從策劃角度談談：3D遊戲中的相機處理技術和實踐（一）

原文出處知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/470530908

寫在前面

近年來，隨著國內遊戲市場的發展，越來越多的廠商將目光放在更復雜的遊戲型別上，各種FPS/TPS、ACT/ARPG等型別也重新登上了舞臺。與此同時，也產生了更多的對設計者的需求，尤其是核心戰鬥部分，在各大招聘網站上都可以看到戰鬥策劃的需求，而其中無一例外，都要求設計者們擁有3C能力（Character / Camera / Control）。在中文內容中，除了劉禕老師翻譯的《實時相機處理技術》（英文原名'Real-TimeCameras'）與《遊戲設計的236個技巧》外，很少有較為系統的且貼合設計者需求的遊戲相機相關的資料，我自己在搜尋資料的過程中也飽受困擾。

因此，我將把《實時相機處理技術》中部分常用的內容與我實際在專案中遇到的問題結合，並附上近年來製作精良的遊戲，分享一下我個人對於遊戲相機的理解，由於個人經驗所限，不可避免地會出現部分疏漏，也歡迎大家進行指正。想要更深入的瞭解遊戲相機系統，也十分推薦仔細閱讀《實時相機處理技術》。我將按照書中的章節分佈，分享遊戲相機中的概念、設計與實現方案，本篇為第一篇，將會介紹遊戲相機中較為常用的基本概念，後續兩篇會在隨後進行更新。關於遊戲相機中實際遇到的問題預期會在第三篇中進行分享。

（注：本文的寫作角度是從策劃角度出發，且重點在3D遊戲相機方向，部分內容可能與實際的程式實現或實際中的相機操作有所出入）

一. 相機基本概念

本章節將會介紹遊戲相機相關的一些基本概念 ，包括相機自身的組成部分、相機的基本屬性、顯示時的部分引數等。

後續內容中涉及到相關概念將不再進行介紹。

1.1 相機組成部分

本部分將介紹相機系統中常見的組成部分，包括相機管理器、相機、相機臂等等。此外，根據引擎中的操作習慣，本節中會將視口也作為組成部分之一進行介紹。

1.1.1 相機主體Camera

概念：遊戲中的相機可以理解為與現實中的相機類似，可以捕獲對應的遊戲畫面。Camera在遊戲引擎中一般也會展示為現實中相機的模型，使用時有兩種實現方式，一種以元件形式掛載在Character上，一種則是單獨存在。通常來講，我們會對相機主體的位置和角度進行操作，以達到不同的設計目的。

數量：在一個相機系統中，可以同時存在多個相機，通常遊戲畫面中只會將一個相機所觀察到的內容作為畫面主體，根據實際的設計需求，會在適當的時間切換相機，常見情況包括絕招/處決的釋放、劇情動畫的播放等等。

指令碼：玩家可以在遊戲執行時間接操作相機，並實時地觀測到遊戲畫面的改變。Camera也可以由遊戲中的指令碼進行操作，如幫助玩家調整視角、按照指令碼設定的固定軌道進行移動等等。

1.1.2 相機視口Viewprot

一般來講，我們討論的視口和相機處於對應狀態。

顯示裝置的部分割槽域，用於渲染遊戲場景的視見畫面。

視口的形狀和尺寸通常會發生變化，且在遊戲執行時呈現為動態變化。在某些情況下，當前視口可能會與其他視口或圖形元素髮生重疊，且視口也可使用其它形狀，而非總是矩形。

視口通常涵蓋與相機、關聯控制器輸入、表面位置及尺寸、渲染模式等內容的資訊

1.1.3 相機管理器Manager

在遊戲中，一般存在不止一個相機，需要一個相機管理器全域性的維護當前可用的相機列表，根據玩家的操作決定當前應該使用哪個相機的畫面。此外，部分遊戲的畫面中同時存在多個相機的視野，也需要相機管理器進行管理。

相機管理器處理的內容包括相機的開關與切換、不同相機切換時的插值處理、控制器的輸入管理、基於網路的角色切換與畫面處理、與音訊相關的處理、視口渲染等等。

針對相機管理器中的Update()，下列內容對其主要步驟進行了簡單的總結：

• 根據指令碼需求條件開啟/移除遊戲相機
• 更新活動相機
• 將控制器輸入內容傳遞至活動相機中
• 更新音訊系統的位置和速度資料（即多普勒效應）
• 針對當前視口構建渲染環境
  

