.1為一單位。

場(chǎng)景體素以及積木體素都可以預(yù)覽，并進(jìn)行二次編輯。下圖為網(wǎng)絡(luò)上找的一張?bào)w素地圖：

一個(gè)完備的城建功能需要同時(shí)兼顧PC端和移動(dòng)端的操作，并且需要考慮如何獲得積木放置位置、如何做對(duì)齊操作，是否提供吸附功能等等。本文將從以下幾個(gè)角度來(lái)講解基于體素的城建功能：

操作模式

如何得到積木放置的正確位置

積木旋轉(zhuǎn)操作

積木破碎方案的選擇

積木吸附操作

操作模式

目前支持城建系統(tǒng)的游戲，比較火爆的有劍網(wǎng)3、原神、英靈神殿、吸血鬼崛起以及明日之后等等。通過(guò)在建造模式、PC端移動(dòng)端適配、自動(dòng)吸附等多方面對(duì)上述幾個(gè)游戲進(jìn)行對(duì)比，截止到2022年11月，得到結(jié)論如下：

通過(guò)對(duì)比以上游戲建造功能，并且通過(guò)游戲體驗(yàn)，得到的結(jié)論是

邊走邊搭建，即積木跟隨角色建造可以增強(qiáng)玩家的交互體驗(yàn)，并且可以直觀(guān)的顯示多玩家建造過(guò)程,所以角色跟隨在這一方面優(yōu)于上帝視角。
部分積木（比如地板、墻壁）的自動(dòng)吸附功能可以簡(jiǎn)化玩家的操作，便于玩家快速便捷的搭建建筑框架，所以對(duì)于一個(gè)優(yōu)秀城建功能，自動(dòng)吸附功能必不可少。
對(duì)于可以自由擺放的積木，比如書(shū)，椅子等等。這類(lèi)積木如果增加自由旋轉(zhuǎn)功能，可以增加玩家城建的自由度，自由旋轉(zhuǎn)是一個(gè)錦上添花的功能。
現(xiàn)在無(wú)論是PC端游戲還是移動(dòng)端游戲，社交功能越來(lái)越受到重視，多人協(xié)同城建的功能，實(shí)時(shí)尋路的功能必定能給玩家?guī)?lái)交互性更強(qiáng)，體驗(yàn)感更深入的游戲體驗(yàn)。
對(duì)于操作模式，有兩種選擇：一種是角色所在區(qū)域，選中積木，在點(diǎn)擊所要添加積木的位置，點(diǎn)確定進(jìn)行添加，如果需要旋轉(zhuǎn)視角，需要單獨(dú)操作；另一種是，屏幕中心顯示準(zhǔn)心，選中積木，旋轉(zhuǎn)相機(jī)視角定位到所要添加的位置，點(diǎn)確定進(jìn)行添加，無(wú)需單獨(dú)調(diào)整視角。第二種操作，在需要集中添加大量積木的情況下，可以節(jié)省玩家操作的復(fù)雜度，從而節(jié)省搭建時(shí)間。第一種操作的優(yōu)點(diǎn)在于，如果視口比較大，玩家可以比較宏觀(guān)的、完整的看到所搭建的建筑，對(duì)于社交性、互動(dòng)性不那么強(qiáng)的游戲來(lái)講，是比較好的選擇。
城建功能下的實(shí)時(shí)尋路功能，對(duì)游戲開(kāi)發(fā)來(lái)講是個(gè)不小的挑戰(zhàn)，既要保證性能不受影響，又要保證功能。經(jīng)過(guò)調(diào)研舉證，基于體素開(kāi)發(fā)的城建功能可以較好的支持實(shí)時(shí)尋路功能。

因此，引擎部自主研發(fā)的城建系統(tǒng)同時(shí)支持多人模式與單人模式：多人模式下，參照英靈神殿模式，使用準(zhǔn)心定位積木位置、選中積木，支持多人同時(shí)建造；而單人模式下，參考劍網(wǎng)3模式，使用上帝視角進(jìn)行建造操作，使用鼠標(biāo)和手指進(jìn)行積木的添加和選中操作。此外，該建造系統(tǒng)的操作同時(shí)適配PC端和移動(dòng)端，且PC端和移動(dòng)端的操作保持一致。

