UE4的移動碰撞

上古時代的遊戲並不會使用例如PhysX等物理引擎，例如Quake和Doom，開發者們都會自己編寫簡單的碰撞檢測模組來完成角色移動邏輯。雖然碰撞檢測需要的物理演算法很簡單，但想讓遊戲操作起來更加順暢，往往需要非常多的細節處理邏輯。這些特殊的移動處理邏輯叫做collide and slide演算法，經過了10多年的積累沉澱，這套邏輯已經非常成熟，被應用到各種型別的遊戲上。

好奇的同學可能會問，既然有了PhysX物理引擎，為什麼不直接用它來完成角色移動呢？

原因有很多，這裡列舉幾個比較典型的

• 討厭的tunneling effect，用過物理引擎的同學可能會遇到，如果角色的移動速度過快，它很可能會穿透牆。所以，角色的最大速度往往是被限制的，這並不能滿足遊戲設計需求。即使不出現tunnel effect，角色碰到了牆角，會出現抽搐抖動，甚至移動到不可知的位置。
• 不能直接控制角色，想讓物理引擎的剛體移動，需要施加impluse或者force推力，這並不能讓角色移動到想要到的位置。
• 摩擦力問題，想讓角色站在斜坡上，需要設定無限大的摩擦力，但這回導致角色無法在斜坡上移動。
• 不受控制的跳躍，在類似波浪線有起有伏的地形上移動，不可避免的會騰空。
  

以上這些情況如果使用物理引擎幾乎是無法避免的，所以目前幾乎所有的遊戲都會自定義自己的移動模組，模組的複雜程度根據遊戲的型別規模有著天壤之別，運動類遊戲和第一人稱射擊遊戲的移動模組往往是最複雜的。而第一人稱射擊類遊戲的移動模組更具有通用性，經過多年發展，已經比較成熟，所以本文參考UE4中的程式碼，抽取其中核心邏輯，向大家介紹collide and slide演算法。

在瞭解UE4的移動邏輯之前，我們先熟悉下碰撞的基礎介面

UE4移動中碰撞檢測主要使用PhysX的Geometry Queries（幾何查詢）功能

• 射線檢測RayCasts
• 重疊檢測Overlaps
• 滲透深度計算Penetration Depth
• Sweeps檢測
• InitialOverlaps檢測
  

UE4把查詢後返回的hit封裝成了FHitResult

FHitResult的結構如下

bBlockingHit是否發生碰撞

bStartPenetrating是否在檢測開始就有滲透情況

Time碰撞後實際移動距離除以檢測移動距離

Distance碰撞後實際移動距離

Location碰撞後最終位置

ImpactPoint碰撞接觸點

Normal碰撞切面法向量

ImpactNormal碰撞切面法向量（非膠囊體和球體檢測與Normal不同）

TraceStart檢測開始位置

TraceEnd檢測結束位置

PenetrationDepth滲透深度

我們可以藉助以下兩種移動中常見的情況熟悉一下這些引數，

第一種是常見的膠囊體Sweep查詢


查詢開始結束分別是TraceStart和TraceEnd兩個位置，如果碰到了障礙，bBlockingHit就是true，膠囊體最終會停在Location位置，它移動的距離是Distance，Time是一個0到1的值，表示實際移動距離比查詢距離。還有一些可能會用的引數，比如碰撞接觸點ImpacePoint，碰撞切面法向量Normal和ImpactNormal

第二種常見的情況通常是InitialOverlaps，開始位置檢測到了重疊


這時候bStartPenetrating是true，通過滲透深度計算可以獲得PenetrationDepth，這個引數對於處理移動中穿透的情況非常重要

仔細觀察的話可以發現上面膠囊體的Sweep就是一次簡單的移動過程，UE4將這個過程進一步封裝成了SafeMoveUpdatedComponent，它是UE4移動最關鍵的函式，幾乎所有的移動都要靠它來完成。它的主要功能有以下幾點

• 篩選Hit
• SetLocation並遞迴更新子元件
• UpdateOverlap，Overlap檢測
• 解決滲透的情況，bStartPenetration
• 返回檢測結果Hit
  