1.1.4 相機臂/彈簧臂Arm

在第三人稱遊戲中，相機如果使用固定距離跟隨玩家，會出現很多問題，包括被障礙物阻擋、運動時如何跟隨等等。很多遊戲使用相機臂作為這個問題的解決方案，通過相機臂連線相機主體與玩家角色，讓攝像機與拍攝物件保持固定距離，並且在遇到遮擋時動態調整。

相機臂的長度可以根據實際關卡情況動態調整，相機臂的碰撞屬性也可以自行設定，在大部分第三人稱遊戲中，相機臂已經成為相機系統的預設組成部分之一。

1.2 相機基本屬性

本部分將會介紹相機中的基本屬性，包括相機的方向、相機的表現風格、視錐體、FOV等等。

1.2.1 位置

討論相機的位置時，一般會區分相對座標與絕對座標，在遊戲中，絕對座標一般指基於關卡/地圖的世界座標系的座標，本篇中的絕對座標的概念等價於世界座標，不再進行額外轉換。

相對座標

相對座標即子物件相對於其父物件的相對位置，常見於Character上的第三人稱相機。


需要注意的是，相機的父物件不一定直接是Character，可能是Character上已經存在相對關係的某個物件，此時的相對座標就會多層巢狀。


如在UE4引擎中，開啟示例專案的Character藍圖，可以看到FollowCamera是CameraBoom的子物件，而CameraBoom與Character本身還有一層相對關係。



在改變相機座標的過程中，要時刻確認當前操作的相對座標是位於哪個相對座標系。

絕對座標

絕對座標即相機在世界座標系中所處的位置，不受相機目標的影響。絕對座標可用於判斷相機與場景內物件是否可能發生互動，或用於預測相機的移動軌跡

插槽（Socket）與相機臂

在引擎中，相機常常作為子物件進行使用。當相機被新增至角色中時，有時需要確定相機的插槽，插槽處即為相對座標的0點。

插槽不一定是相對於角色位置的靜態點，也可能位於角色骨骼或基於骨骼的直線上，隨著角色的動畫進行更復雜的移動。

上述情況基於直接新增相機本身，實際的引擎操作過程中，更多的會使用SpringArm元件（或類似的帶有相機臂的元件），SpringArm元件可以理解為一根彈簧臂，其子項與父項存在一段距離，彈簧臂會嘗試維持父子之間的固定距離，當出現碰撞時，會嘗試收回子項。

當使用這類元件時，插槽一般對應的是相機臂的起點，而相機被放置在相機臂的終點上。

此處的內容可以參考對應引擎或外掛的具體文件進行學習。


目標偏移（TargetOffset）與插槽偏移（SocketOffset）

在UE4中使用SpringArm元件時，一般不再直接操作相對座標，而是通過操作相機臂來間接改變相機的位置，防止某些基於相機臂的檢測出現問題。

插槽偏移用來替代相機自身的相對座標，對應彈簧臂結束處的偏移。

目標偏移用來替代相機臂自身的相對座標，對應彈簧臂起點處的偏移。

1.2.2 方向

相機的方向包括相機的朝向，以及相機自身的旋轉方向。


偏航角Yaw

偏航角指相機的水平方向，在世界座標系中，偏航角可通過圍繞Up（Z）軸的旋轉角度加以定義。可以理解為在大多數可操作鏡頭的遊戲中左右移動時旋轉的角度。

仰角/俯仰角/傾角Pitch

俯仰角為相機的垂直定位方向，相機圍繞其右相軸旋轉。

可以理解為大多數可操作鏡頭的遊戲中上下移動鏡頭或低頭抬頭時旋轉的角度。

俯仰角的快速大幅度變化比較容易導致玩家暈眩。

旋轉角Roll

相機圍繞其前向軸旋轉的角度為旋轉角。

大部分RPG遊戲中較為少見，一般常見於飛行模擬的遊戲中。


相對方向與絕對方向

在實際配置的過程中，需要區分當前的值是相對值還是絕對值。在部分引擎中，在角色上掛載Camera元件後，需要自行確定相機前向軸的方位與繼承設定，防止出現角度疊加或覆蓋的問題，使得配置混亂。

