3D 沙盒游戏之人物的点击行走移动

原创
04/21 18:30
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前言

在 3D 游戏中,都会有一个主人公。我们可以通过点击游戏中的其他位置,使游戏主人公向点击处移动。

那当我们想要实现一个“点击地面,人物移动到点击处”的功能,需要什么前置条件,并且具体怎么实现呢?本文带大家一步步实现人物行走移动,同时进行状态改变的功能。


一、骨骼动画

骨骼动画(Skeleton animation 又称骨架动画,是一种计算机动画技术,它将三维模型分为两部分:用于绘制模型的蒙皮(Skin),以及用于控制动作的骨架。

一般在 3D 游戏中的主人公,它的跑步、走路、站立的动作,都是模型文件的自带骨骼动画。

骨骼动画权重改变骨骼动画的权重,可以使得动画间的过渡更为自然。比如体测时,当你到达终点后,会逐渐减慢速度,跑步动作的幅度越来越小,然后变成走路,最后停止。

让我们看看一个俩动作权重渐变的例子:

这个例子中,从休闲变到走路,休闲动画的权重从1到0递减,同时走路动画的权重从0到1递增。可以的点击👉 这个网站中 > Crossfading > from idle to walk[1] 体验一下。

在本次 3D 沙盒游戏中,人物状态改变,主要是鼠标点击地面后,人物从休闲状态转为跑步状态,当人物到达目的地后,又变为休闲状态。我们先来看看这些状态改变是如何实现的。

首先,我们需要设计师提供一个拥有骨骼动画的模型,它有两个骨骼动画,一个为休闲(idle)状态,一个为跑步(run)状态。

1.1 思路


1.2 动画初始化

先让我们将骨骼动画、动画名称、权重放到一个对象中存储起来,

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

那么如何判断是否正在行走呢?就需要一个当前动画的 flag,初始化时将 idle 设为当前动画

currentAnimConfig = idleAnimConfig

1.3 动画权重改变

如图,我们在人物状态改变时,需要将当前状态的动画权重递增,另一状态的动画权重递减(注意,权重值需要限制在[0, 1])。让我们看下伪代码,假设 deltaWeight 为正数

changeAnimWeight() {
  // 当前动画 -> 递增
  if (currentAnimConfig) {
    setAnimationWeight(currentAnimConfig, deltaWeight)
  }
  // 其他动画 -> 递减,如站立动作切换到走路
  if (currentAnimConfig !== idleAnimConfig) {
    setAnimationWeight(idleAnimConfig, -deltaWeight)
  }
  // 其他动画 -> 递减,如走路动作切换到站立
  if (currentAnimConfig !== runAnimConfig) {
    setAnimationWeight(runAnimConfig, -deltaWeight)
  }
}

然后在 render 的时候,进行状态切换

onRender() {
  if (准备到达目的地) {
    setCurAnimation(runAnimConfig)
  } else {
    setCurAnimation(idleAnimConfig)
  }
  changeAnimWeight()
}

1.4 缺少动画

如果 animationGroup 里只有一个 run 动画怎么办呢?答案还是一样的,只要将 idle 动画的骨骼动画设为 null 即可,像这样:

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

这么做即使后来更换了具有两个动画的人物模型,也能复用。


动画状态切换实现效果



二、行走移动

当我们平常写动画时,会用到 rAF 并递归调用渲染函数,实现一个逐帧渲染动画。当人物行走在平地上时,也可以利用逐帧移动,来实现一个位移的动画。例如 Babylon 已经封装好了 render 的事件 API[2],只要我们将渲染动画绑定 render 事件,就可以使用了。

让我们看看具体思路:


2.1 移动

由上面的思路可以看出,我们移动的时候需要用到几个变量:

  • 距终点的距离(distance)
  • 移动的方向(direction)