下面分別介紹一下這些功能，注意下面的符號▽△用於表示函式的開始和結束

SafeMoveUpdatedComponent

UPrimitiveComponent::MoveComponentImpl

呼叫SweepMulti獲取合理的Hit

呼叫SweepMulti得到的所有Hit需要拉回微小的距離(縮小hit.time)，避免因為浮點數精度的問題導致跟碰撞物重疊

如果檢測到多個block hit，優先選擇不是在初始位置就檢測到block的hit，否則的話選取跟運動方向最相反的hit


如上圖是俯檢視，圓形是膠囊體，方形是碰撞物，紅色箭頭是運動方向，膠囊體同時跟3個障礙物發生的碰撞，得到了3個hit，也就是圖中的3個綠色剪頭，按照篩選規則，選取跟紅色箭頭方向最相反的，也就是中間的綠色箭頭的hit。

SetPosition以及相關操作

• 呼叫SetWorldLocationAndRotation
• 更新ComponentToWorld Transform矩陣
• 更新父元件和遞迴更新子元件
• 更新導航網格資料，Bounds邊界
• 更新RenderTransform以及PhysicsTransform
  

呼叫UpdateOverlap更新重疊狀態

• 呼叫OverlapMulti，獲得檢測結果
• 更新Overlap Components列表，刪除不再Overlap的Component，新增新的Component。
• 更新子Component的
  

Overlap Components列表

• 更新PhysicsVolume（比如進入離開水域）
  

UPrimitiveComponent::MoveComponentImpl

如果呼叫MoveComponentImpl返回的hit結果bStartPenetrating是true，需要呼叫ResolvePenetration解決穿透的問題

ResolvePenetration


上圖是俯檢視，圓形代表膠囊體，方形是障礙物，膠囊體跟左邊的障礙物穿透了，比較直觀的解決方法是將它按照左邊重疊的綠色箭頭拉回，拉回的距離就是上面提到的PenetrationDepth變數，如果拉回過程中又跟右邊的障礙物穿透了，這時候會得到右邊的綠色箭頭，左右兩邊的箭頭疊加，也就是向量相加，會得到中間向下的箭頭，按著這個方向拉回，就會避免穿透問題。如果調整位置成功了，還需要再次嘗試最開始的移動。

ResolvePenetration

SafeMoveUpdatedComponent

SafeMoveUpdateComponent可以看做是底層碰撞檢測和上層移動邏輯的中間層，是基礎的移動單元，接下來我們要介紹的移動邏輯，看似複雜，其實都是由這些移動單元構成的。整個移動邏輯的主函式是PerformMovement，我們還是按照函式的呼叫順序梳理一遍它的主要邏輯。

PerformMovement

1.根據輸入向量InputVector計算加速度向量Acceleration

2.隨著被騎乘物MovementBase（比如電梯，載具）移動

3.將衝力Impulse和推力Force作用於速度Velocity，一般用於擊退和徑向運動

4.根據不同的運動狀態運動

• MOVE_None(不做運動)
• MOVE_Walking（踩地面上運動）
• MOVE_NavWalking（踩導航網格上運動）
• MOVE_Falling（在空中受重力加速度）
• MOVE_Flying（不受重力加速度的運動）
• MOVE_Swiming（在水中運動）
• MOVE_Custom（自定義運動，比如插值運動）
  

先看下MOVE_Walking

PhysWalking

首先將速度和加速度的垂直方向分量設為0，方向始終保持在水平面上

CalcVelocity

1.計算速度，先設定為RequestedVelocity（尋路元件PathFollowingComponent根據路徑不斷設定該速度）

2.加速度是0的時候，將受到減速度BrakingDeceleration和摩擦力的影響而減速

3.加速度不是0的時候，摩擦力將會影響速度方向改變快慢

4.計算速度向量Velocity+=Acceleration*DeltaTime

5.最後，如果支援RVOAvoidance，將會根據RVO重新計算速度，避免跟其他角色重疊在一起，效果就像被彈回來。

CalcVelocity

MoveAlongFloor

計算移動向量Delta=Velocity*DeltaTime


根據地面坡度調整移動向量方向，如上圖需要改為沿著面1坡度的方向，也就是紅色箭頭的方向，呼叫SafeMoveUpdatedComponent


如果返回Hit結果是block，如上圖碰到了面2，通過返回的Hit的Normal引數檢測到面2的斜面坡度較緩，這時可以將剩下的移動向量改為沿著面2移動，再次呼叫SafeMoveUpdatedComponent，如果返回的Hit結果還是block或者面2非常陡峭（如下圖所示），可以開始嘗試呼叫StepUp上樓的邏輯