1.2.3 相機速度

相機運動或旋轉到目標位置時，有時需要做出一定的滯後性來模擬現實中的某些效果，如移動時的緩衝效果，此外，有時也需要處理相機位置與目標快速切換的情況（會與插值一起作用）。一種方案是限制相機從當前狀態到達目標狀態的速度，包括移動速度和旋轉速度。配置此類速度時，通常會配置以下幾個指標：最小速度、最大速度、速度的變化曲線、加速度、延遲時間、延遲距離等等等。

相機的移動速度和旋轉速度也會極大地影響畫面的眩暈程度。

1.2.4 視錐體


視錐體可視為一種金字塔結構，其頂端被平行於底面的平面加以切除，如圖所示。當然，其他形狀的視錐體也並無不可，它們常用於模擬不同種類的相機鏡頭。此外，若將視錐體視為一種金字塔結構，則相機定位於金字塔的頂端，視錐體的中心線則表示為相機的視見方向。其中，視錐體的矩形平面亦將隨相機的轉動圍繞當前軸加以旋轉。

在視錐體的兩個矩形平面中，距離相機位置最近的平面稱作近剪裁面，而遠端平面則稱作遠剪裁面。這裡，位於遠、近剪裁面之外的物件均不渲染。

通常，可以通過視野角度、縱橫比，以及近平面和遠平面到攝像機的距離來描述一個視錐體。

關於視錐體內外渲染的相關設計內容，如物件隱藏、LOD、FPS攝像機渲染，在後續會詳細介紹。

1.2.5 寬高比

寬高比定義為水平視口尺寸與垂直視口尺寸之間的比值。

遊戲中較為常見的值包括4:3、16:9、21:9，通常用於適配不同的終端裝置。開發時，會選擇一個基本裝置的值進行適配，其他的值的適配視專案情況。

在遊戲中，實時改變寬高比將會影響實際的視野範圍，具體的影響將在FOV中介紹。

1.2.6 視場角FOV


通常情況下，視域（FOV）是指視錐體內頂部與下方界限之間的角度值，進而定義了遊戲場景垂直方向上的投影可視範圍。除此之外，FOV還可定義為水平角度（常見於美工師所使用的渲染軟體中）。水平FOV和垂直FOV一般會涉及裝置的寬高比。


遊戲中使用的FOV通常為水平FOV（不同遊戲根據具體的實際情況進行判斷）。

PC遊戲中常見的FOV值為90-105。

關於遊戲中改變寬高比對視野範圍的影響，在維基百科中有詳細介紹：


以下將列舉Wiki中現代遊戲比較常用的縮放方式：

Hor+（水平+縮放）

比較常見的縮放方式，垂直FOV固定，水平FOV根據渲染解析度的寬高比進行擴充套件，更大的寬高比帶來更大的FOV。在實際遊戲中，當玩家使用三屏時，可以在左右看到更多的視野。

Anamorphic（銀幕黑邊）

解析度改變時，會加黑邊。使用這種方式的遊戲，通常基於更大的寬高比，回到更低的寬高比時，可以直接在上下加入黑邊調整畫面

Vert-（垂直-縮放）

隨著寬高比的擴大，垂直FOV會變小，上下的可見範圍會變小，左右的可見範圍保持不變。



上述的改變也有可能影響視錐體的大小，進而對遊戲中的渲染設定等產生影響，常見於射擊遊戲瞄準鏡開鏡後的情況。

FOV的作用

由於FOV可以影響視野範圍，會對玩家的空間感產生明顯的影響。但FOV並不會影響角色與目標之間的實際距離，只會影響目標在螢幕中的佔比大小。在射擊遊戲與競速遊戲中，物體佔比的改變會帶來完全不同的體驗。

眩暈感

人類肉眼的視場角大概在90-110度左右，通過螢幕表現出來的畫面與人眼平時看到的畫面越接近，玩家越不容易產生眩暈感。更接近這個範圍的視場角更適合玩家長時間遊戲。

視野

在上文中可以知道，FOV越大，視野範圍越大，可以看到的場景越多。在不同型別的遊戲中，可以通過調整FOV的大小，改變玩家可以獲得的資訊量。在合適的範圍內，FOV越大，資訊量越多，根據戰鬥發生的距離和想要給玩家的資訊量，確定FOV的值，如恐怖遊戲很少設定較大的FOV。