那么就需要在点击的时候,获取到这些变量。distance 可以利用矩阵对应坐标相加减计算,direction 就是目标位置减初始位置的法向量

directToPath() {
  // 将人物的位置设为初始位置
  initVec = this.player.position
  // 计算初始位置与终点的距离
  distance = Distance(targetVec, initVec)
  // 将终点位置与初始位置相减
  targetVec = targetVec.subtract(initVec)
  // 使用法向量计算出与终点的朝向
  direction = Normalize(targetVec)
  player.lookAt(targetVec)
}
onClick() {
  // ...
  directToPath()
}

在 render 的时候进行位移

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

位移实现效果


2.2 结合动画

当我们的移动结合模型的骨骼动画

让我们看看伪代码:

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

位移及状态变化实现效果



三、人物避障

3.1 思路

人物行走避障,实际上就是从起点到终点,在这之中添加了中间点。如图

所以我们只要记录下当前起点到终点这个路径数组,每次都朝数组的第N个点行走,就能做到转向。下面我们来根据思路及伪代码进行步骤细化。


(1) 记录路径和初始化当前的路径索引

path = getPath(targetVec)
prePathIdx = 0

(2) 当到达当前中间点时,切换到下一个中间点。当走到最后一个,则停止

onRender() {
  if (distance > READY_ARRIVE) {
    // ...移动及动画权重切换...
  } else {
    switchPath()
    // ...
  }
  // ...
}
switchPath() {
  prePathIdx += 1
  directToPath()
}
directToPath() {
  const curPath = path[prePathIdx]
  if (!curPath) return
  // ...人物移动及转向...
}

3.2 接入实际避障算法

3.1 得知,人物的行走移动要接入避障算法,需要利用到该算法提供的路径规划数组。实际应用中,我们只需要把,伪代码里的getPath()方法,换成算法计算道路的方法即可。

3.2.1 RecastJSPlugin

下面我们使用 Babylon 自带的 Recast 插件[3] ,来具体说明一下如何接入避障算法。

方法 1

在 recast 中,可以通过 computePath 获取路径:

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

然后利用 3.1 的思路,通过路径索引切换进行移动。


方法 2

recast 首先会创建一个导航网格,然后通过添加 agent 让它们约束在这个导航网格中,而这些 agent 的集合,称为 crowd

并且 recast 自带了移动的 API —— agentGoto,此时可以不需要再去计算距离和方向,并且也不需要手动切换移动路径,让我们看看具体是怎么做的。

(1) 初始化插件,并设置 Web Worker 来获取网格数据以优化性能

initNav() {
  navigationPlugin = new RecastJSPlugin()
  // 设置Web Worker,在里面获取网格数据
  navigationPlugin.setWorkerURL(WORKER_URL)
  // 创建导航mesh
  navigationPlugin.createNavMesh([
    ground,
    ...obstacleList, // 障碍物列表mesh
  ], NAV_MESH_CONFIG, (navMeshData) => {
    navigationPlugin.buildFromNavmeshData(navMeshData)
  }
  this.navigationPlugin = navigationPlugin
}

(2) 初始化 crowd(crowd:约束在导航网格中 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) 点击时利用 agentGoto API进行移动,pickedPoint 为点击点的三维坐标,由于 crowd 里只有一个对象,所以索引是 0

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

(4) 判断是否停止,未停止则改变人物朝向

那么如何改变人物的朝向呢,我们需要下一个中间点的位置,让人物看向它即可。所以回到之前初始化的地方,创建一个 navigator

initCrowd() {
  // ...
  const navigator = MeshBuilder.CreateBox('navBall', {
    size0.1,
    height0.1,
  }, this.scene)
  navigator.isVisible = false
  this.navigator = navigator
  // ...
}

在 render 的时候,人物是否停止,可以通过当前 agent 的移动速度来进行判断。而改变方向,则是通过将 navigator 移动到下一个 path 的中间点,让人物看向它。

onRender () {
  // 第一个agent对象的移动速度
  const velocity = this.crowd.getAgentVelocity(0)
  // 移动人物到agent的位置
  this.player.position = this.crowd.getAgentPosition(0)
  // 将navigator的位置移到下一个点
  this.crowd.getAgentNextTargetPathToRef(0this.navigator.position)
  if (velocity.length() > 0) {
    this.player.lookAt(this.navigator.position)
    // ...
  } else {
    // ...
  }
 // ...
}

