3D 沙盒遊戲之人物的點選行走移動

凹凸實驗室發表於2022-04-21
3D遊戲

前言

在 3D 遊戲中，都會有一個主人公。我們可以通過點選遊戲中的其他位置，使遊戲主人公向點選處移動。

那當我們想要實現一個“點選地面，人物移動到點選處”的功能，需要什麼前置條件，並且具體怎麼實現呢？本文帶大家一步步實現人物行走移動，同時進行狀態改變的功能。


一、骨骼動畫

骨骼動畫（Skeleton animation 又稱骨架動畫，是一種計算機動畫技術，它將三維模型分為兩部分：用於繪製模型的蒙皮（Skin），以及用於控制動作的骨架。

一般在 3D 遊戲中的主人公，它的跑步、走路、站立的動作，都是模型檔案的自帶骨骼動畫。

骨骼動畫權重
改變骨骼動畫的權重，可以使得動畫間的過渡更為自然。比如體測時，當你到達終點後，會逐漸減慢速度，跑步動作的幅度越來越小，然後變成走路，最後停止。

讓我們看看一個倆動作權重漸變的例子：

這個例子中，從休閒變到走路，休閒動畫的權重從1到0遞減，同時走路動畫的權重從0到1遞增。可以的點選? 這個網站中 > Crossfading > from idle to walk 體驗一下。

在本次 3D 沙盒遊戲中，人物狀態改變，主要是滑鼠點選地面後，人物從休閒狀態轉為跑步狀態，當人物到達目的地後，又變為休閒狀態。我們先來看看這些狀態改變是如何實現的。

首先，我們需要設計師提供一個擁有骨骼動畫的模型，它有兩個骨骼動畫，一個為休閒（idle）狀態，一個為跑步（run）狀態。

1.1 思路


1.2 動畫初始化

先讓我們將骨骼動畫、動畫名稱、權重放到一個物件中儲存起來，

idleAnimConfig = {
  name: string;
  anim: AnimationGroup;
  weight: number;
}

那麼如何判斷是否正在行走呢？就需要一個當前動畫的 flag，初始化時將 idle 設為當前動畫

currentAnimConfig = idleAnimConfig


1.3 動畫權重改變

如圖，我們在人物狀態改變時，需要將當前狀態的動畫權重遞增，另一狀態的動畫權重遞減（注意，權重值需要限制在[0, 1]）。讓我們看下虛擬碼，假設 deltaWeight 為正數

changeAnimWeight() {
  // 當前動畫 -> 遞增
  if (currentAnimConfig) {
    setAnimationWeight(currentAnimConfig, deltaWeight)
  }
  // 其他動畫 -> 遞減，如站立動作切換到走路
  if (currentAnimConfig !== idleAnimConfig) {
    setAnimationWeight(idleAnimConfig, -deltaWeight)
  }
  // 其他動畫 -> 遞減，如走路動作切換到站立
  if (currentAnimConfig !== runAnimConfig) {
    setAnimationWeight(runAnimConfig, -deltaWeight)
  }
}

然後在 render 的時候，進行狀態切換

onRender() {
  if (準備到達目的地) {
    setCurAnimation(runAnimConfig)
  } else {
    setCurAnimation(idleAnimConfig)
  }
  changeAnimWeight()
}


1.4 缺少動畫

如果 animationGroup 裡只有一個 run 動畫怎麼辦呢？
答案還是一樣的，只要將 idle 動畫的骨骼動畫設為 null 即可，像這樣：

idleAnimConfig = {
  name: string;
  anim: null;
  weight: number;
}

這麼做即使後來更換了具有兩個動畫的人物模型，也能複用。


動畫狀態切換實現效果




二、行走移動

當我們平常寫動畫時，會用到 rAF 並遞迴呼叫渲染函式，實現一個逐幀渲染動畫。當人物行走在平地上時，也可以利用逐幀移動，來實現一個位移的動畫。例如 Babylon 已經封裝好了 render 的事件 API，只要我們將渲染動畫繫結 render 事件，就可以使用了。