物體在螢幕中的大小

同理，FOV也會影響物體在畫面中的佔比，FOV越大，物體在螢幕中佔比越小，視角效果越遠


在射擊遊戲中，物體在畫面中的佔比將很大程度地影響玩家射擊的精準度。


移動速度

指玩家感知到的速度，實際上FOV的改變並不會影響角色實際的遊戲速度。FOV越大，同樣距離的物體視覺效果更遠，移動到相同位置時會感覺自己移動了更遠的距離，導致角色看起來移動更快。


這個效果也可以運用在高速移動（如機甲、競速）中，當移動速度變快時，增加FOV的值，在原有的速度增加上更加強化這種感覺，通過畫面失真來營造速度感。同時結合動態模糊，可以直接做出速度線的效果。

另外一個會影響速度感的原因為地面與攝像機的距離，當VFOV改變時，視野中地面與相機的距離也會發生改變。當參照物（地面）與相機更近時，也會讓速度看起來更快，類似火車近處的景物看起來移動得更快。

轉動速度

同理，FOV並不會改變角色實際的轉動速度和滑鼠靈敏度，但區別在於，FOV確實會改變視野實際所佔的角度。轉動相同的角度，對於不同FOV下的視野，可能就是轉動半個螢幕和轉動兩個螢幕的區別。因此，也需要從遊戲是否會出現頻繁的橫向轉動相機的情況的角度，來選擇FOV的值。


後坐力和槍械手感

根據上述總結，FOV也會影響槍械在螢幕中的運動距離。FOV越低，槍械佔比越大，當播放槍口上抬的後坐力動畫時，會感覺上抬更明顯，後坐力更大。

因此，在除錯槍械手感時，也需要在統一的FOV下進行除錯。



1.3 視角

根據相機的位置和展示的內容可以區分相機的視角，不同的視角大致遵循類似的相機基本概念和運動方式，但側重點會有所不同，引數也需要重新調整。同一個遊戲可能同時存在多種視角相互切換，視角之間的切換也是相機的重點之一。

1.3.1 第一人稱視角

傳統的第一人稱（FP）相機模擬人眼的觀察方式向玩家展現遊戲場景畫面，因此，這一類相機也稱作視點（POV）相機。

針對遊戲場景中的玩家角色人物，第一人稱相機提供了強大的臨場感以及真實感。實際上，該類遊戲的劃分方式亦與相機型別緊密相關，即第一人稱射擊遊戲，簡稱FPS。甚至，某些採用POV相機的不同風格的遊戲也可劃分為同一型別。

玩家角色通常隱匿於FP相機中，這在某種程度上可降低遊戲的臨場感，當然，可新增相關視覺元素對此加以改善。

另外，FP相機還可置於飛機的駕駛員座艙內並新增相關視覺元素，以進一步強調玩家在遊戲場景中的位置。該方案常出現於賽車遊戲以及飛行模擬器中

1.3.2 第三人稱視角

大多數3D遊戲相機的置點通常與玩家角色分離，一般位於其後方或上方，這一類相機稱作第三人稱（TP）相機。此時，場景畫面的渲染位置將位於遊戲角色人物的外部。

與FP相機相比，第三人稱相機的臨場感則稍顯遜色（部分原因在於：玩家角色模型可見）。但這絲毫無法掩蓋其諸多優點。與玩家角色人物相比，儘管相機的相對位置以及方向較為靈活，但TP相機可清晰地反映出玩家角色與環境之間的關係且兼具互動性。

基於上述方案，玩家可針對靈活多變的位置資料以及方向資料實施動態選擇，根據遊戲體驗需求，玩家還可自行選擇場景視角。相機視野內容可實現即時改變抑或是根據設計者的期望要求實施插值計算。除此之外，相對於玩家角色人物的運動方向，相機還可動態地調整其距離以及角位，而非在預定義組合資料間實施簡單的切換差值。

然而，在某些遊戲環境下，相機會移出當前場景範圍，抑或特意展現某些應被隱藏的遊戲元素，因而需禁用上述控制操作。偶爾，玩家還會察看場景中的某些特定遊戲物件，因而對相機實施限制還是十分必要的。