下圖所示為多人模式下建造的效果圖：

基于體素的射線(xiàn)查詢(xún)

不同于現(xiàn)有的游戲建造功能，該城建系統(tǒng)基于體素開(kāi)發(fā)，同時(shí)支持多人同時(shí)建造以及實(shí)時(shí)尋路。所以如何確定待添加積木的位置，進(jìn)而高效的更新場(chǎng)景體素是比較核心的問(wèn)題。

添加積木時(shí)位置的計(jì)算步驟：

首先計(jì)算相機(jī)到屏幕中心的射線(xiàn)，向下做射線(xiàn)查詢(xún)，得到添加位置POS1
根據(jù)第一步計(jì)算得到的添加位置，計(jì)算調(diào)整得到對(duì)應(yīng)的體素位置—積木的左下角位置須和體素格子的左下角對(duì)齊,調(diào)整后的位置為POS2；
根據(jù)POS1來(lái)更新待添加積木的位置；根據(jù)POS2來(lái)更新當(dāng)前待添加積木與現(xiàn)有積木、角色等的碰撞檢測(cè)狀態(tài)，根據(jù)是否碰撞來(lái)決策是否可以添加。
得到添加確認(rèn)的操作后，客戶(hù)端將POS2作為參數(shù)發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)一步根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)調(diào)整積木的體素位置，計(jì)算完成后，反饋給客戶(hù)端
客戶(hù)端收到服務(wù)器添加積木成功的消息，根據(jù)接收得到的積木ID，位置等信息，創(chuàng)建積木。

首先，第一步的射線(xiàn)查詢(xún)是體素系統(tǒng)的射線(xiàn)查詢(xún)，可以得到相對(duì)精準(zhǔn)的體素世界添加位置；

其次，需要區(qū)分POS1和POS2,之所以不用POS2更新待添加積木，是為了使得創(chuàng)建過(guò)程中積木移動(dòng)更平滑，如果使用POS2，則會(huì)出現(xiàn)積木位置頻繁調(diào)整抖動(dòng)的情況；

最后，在客戶(hù)端計(jì)算POS2,可以檢測(cè)待添加積木的碰撞情況，與服務(wù)器同步，這個(gè)是必要的。

下圖直觀(guān)的展示了積木的添加過(guò)程。

強(qiáng)制添加

在體素積木搭建過(guò)程中，開(kāi)始設(shè)定的是體素不能碰撞。

積木的體素是根據(jù)模型的mesh生成，如果積木的長(zhǎng)寬高和體素的單位長(zhǎng)度不匹配，可能會(huì)導(dǎo)致體素大于模型本身，或者小于模型本身。如果體素大于模型本身，則體素不能碰撞會(huì)導(dǎo)致積木和積木不可以緊挨著擺放；如果體素本身小于模型mesh，則會(huì)導(dǎo)致奇怪的積木穿插現(xiàn)象。此外，還有一個(gè)問(wèn)題，比如使用積木鋪設(shè)了草坪，但是由于體素?zé)o法碰撞，則無(wú)法在草坪中搭建房子，只能懸浮在草坪至上。

有兩種解決方法，第一種是根據(jù)模型本身，生成特定的體素，比如一棵樹(shù)，只生成樹(shù)干，草生成一個(gè)片之類(lèi)的，但是這種需要根據(jù)每種模型進(jìn)行體素定制，不僅工作量增加了，而且最終的搭建效果也不敢保證完全沒(méi)問(wèn)題；

第二種是強(qiáng)制添加，所謂強(qiáng)制添加，就是體素可以碰撞；每個(gè)體素格子存儲(chǔ)所屬積木對(duì)象的id，如果體素發(fā)生碰撞，則體素格子同時(shí)存儲(chǔ)多個(gè)所屬對(duì)象的id，也就是說(shuō)，當(dāng)前格子體素可能屬于多個(gè)積木。這種方式靈活，通用，并且無(wú)需增加額外的工作量。

所以我們?cè)黾訌?qiáng)制添加功能，使得積木可以疊加擺放，由使用者來(lái)確定積木位置。如下圖所示：

積木旋轉(zhuǎn)

眾所周知，體素是由小的長(zhǎng)方體格子組成，而積木則會(huì)有各種各樣的形狀。積木旋轉(zhuǎn)主要有兩種情況，90度旋轉(zhuǎn)和任意角度旋轉(zhuǎn)。