讓我們看看具體思路：


2.1 移動

由上面的思路可以看出，我們移動的時候需要用到幾個變數：

  • 距終點的距離（distance）
  • 移動的方向（direction）

那麼就需要在點選的時候，獲取到這些變數。distance 可以利用矩陣對應座標相加減計算，direction 就是目標位置減初始位置的法向量

directToPath() {
  // 將人物的位置設為初始位置
  initVec = this.player.position
  // 計算初始位置與終點的距離
  distance = Distance(targetVec, initVec)
  // 將終點位置與初始位置相減
  targetVec = targetVec.subtract(initVec)
  // 使用法向量計算出與終點的朝向
  direction = Normalize(targetVec)
  player.lookAt(targetVec)
}
onClick() {
  // ...
  directToPath()
}

在 render 的時候進行位移

onRender() {
  if (distance > READY_ARRIVE) {
    distance -= SPEED
    // 人物朝 direction 方向移動 SPEED 距離
    player.translate(direction, SPEED, Space.WORLD)
  }
}


位移實現效果


2.2 結合動畫

當我們的移動結合模型的骨骼動畫

讓我們看看虛擬碼：

onRender() {
  if (distance > READY_ARRIVE) {
    distance -= SPEED
    // 人物朝 direction 方向移動 SPEED 距離
    player.translate(direction, SPEED, Space.WORLD)
    setCurAnimation(runAnimConfig)
  } else {
    setCurAnimation(idleAnimConfig)
  }
  changeAnimWeight()
}


位移及狀態變化實現效果




三、人物避障

3.1 思路

人物行走避障，實際上就是從起點到終點，在這之中新增了中間點。如圖

所以我們只要記錄下當前起點到終點這個路徑陣列，每次都朝陣列的第N個點行走，就能做到轉向。下面我們來根據思路及虛擬碼進行步驟細化。


(1) 記錄路徑和初始化當前的路徑索引

path = getPath(targetVec)
prePathIdx = 0

(2) 當到達當前中間點時，切換到下一個中間點。當走到最後一個，則停止

onRender() {
  if (distance > READY_ARRIVE) {
    // ...移動及動畫權重切換...
  } else {
    switchPath()
    // ...
  }
  // ...
}
switchPath() {
  prePathIdx += 1
  directToPath()
}
directToPath() {
  const curPath = path[prePathIdx]
  if (!curPath) return
  // ...人物移動及轉向...
}


3.2 接入實際避障演算法

由 3.1 得知，人物的行走移動要接入避障演算法，需要利用到該演算法提供的路徑規劃陣列。實際應用中，我們只需要把，虛擬碼裡的getPath()方法，換成演算法計算道路的方法即可。

3.2.1 RecastJSPlugin

下面我們使用 Babylon 自帶的 Recast 外掛 ，來具體說明一下如何接入避障演算法。

方法 1

在 recast 中，可以通過 computePath 獲取路徑：

const closestPoint = this.navigationPlugin.getClosestPoint(pickedPoint)
const path = this.navigationPlugin.computePath(
  this._crowd.getAgentPosition(0),
  closestPoint
)

然後利用 3.1 的思路，通過路徑索引切換進行移動。


方法 2

recast 首先會建立一個導航網格，然後通過新增 agent 讓它們約束在這個導航網格中，而這些 agent 的集合，稱為 crowd。

並且 recast 自帶了移動的 API —— agentGoto，此時可以不需要再去計算距離和方向，並且也不需要手動切換移動路徑，讓我們看看具體是怎麼做的。

(1) 初始化外掛，並設定 Web Worker 來獲取網格資料以優化效能

initNav() {
  navigationPlugin = new RecastJSPlugin()
  // 設定Web Worker，在裡面獲取網格資料
  navigationPlugin.setWorkerURL(WORKER_URL)
  // 建立導航mesh
  navigationPlugin.createNavMesh([
    ground,
    ...obstacleList, // 障礙物列表mesh
  ], NAV_MESH_CONFIG, (navMeshData) => {
    navigationPlugin.buildFromNavmeshData(navMeshData)
  }
  this.navigationPlugin = navigationPlugin
}