除了基於玩家角色人物的位置和方向定義相機之外，還存在其他方案用以確定第三人稱相機的位置，如靜態相機或某些受限於固定路徑上的相機。在某些情況下，建議採用一致的相機解決方案，並採用有別於常規相機表現方式的某種特定處理方案體現相關遊戲場景(如遊戲中的關鍵人物Boss或其他特定場景)。考慮到敵方角色的物理特徵以及需要充分展示的某些遊戲物件，該方案是十分必要的。另外，根據特定的環境以及基於相機物件的潛在碰撞問題，對相機進行某種限定依然不可或缺。

如前所述，實現TP相機並非易事，其中涉及兩個主要問題，即場景漫遊以及碰撞檢測。亦即，相機應能夠在複雜(或動態變化)的場景環境中自由地穿越，並有效地解決與遊戲物件或場景幾何體之間的碰撞問題。除此之外，相機還可能被置於某一特殊位置並以一種特定方式顯示當前場景。在很大程度上，這將取決於場景環境的物理佈局，因而需要對相機的可能位置加以限制。該問題常與玩家人物角色的行為特徵相關(如加速運動或跳躍運動)，當然，可通過預定義的相機位置或移動方式減少或避免這一類問題。然而，遊戲需求中應包含相應的動態解決方案。需要說明的是，上述問題通常較為複雜，在某些情況下，還需要針對具體的環境結構做出適當的調整。

另一個常見的問題是玩家角色人物的遮擋現象。大多數遊戲允許玩家移至被當前環境所遮擋的區域。其中，較為常見的是部分遮擋以及臨時性遮擋。然而，全部遮擋常會導致玩家失去方向感，這在緊張的戰鬥場景中將會是一個十分嚴重的問題。

另外，TP相機內的視線問題也頗具意義。在大多數情況下，玩家並非總是沿其與目標物件之間的視線方向進行觀察，某些視線元素(如場景中的2D或3D標線)、火力跟蹤裝置等內容都將會大大地方便玩家的定位操作。同時，自動瞄準裝置(無須玩家輸入控制)、輔助瞄準裝置(玩家需要輸入操控的支援，但其精確度無須達到畫素級)以及自動定位裝置均可大大提高玩家的精準度。第4章將對玩家與相機操控之間的關係加以進一步的闡述。

無論如何，TP相機值得關注。TP相機不僅可在遊戲場景(包含豐富的圖形元素，如動畫)中充分展示玩家(或該玩家所控制的角色)的存在，還可清晰地顯示玩家在場景空間中的位置狀態以及相機的定位和移動方式，這一點是真實相機裝置無法比擬的。除此之外，如果加以正確的利用，第三人稱相機還可向玩家提供資訊線索。然而，若相機無法得以正確的實現，或無法完美體現互動式遊戲中所蘊含的動態變化特徵，則玩家的遊戲體驗將會大打折扣。

針對於全部潛在動作，TP相機的選擇方案應支援玩家角色人物所包含的動畫操作。考慮到相機的表現風格，這將會產生另外一個問題，即如何確定相機的方向。角色或動作類冒險遊戲通常會將目光集中於遊戲角色本身，因而相機的位置往往設定於角色的上方。無論人物角色採取何種動作，相對於顯示螢幕，都將保持同一位置。當角色人物呈現為靜止狀態時，該方案工作良好；一旦角色人物開始移動時(尤其是以較高的速度運動時)，該方案對於運動方向上的、基於玩家角色的前視問題將十分有效。同時，這也使得玩家可以更好地對未知環境加以預測，並擁有充分的時間對相關遊戲事件(如敵方火力進攻)加以反饋。

第三人稱相機的概念十分廣泛，大多數遊戲運用都是第三人稱相機，本篇中大部分問題也基於第三人稱相機來進行討論。在後續分享中，會對第三人稱相機在ACT遊戲中的運用進行實際討論，並結合個人的專案開發經驗討論可能存在的問題。

二、相機型別

根據遊戲需求，可以在和遊戲型別分離的情況下，確定幾種相機型別：漫遊相機、戰鬥相機、劇情相機/特寫相機。幾種相機型別在遊戲中可以相互切換，切換過程中也有很多的技術問題。