4. 避障实现效果

让我们看看最后的效果


5. 遇到的问题

整个开发过程中,其实也不是非常顺利,总结了一些遇到的问题,可以给大家参考一下。

(1) 年兽移动时,有时会“无法刹车”,导致在终点时反复来回停不下来;这是因为在这一帧里,由于年兽的加速度较小,无法使得短时间内将速度降为0。所以只能“走过头”再“走回来”直到速度降为0之后,停止在终点。此时,只需要 hack 一下,将 agent 的 maxAcceleration 设为极大,让其有种匀速行走并立马停下的感觉。

export const AGENTS_CONFIG: IAgentParameters = {
  maxAcceleration1000
  // ...
}

(2) 障碍物的动态添加与移除

如果障碍物在该场景初始化后,位置发生了改变,此时再去销毁创建一次 navMesh 是很消耗性能的。

于是我们通过查找文档,看到还有动态添加障碍物[4]的 API。再立马调了下文档中的Playground[5],发现是可以用的。但是当我们把障碍物放大了之后,穿模了👉 看看这里[6]

于是在 Babylon 的论坛上提了这个问题[7],20分钟后就得到了 reply,这个速度👍。

原来是需要调整 NavMeshParametersch / cs / tileSize 参数,对项目做适配。

那如果想要自己实现避障,创建更快的navMesh,我们应该怎么做呢?可以看看这篇文章:3D 沙盒游戏之避障踩坑和实现之旅


总结

这篇文章,我们从骨骼动画的介绍及使用、模型的移动及状态改变、路径规划的适配三个方面,讲解了3D沙盒游戏中实现人物行走移动并进行状态改变的思路及步骤,希望新人阅读结束之后,能更快上手这个功能。

当然,本篇文章介绍的实现方式还仍有不足之处,比如移动可以加上加速度,让动作与移动速度匹配得更自然等。

如果还有什么合适的建议,也欢迎大家积极留言交流。


参考资料

[1]

from idle to walk: https://threejs.org/examples/webgl_animation_skinning_blending.html

[2]

render 的事件 API: https://doc.babylonjs.com/typedoc/classes/babylon.scene#onbeforerenderobservable

[3]

Recast 插件: https://doc.babylonjs.com/extensions/crowdNavigation

[4]

动态添加障碍物: https://doc.babylonjs.com/extensions/crowdNavigation/obstacles

[5]

文档中的Playground: https://playground.babylonjs.com/#WCSDE1#25

[6]

看看这里: https://playground.babylonjs.com/#WCSDE1#27

[7]

这个问题: https://forum.babylonjs.com/t/recastjsplugins-obstacles-api-fails-when-the-obstacle-is-big/28469

[8]

骨骼动画 - 维基百科: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%AA%A8%E9%AA%BC%E5%8A%A8%E7%94%BB

[9]

Grouping Animations | Babylon.js Documentation: https://doc.babylonjs.com/divingDeeper/animation/groupAnimations

[10]

Advanced Animation Methods | Babylon.js Documentation: https://doc.babylonjs.com/divingDeeper/animation/advanced_animations

[11]

Vector3 | Babylon.js Documentation: https://doc.babylonjs.com/typedoc/classes/babylon.vector3

[12]

Crowd Navigation System | Babylon.js Documentation: https://doc.babylonjs.com/extensions/crowdNavigation

[13]

Web Workers API: https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/Web_Workers_API

[14]

Make crowd agent move at constant speed - Questions - Babylon.js: https://forum.babylonjs.com/t/make-crowd-agent-move-at-constant-speed/19739


本文分享自微信公众号 - 凹凸实验室(AOTULabs)。
如有侵权,请联系 support@oschina.cn 删除。
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