(2) 初始化 crowd（crowd：約束在導航網格中 agent 的集合）

initCrowd() {
  this.crowd = this.navigationPlugin.createCrowd(1, MAX_AGENT_RADIUS, this.scene)
  const transform = new TransformNode('playerTrans')
  this.crowd.addAgent(this.player.position, AGENTS_CONFIG, transform)
}

(3) 點選時利用 agentGoto API進行移動，pickedPoint 為點選點的三維座標，由於 crowd 裡只有一個物件，所以索引是 0

const closestPoint = this.navigationPlugin.getClosestPoint(pickedPoint)
this.crowd.agentGoto(0, closestPoint)

(4) 判斷是否停止，未停止則改變人物朝向

那麼如何改變人物的朝向呢，我們需要下一個中間點的位置，讓人物看向它即可。
所以回到之前初始化的地方，建立一個 navigator。

initCrowd() {
  // ...
  const navigator = MeshBuilder.CreateBox('navBall', {
    size: 0.1,
    height: 0.1,
  }, this.scene)
  navigator.isVisible = false
  this.navigator = navigator
  // ...
}

在 render 的時候，人物是否停止，可以通過當前 agent 的移動速度來進行判斷。而改變方向，則是通過將 navigator 移動到下一個 path 的中間點，讓人物看向它。

onRender () {
  // 第一個agent物件的移動速度
  const velocity = this.crowd.getAgentVelocity(0)
  // 移動人物到agent的位置
  this.player.position = this.crowd.getAgentPosition(0)
  // 將navigator的位置移到下一個點
  this.crowd.getAgentNextTargetPathToRef(0, this.navigator.position)
  if (velocity.length() > 0) {
    this.player.lookAt(this.navigator.position)
    // ...
  } else {
    // ...
  }
 // ...
}


4. 避障實現效果

讓我們看看最後的效果


5. 遇到的問題

整個開發過程中，其實也不是非常順利，總結了一些遇到的問題，可以給大家參考一下。

(1) 年獸移動時，有時會“無法剎車”，導致在終點時反覆來回停不下來；
這是因為在這一幀裡，由於年獸的加速度較小，無法使得短時間內將速度降為0。所以只能“走過頭”再“走回來”直到速度降為0之後，停止在終點。
此時，只需要 hack 一下，將 agent 的 maxAcceleration 設為極大，讓其有種勻速行走並立馬停下的感覺。

export const AGENTS_CONFIG: IAgentParameters = {
  maxAcceleration: 1000
  // ...
}


(2) 障礙物的動態新增與移除

如果障礙物在該場景初始化後，位置發生了改變，此時再去銷燬建立一次 navMesh 是很消耗效能的。

於是我們通過查詢文件，看到還有動態新增障礙物的 API。再立馬調了下文件中的Playground，發現是可以用的。但是當我們把障礙物放大了之後，穿模了? 看看這裡。

於是在 Babylon 的論壇上提了這個問題，20分鐘後就得到了 reply，這個速度?。

原來是需要調整 NavMeshParameters 的 ch / cs / tileSize 引數，對專案做適配。

那如果想要自己實現避障，建立更快的navMesh，我們應該怎麼做呢？可以看看這篇文章：3D 沙盒遊戲之避障踩坑和實現之旅


總結

這篇文章，我們從骨骼動畫的介紹及使用、模型的移動及狀態改變、路徑規劃的適配三個方面，講解了3D沙盒遊戲中實現人物行走移動並進行狀態改變的思路及步驟，希望新人閱讀結束之後，能更快上手這個功能。

當然，本篇文章介紹的實現方式還仍有不足之處，比如移動可以加上加速度，讓動作與移動速度匹配得更自然等。

如果還有什麼合適的建議，也歡迎大家積極留言交流。


參考資料

  1. 骨骼動畫 - 維基百科，自由的百科全書
  2. Grouping Animations | Babylon.js Documentation
  3. Advanced Animation Methods | Babylon.js Documentation
  4. Vector3 | Babylon.js Documentation
  5. Crowd Navigation System | Babylon.js Documentation
  6. Web Workers API

  7. Make crowd agent move at constant speed - Questions - Babylon.js

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