2.1 漫遊相機

我們通常可以將第三人稱相機在場景中移動的方案稱作漫遊相機，大部分RPG遊戲在未進入戰鬥狀態時，相機跟隨玩家在地圖中移動都可以視作漫遊相機。

關於漫遊相機的設計，一般需要考慮相機與場景間的碰撞與遮擋、相機如何跟隨玩家移動、如何確定相機位置，場景中有哪些物件需要被剔除，減輕玩家的眩暈感、減少玩家的操作次數與操作難度等問題，以上問題會在第二篇分享中，根據不同的遊戲型別實際舉例進行說明。

2.2 戰鬥相機

此處的戰鬥相機特指非FPS遊戲的戰鬥相機，當進入戰鬥狀態時，根據設計者的意圖，會改變相機的移動邏輯，並更改相機的引數，將視覺重點聚集在戰鬥資訊中。戰鬥相機使用與漫遊相機不同的方案可以更好地將遊戲的探索部分與戰鬥部分解耦，專注於提升戰鬥體驗。

有時，會設計不止一層的戰鬥相機方案，如使用鎖定相機等方案，或對不同的敵人數量使用不同的相機等等。戰鬥相機也可以不止使用一套配置，方便塑造不同的戰鬥體驗。

2.3 劇情相機/特寫相機

此處將劇情相機與特寫相機放在一起進行介紹，因為其具有相同的性質，如玩家在播放劇情相機與特寫相機時，一般都無法操作，都有一定的觸發條件，且觸發後會播放固定長度的播片（CG或實時演算等技術）等等。

劇情相機與特寫相機一般不侷限於相機的視角，在第一人稱與第三人稱都可以運用。

三、其他相關概念

此部分只會介紹基礎概念，具體內容可以自行討論

3.1 震屏

由於震屏在遊戲中應用十分廣泛，因此在這裡單獨介紹。

震屏常用於塑造打擊感，包括ACT、射擊遊戲都有運用。可以根據震動源距離相機的方向、距離、強度設定震屏。

3.2 動態模糊

遊戲中的動態模糊是什麼概念? - 知乎

https://www.zhihu.com/question/27298616

3.3 景深

模擬相機鏡頭的不完美聚焦狀態可視為另一種向電影攝像機新增真實感的手法，這可通過視域變化並結合景深效果得以實現，最終效果將對處於聚焦狀態的物件實施稍許模糊操作。需要注意的是，

模糊狀態不應一直出現，當相機的焦點從一個物體移至另一個物體時，視域值應相對於目標值發生短暫的變化，與此同時，聚焦狀態也應隨之發生改變。另外，該操作還可用於對鏡頭中的無關物件進行模糊操作，進而將玩家的注意力轉移至某一特定位置。

3.4 30°規則

瞬間改變鏡頭朝向時，轉動不超過30度則能意識到是“鏡頭轉了一個角度”，大於則會認為“換了個分鏡”（跳躍剪輯）

總結

本篇中大致介紹了部分遊戲相機相關的概念，所有帶有引用標記的內容為《實時相機處理技術》的原文，部分內容參考在文章末尾附上了連結。文章為策劃視角，關於程式實現與部分概念如果有出入，歡迎提出指導意見。

本文主要還是偏向於第三人稱3D遊戲透視相機的基本概念，附帶上了一些個人對於某些引數的理解，具體的設計與實現會在後面的文章中一一分享，如果文章中有疏漏的地方，也歡迎在評論區指出，感激不盡。

PS：關於四元數等內容，由於有很多文章分享，不再贅述。

PPS：關於圖形學與渲染相關的內容，由於並不在相關領域，出現錯誤在所難免，本文中關於渲染的相關內容，都是從策劃角度出發，只考慮最終效果，且不涉及渲染的相關專業知識。

參考連結


https://www.cxyzjd.com/article/weixin_30312557/99867051
https://api.xiaoheihe.cn/bbs/app/link/web/view?link_id=75695372
https://en.wikipedia.org/wiki/Field_of_view_in_video_games
https://www.gameres.com/888690.html
https://www.zhihu.com/question/27298616


原文：https://mp.weixin.qq.com/s/7YaGGbMrtRi46K4HbjTSYw