StepUp


理想情況下的上樓梯過程如圖所示，它是由3次移動構成，首先向上移動MaxStepHeight高度，然後向前移動（向前移動過程中如果檢測到block，需要呼叫SlideAlongSurface），最後向下移動，落到面2上面。當然，存在很多情況會導致StepUp失敗，比如移動過程中檢測到穿透Penetration，最終無法落到一個合理的落腳點（比如面2比較陡峭），都會導致呼叫StepUp失敗，在這種情況下，我們需要呼叫SlideAlongSurface，貼著面走

StepUp

在呼叫SlideAlongSurface貼著面走之前，需要呼叫HandleImpact，處理碰撞發生後帶來的副作用

HandleImpact

傳送MoveBlockedBy事件，如果開啟bEnablePhysicsInteraction，可以給與剛體一個反推力

HandleImpact

SlideAlongSurface


二維的圖示並不能很好表示貼牆走的情況，我們看下上面這個截圖，紅色箭頭表示最開始移動方向，撞到面2後，我們呼叫StepUp失敗，嘗試SlideAlongSurface，於是移動方向變為貼著面2的黃色箭頭，如果按照黃色箭頭的移動過程中很不幸又碰到了一個面，我們需要呼叫TwoWallAdjust

TwoWallAdjust

利用兩個面法向量計算面2和麵3的夾角，如果夾角大於90度，我們可以將移動方向變為沿著面3的綠色箭頭


如果面2和麵3的夾角小於90度，我們可以沿著面2和麵3的夾縫（如下圖的綠色向量）繼續移動，這個夾縫向量可以通過面2和麵3的法向量的叉乘結果計算出來，當然這個夾縫向量的傾斜角度不能過於陡峭，否則角色也是不能按照這個方向移動的。


TwoWallAdjust


SlideAlongSurface


MoveAlongFloor

到這裡MoveAlongFloor就執行完了，然後還需要呼叫FindFloor，檢測地面，調整縱座標，保證角色始終貼著地表

FindFloor

FindFloor返回的結果也是個比較重要的結構，我們看下它的引數

FFindFloorResult

bBlockHit是否跟地面有碰撞

bWalkableFloor可以行走的地面

bLineTrace是否是通過line trace檢測出來的結果

FloorDist Sweep查詢到地面的距離

LineDist LineTrace查詢到地面的距離

HitResult跟地面的FHitResult

ComputeFloorDist

一般情況下，比如下圖中的情況，我們只需要一次垂直向下Sweep檢測就可以計算出FloorDist，注意檢測的距離是之前StepUp向上檢測的距離。這時候FloorDist等於返回Hit的Distance


如果返回的的Hit是bStartPenetration是true話則需要用一個縮小的膠囊體來重新向下Sweep，算出來的FloorDist減去縮水的高度就是原膠囊體跟地面的距離


如果用縮小膠囊體Sweep還是有穿透情況，這時候需要改用line trace，從膠囊體的中心向下trace膠囊體的半個身高，如果檢測到了hit，則可以計算出陷入到地面以下的高度


注意無論是sweep還是line

trace設定膠囊體向上抬的調整高度MaxPenetrationAdjust最大隻能是膠囊體的半徑，如果陷入地下的深度大於調整高度，一次調整是無法將膠囊體從地面抬出來的，往往需要多幀處理才可以。

ComputeFloorDist

FindFloor

通過呼叫AdjustFloorHeight根據之前計算的FloorDist來調整角色的垂直座標

如果FindFloorResult的bWalkableFloor是false，需要呼叫CheckFall，切換成MOVE_Falling狀態

PhysWalking

其他幾種運動狀態這裡不做具體說明，大體邏輯是基本相似的，區別在於計算速度和對返回Hit的特殊處理上。

Physx也提供了CharacterController移動庫，有興趣的可以參考下。

作者：李雪峰
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