對(duì)于90度旋轉(zhuǎn)的情況，如果體素格子xz方向長(zhǎng)度相同并且積木的長(zhǎng)寬是體素單位的偶數(shù)倍，則積木旋轉(zhuǎn)90度時(shí)則積木體素不變，無(wú)需重新生成，并且看起來(lái)是繞積木的中心旋轉(zhuǎn)的；如果體素格子xz方向的長(zhǎng)度為體素單位的奇數(shù)倍，否則需要根據(jù)旋轉(zhuǎn)后的積木重新調(diào)整。如下圖所示，如果積木的xz方向的體素長(zhǎng)度為體素的偶數(shù)倍，則體素的中心位于紅色的點(diǎn)；如果x方向?yàn)?倍，如右圖，則體素的中心點(diǎn)可能位于兩個(gè)藍(lán)色點(diǎn)的其中一個(gè)，積木旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)繞著中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，所以基數(shù)倍長(zhǎng)度積木的旋轉(zhuǎn)，具有不確定性。所以建議在積木制作過(guò)程中，遵守制作規(guī)范。

此外，90度旋轉(zhuǎn)的積木，無(wú)論中心點(diǎn)在何位置，旋轉(zhuǎn)后都無(wú)需重新生成體素。

對(duì)于自由旋轉(zhuǎn)的情況，則需要根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度，重新生成積木的體素，這個(gè)計(jì)算量相對(duì)較大，比較消耗性能。如下圖所示：左側(cè)是原積木，左側(cè)是積木旋轉(zhuǎn)222度之后重新得到的積木，藍(lán)色框顯示積木，白色區(qū)域代表積木體素。

城建功能Demo提供兩種積木旋轉(zhuǎn)，90度旋轉(zhuǎn)和自由旋轉(zhuǎn)。自由旋轉(zhuǎn)參考原神的方法，加入了一個(gè)圓環(huán)，方便用戶(hù)操作。

積木破碎

為了增加游戲世界的真實(shí)感，積木破碎功能是必不可少的。如何在體素世界完成破碎功能？如何實(shí)時(shí)生成破碎積木的體素？

首先，如果使用實(shí)時(shí)的物理生成破碎的積木，性能消耗較大。其次，如果破碎積木實(shí)時(shí)生成，每次破碎的積木數(shù)量和形狀不一致，對(duì)于重新生成體素操作來(lái)講壓力還是不小的。所以斟酌再三，還是需要離線(xiàn)生成破碎積木，以及破碎動(dòng)畫(huà)。

城建功能Demo破碎過(guò)程使用如下流程：

使用第三方插件預(yù)先生成積木的破碎模型以及破碎動(dòng)畫(huà)。
將破碎模型作為普通積木一般，預(yù)生成體素?cái)?shù)據(jù)。體素?cái)?shù)據(jù)是破碎后積木的體素。
將積木的破碎模型在配表中進(jìn)行設(shè)置，與積木進(jìn)行關(guān)聯(lián)
Demo運(yùn)行中，選中積木進(jìn)行破碎后，先刪除積木，再讀取并創(chuàng)建破碎模型，同時(shí)如果存在破碎動(dòng)畫(huà)，則播放破碎模型的動(dòng)畫(huà)

經(jīng)驗(yàn)證，如此實(shí)現(xiàn)的積木破碎過(guò)程自然流暢。

下圖給出積木的兩種破碎效果：上面一個(gè)是不帶破碎動(dòng)畫(huà)的，下面是帶破碎動(dòng)畫(huà)的。上面的積木破碎后，玩家可以自由穿行，增加了游戲的趣味性。下面的帶破碎動(dòng)畫(huà)的方案需要考慮動(dòng)畫(huà)所占存儲(chǔ)的情況。Demo中城墻積木，切分成了260個(gè)碎片，動(dòng)畫(huà)錄制幀率為15，時(shí)長(zhǎng)3s鐘，動(dòng)畫(huà)大小為32M。可以根據(jù)實(shí)際情況，將碎片設(shè)置到合適的數(shù)目，并且適當(dāng)壓縮，控制動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)占比，減少內(nèi)存占用。